ASME-Ⅲ-5高溫1級(jí)部件分析設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)方向探討

劉正奇,高付海

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核工程設(shè)計(jì)研究所,北京 102413)

核壓力容器高溫設(shè)計(jì)規(guī)范的提出是為了核設(shè)施部件在高溫下使用時(shí)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)分析評(píng)定準(zhǔn)則,它的完善和發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、人們對(duì)失效模式的認(rèn)識(shí)聯(lián)系緊密,理想情況下核壓力容器高溫設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)包括:高溫的定義,考慮的設(shè)計(jì)載荷與失效標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及評(píng)價(jià)。

目前國(guó)內(nèi)核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)使用的主流規(guī)范是ASME,其在1915年首次頒布,該規(guī)范在力學(xué)評(píng)價(jià)彈性分析中首次提出了應(yīng)力分類法的思想,為后續(xù)壓力容器力學(xué)評(píng)價(jià)的彈性分析方法奠定了基礎(chǔ),影響深遠(yuǎn)。2015年正式發(fā)布的ASME規(guī)范第Ⅲ卷第5冊(cè)(簡(jiǎn)稱ASME-Ⅲ-5)[1]是研究核容器中關(guān)于高溫環(huán)境運(yùn)行下的規(guī)范,綜合了ASME自1976年以來高溫設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范的主要成果[2-3],涉及蠕變、熱老化等失效機(jī)制,提供了核1級(jí)部件設(shè)計(jì)規(guī)則。此外隨著時(shí)間的發(fā)展,國(guó)際上許多其他國(guó)家核工業(yè)因?yàn)椴煌男枨蠛蛡?cè)重,也誕生了各自的核承壓設(shè)備高溫設(shè)計(jì)規(guī)范,且各有所長(zhǎng),著名的如:英國(guó)R5規(guī)程[4],注重參考應(yīng)力法和極限分析的應(yīng)用;法國(guó)的RCC-MRx規(guī)范[5],與ASME一脈相承,但區(qū)分蠕變顯著/不顯著、輻照顯著/不顯著,更加細(xì)化;日本的MONJU規(guī)范[6-7],注重地震引起的失效和長(zhǎng)/短期載荷作用對(duì)不同失效機(jī)制的影響。

隨著當(dāng)下計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)高性能計(jì)算技術(shù)、商用有限元軟件和高溫非彈性分析方法技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)步,相較而言,ASME規(guī)范傳統(tǒng)采用的作為主流的基于彈性分析的應(yīng)力分類評(píng)價(jià)方法本身存在結(jié)果過于保守、設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性不夠等局限性。本文通過對(duì)比ASME-Ⅲ-5與國(guó)際上其他主流設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程,基于損傷模式下載荷控制的應(yīng)力限制和變形控制限制分析方法及準(zhǔn)則,探討ASME-Ⅲ-5規(guī)范在分析方法準(zhǔn)則中的優(yōu)勢(shì)與局限性,吸收其他規(guī)范技術(shù)強(qiáng)項(xiàng),提出若干項(xiàng)改進(jìn)ASME-Ⅲ-5高溫1級(jí)部件設(shè)計(jì)規(guī)范的方法,指出ASME-Ⅲ-5高溫規(guī)范改進(jìn)的方向,以進(jìn)一步提高規(guī)范發(fā)展使用的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 ASME-Ⅲ-5設(shè)計(jì)方法準(zhǔn)則的總體考慮

1.1 理想高溫及ASME規(guī)范高溫定義

理想情況下,核反應(yīng)堆運(yùn)行環(huán)境中的高溫指的是溫度的一個(gè)工作范圍,在此范圍內(nèi),即使在低于屈服強(qiáng)度的理論穩(wěn)定載荷作用下,與時(shí)間有關(guān)的熱激活變形和損傷過程也可以成為影響承載部件穩(wěn)定性的重要因素。

