高温气冷堆主蒸汽隔离阀高温蠕变疲劳特性研究

2013-09-03 王海涛清华大学核能与新能源技术研究院

　　主蒸汽隔离阀是高温气冷堆二回路的关键设备，其结构完整性对反应堆的安全至关重要。根据ASME锅炉与压力容器规范第III卷第1册NH分卷，对主蒸汽隔离阀阀体的高温蠕变疲劳特性进行研究，分析阀体在高温、高压和地震载荷作用下的应力和变形水平，计算阀体关键部位的蠕变与疲劳损伤程度，并进一步探索阀体寿命对应力类型和水平的敏感性。结果表明，温度是影响主蒸汽隔离阀结构完整性的重要因素;高温蠕变在高温结构损伤量中占有优势比重。

1、引言

　　主蒸汽隔离阀是高温气冷堆二回路的关键设备，由阀体、阀盖、阀杆、阀座、填料箱、填料压板、支架、电动装置等组成。主蒸汽隔离阀应力分析满足的规范等级为ASME锅炉与压力容器规范第III卷第1册NB分卷或NH分卷。主蒸汽隔离阀的阀体材料为A182M-F91，根据NB-1120和NH-1110的规定，对于材料A182M-F91，低于370℃的部位采用NB分卷进行评价，高于370℃的部位采用NH分卷进行评价。本文根据NH分卷对高温气冷堆主蒸汽隔离阀阀体的高温蠕变疲劳特性进行研究。

2、高温部件使用限制及评价准则

　　根据NH-3220确定高温部件的应力限值;此外，还需要根据NH分卷的附录T进行高温部件变形和应变限制评定以及蠕变-疲劳评定。

2.1、高温部件应力限值

　　根据NH分卷，高温下的A级应力限值为：

　　式中，Pm为一次总体薄膜应力;PL为一次局部薄膜应力;Pb为一次弯曲应力;Sm为与时间无关的应力强度限值;St为与温度和时间有关的应力强度限值;Kt为考虑弯曲应力蠕变衰减的因子Smt为总体一次薄膜应力的许用强度，是Sm和St的最小值。

2.2、高温部件的变形和应变限制

　　在预计经受高温的区域内，最大累积非弹性应变应满足下列要求：①沿厚度平均的应变不超过1%;②应变沿厚度等效线性分布引起的表面应变不超过2%;③在任何点的局部应变不超过5%。

2.3、高温部件的蠕变-疲劳评定

　　对于可接受的设计，累积蠕变和疲劳损伤应满足如下关系式：

(2)

　　式中，D为总的允许的蠕变-疲劳损伤值;p为循环类型的数目;n为循环的重复次数;Nd为设计许用循环次数;q为蠕变损伤计算的时间间隔数;Td为某时间间隔过程中，根据所研究点上的应力水平和最高温度应力-断裂曲线确定的持续时间。

　　总蠕变-疲劳损伤不应超过NH分卷中图T-1420-2给出的蠕变-疲劳损伤包络线。

3、模型和计算结果

3.1、模型

　　本文选择保守的载荷组合和应力评价方法进行等效：对主蒸汽隔离阀在设计内压、设计温度下的热应力、自重和安全停堆地震(SSE)载荷共同作用下产生的应力，按照A级使用限值进行保守评价。主蒸汽隔离阀的设计温度为576℃，设计压力为15.7MPa;采用等效静力法施加地震载荷，3个正交方向的SSE载荷取4.5g。

　　使用通用有限元软件ABAQUS对阀体进行建模。阀体采用四面体有限单元离散，有限元模型见图1。

图1 阀体有限元模型

3.2、温度场结果

　　主蒸汽隔离阀阀体内蒸汽温度为设计温度，阀体外设置保温层。阀体温度场分布由主蒸汽隔离阀整体的温度场有限元计算得到，本文给出阀体的温度场剖面结果(图2)。由图2可以看出，阀体各区域的温度均高于370℃，因此应根据NH分卷进行结构完整性评价。

图2 阀体温度场分布

3.3、应力结果

　　在设计温度、设计内压、自重和SSE载荷共同作用下阀体剖面的Tresca应力分布见图3。根据阀体应力集中位置的分布特点，选择阀体2个正交横截面，每个面上4个危险应力位置用于应力分解(图4)。4个位置的应力(即图4中A1与B1的最大值、A2与B2的最大值、A3与B3的最大值、A4与B4的最大值)分类结果见表1，其中Q和F分别为二次应力和峰值应力。

图3 阀体Tresca应力分布

图4 应力分解位置

表1 阀体4个位置的应力

4、结果评价

4.1、应力评价

　　阀体4个位置的应力评价见表2，其中，对方形弯曲截面Kt取1.25。位置1由于处于相对低温的区域(低于450℃，见图2)，因此按照450℃进行保守的应力评价，其余3个位置按照576℃进行应力评价。

　　由表2可以看出，在4个选定位置的应力值与许用应力相比均有较大的安全裕度，应力结果满足规范要求。另外，576℃下的许用应力相比450℃有大幅度的降低，这表明在高温下，温度范围对主蒸汽隔离阀的结构完整性有重要影响。因此，在设计阶段，在确保温度的前提下，有必要尽可能降低主蒸汽隔离阀阀体高应力区域的温度。

表2 阀体4个位置的应力评价 MPa

4.2、变形和应变限制

　　根据附录T-1320和T-1710，本节采用弹性分析校核高温区域的应变限制是否满足。在设计内压、设计温度、自重和SSE载荷作用下，

　　选定阀体4个高应力区域的最大线性化(一次+二次)应力为Smax=143.2MPa(见表1，位置3)。由于Kt=1.25，因此可知：

(3)

　　式中，QR为循环中的二次应力强度;Sy为材料A182M-F91在576℃时的屈服极限(242MPa)。则由上式可知X+Y<1，满足应变限制满足要求。

4.3、蠕变-疲劳评定

　　根据附录T-1433和T-1715，对4个高应力区域进行蠕变-疲劳评定，其中以Pm最大的位置4为例给出详细评定步骤，其余3个位置直接给出评定结果。根据T-1432(a)，应变范围Δεmax=2Salt/E，其中Salt为交变应力;取E=170.9 GPa(576℃时)，取该位置的最大Mises应力为73MPa(见表1 的总体应力)，则Salt=73/2，可得：

　　(4) 在有限元计算中已考虑了局部结构的不连续性，因此令K=1且修正最大等效应变范围Δεmod=Δεmax。按T-1432(e)计算，KΔεmax=0.0427%，3

/E=0.104%。由此可知KΔεmax<3

/E条件满足，因此Ke=1。根据T-1432(f)计算，KeKΔεmaxE/3

=0.411，并按图T-1432-3查得K'v=1.0，因此Kv=1.0。由X+Y<1和T-1332可得Z=X=0.215。其中

、Ke、K、K'v、Kv、Z的定义。

　　根据T-1432(g)，将1.25σc=65MPa代入图T-1800中查得300000h对应蠕变应变增量Δεc=0.0015%。由T-1432(h)中的式(16)计算得到总应变范围εt=KvΔεmod+KΔεc=0.045%。查图T-1420-1E得到Nd>1×108次。其中σc、Δεc、εt的定义。因此：