由于時(shí)間相關(guān)性是溫度的平滑函數(shù),沒有可以清晰區(qū)分時(shí)間相關(guān)和時(shí)間無關(guān)行為的界限,因此對(duì)于特定的材料和使用條件,可以定義一個(gè)溫度限制即高溫條件,低于該限制時(shí),溫度影響可以忽略不計(jì)。此溫度限制可以確定為時(shí)間相關(guān)性首次達(dá)到顯著標(biāo)準(zhǔn)的閾值溫度。高溫條件的定義不唯一,需依據(jù)規(guī)范考慮的失效模式和設(shè)計(jì)壽命綜合決定,達(dá)到或高于高溫條件需要考慮時(shí)間相關(guān)的熱激活變形和失效,如熱老化、蠕變等,低于時(shí)可以忽略時(shí)間相關(guān)性影響。

ASME規(guī)范有高溫使用溫度和不顯著蠕變溫度的定義,也給出了與時(shí)間、溫度相關(guān)的材料許用應(yīng)力限制Smt。對(duì)鐵素體鋼溫度超過700 ℉(371 ℃)或奧氏體溫度超過800 ℉(427 ℃)時(shí),要考慮蠕變[1],否則可以忽略。ASME-Ⅲ-5關(guān)于不顯著蠕變的定義是模糊的,交由設(shè)計(jì)師自行判斷,但可以參考附錄T中Test-A3試驗(yàn)給定的明確標(biāo)準(zhǔn),即當(dāng)蠕變斷裂的時(shí)間使用分?jǐn)?shù)為0.1或更小,且累積蠕變應(yīng)變小于限制的0.2%時(shí),蠕變可認(rèn)為不顯著。

1.2 ASME-Ⅲ-5關(guān)于設(shè)計(jì)載荷的考慮

ASME-Ⅲ-5有關(guān)于不同載荷的分類和處理,包含了設(shè)計(jì)載荷、正常工作載荷、經(jīng)常出現(xiàn)的異常載荷、罕見異常載荷、極限故障載荷(分別對(duì)應(yīng)規(guī)范的設(shè)計(jì),A、B、C、D級(jí)使用限制)以及試驗(yàn)載荷,載荷類型可分為機(jī)械載荷(如自重、內(nèi)壓、外壓、地震、流體動(dòng)力載荷、接管載荷等)、熱載荷(如溫度引起的熱應(yīng)力)和熱-機(jī)循環(huán)載荷,不同載荷或組合引起不同的失效機(jī)制,如機(jī)械載荷一般引起載荷控制的一次應(yīng)力失效(即載荷控制的應(yīng)力限制),熱載荷一般引起變形控制的二次應(yīng)力,熱-機(jī)循環(huán)載荷引起變形控制的安定棘輪和疲勞失效(即變形控制限制)。

1.3 ASME-Ⅲ-5關(guān)于失效機(jī)制及準(zhǔn)則的考慮

在ASME-Ⅲ-5設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中涉及的失效機(jī)制分為單一載荷、循環(huán)載荷、蠕變相關(guān)的失效,包括:單一載荷下的極限垮塌,單一載荷下的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或屈曲;循環(huán)載荷下的疲勞失效,棘輪作用導(dǎo)致的漸進(jìn)坍塌;高溫運(yùn)行下的特定失效包括蠕變斷裂、增強(qiáng)蠕變、蠕變屈曲、蠕變疲勞、彈性跟隨效應(yīng)。通過免責(zé)聲明進(jìn)行說明的有:單一載荷時(shí)的過度變形;穩(wěn)定載荷下的蠕變產(chǎn)生過度變形;由于腐蝕、傳質(zhì)現(xiàn)象等導(dǎo)致壓力邊界坍塌或破裂;輻照效應(yīng)。

ASME-Ⅲ-5以詳細(xì)表格的形式總結(jié)提供了如何使用設(shè)計(jì)規(guī)范來處理各種失效機(jī)制,其中的重點(diǎn)是Ⅲ-5冊(cè)不允許對(duì)載荷控制的應(yīng)力限制(即一次應(yīng)力限制)進(jìn)行高溫非彈性分析,D級(jí)載荷除外。其載荷控制的應(yīng)力限制分析中采用一種彈性方法來解釋高溫蠕變引起的一次彎曲應(yīng)力的重新分布,通過一次膜應(yīng)力加上考慮或不考慮蠕變影響的主彎曲應(yīng)力限制,有效形成了一次應(yīng)力的破壞標(biāo)準(zhǔn)。ASME-Ⅲ-5附錄T提供了變形控制的限制,即關(guān)于沿厚度方向平均應(yīng)變、表面平均加彎曲應(yīng)變和峰值應(yīng)變的最大累計(jì)非彈性應(yīng)變不能超過1%、2%和5%,焊接件中的應(yīng)變集中則通過將許用應(yīng)變減少為母材的1/2來解決[1]。上述應(yīng)變限制是通用的,不考慮給定材料的蠕變延性。ASME-Ⅲ-5沒有提供解決腐蝕、輻照和傳質(zhì)現(xiàn)象的方法。

2 ASME-Ⅲ-5和其他規(guī)范分析方法的比較

2.1 ASME-Ⅲ-5分析設(shè)計(jì)

比較從載荷控制的應(yīng)力限制和變形控制限制兩方面進(jìn)行,每個(gè)方面分為時(shí)間相關(guān)和時(shí)間無關(guān)領(lǐng)域,進(jìn)而可以直觀看出ASME設(shè)計(jì)規(guī)范的彈性分析方法、非彈性分析方法的側(cè)重點(diǎn)和優(yōu)劣勢(shì)。ASME-Ⅲ-5時(shí)間無關(guān)領(lǐng)域直接引用ASME第Ⅲ卷第1冊(cè)NB分卷。

1) 載荷控制的應(yīng)力限制

(1) 時(shí)間無關(guān)

在彈性分析中忽略蠕變的情況下,ASME規(guī)范關(guān)于一次、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力的應(yīng)力分類的定義在世界壓力容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有突破性意義,對(duì)國(guó)際上其他不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)發(fā)展和要求都有重大影響。

關(guān)于載荷控制的應(yīng)力限制的計(jì)算,ASME允許使用非彈性方法的極限載荷分析和彈塑性分析。

(2) 時(shí)間相關(guān)

彈性分析時(shí),ASME承認(rèn)隨蠕變發(fā)生的應(yīng)力重分布現(xiàn)象,同時(shí)其使用應(yīng)力折減因子Kt來反映高溫蠕變引起的沿壁厚的外層纖維彎曲應(yīng)力減小。

此處ASME規(guī)范不允許在載荷控制的應(yīng)力限制分析中使用非彈性分析和極限載荷分析[8]。

目前ASME規(guī)范使用存在的一項(xiàng)主要困難是面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或工況條件下如何進(jìn)行合理的應(yīng)力分類,在對(duì)應(yīng)力分類把握不準(zhǔn)時(shí),設(shè)計(jì)師一般采用保守處理方式,這往往可能導(dǎo)致不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)結(jié)果。

2) 變形控制限制

變形控制限制的介紹和對(duì)比主要從彈性跟隨現(xiàn)象的處理和彈性分析、非彈性分析方法3個(gè)方面進(jìn)行。

彈性跟隨指的是不同剛度零部件連接在一起且柔性部分處于高應(yīng)力狀態(tài)時(shí),柔性部分可能產(chǎn)生很高的應(yīng)變集中。由于彈性分析方法只是進(jìn)行了彈性計(jì)算,并不能真實(shí)反映出結(jié)構(gòu)實(shí)際存在的彈性跟隨這一重要效應(yīng),這是彈性分析方法的一個(gè)固有不足,規(guī)范必須加以考慮解決。在變形控制限制中,進(jìn)行安定棘輪分析時(shí)ASME規(guī)范簡(jiǎn)化非彈性方法中直接將彈性跟隨引起的膜應(yīng)力視為一次應(yīng)力(即載荷控制的應(yīng)力)進(jìn)行保守評(píng)估。完全非彈性分析可以對(duì)彈性跟隨進(jìn)行更進(jìn)一步的評(píng)估,ASME規(guī)范是允許的,但依賴高溫本構(gòu)模型[9]。

ASME規(guī)范在變形控制限制中主要采用的彈性分析和簡(jiǎn)化非彈性分析方法是指使用彈性應(yīng)力分析和應(yīng)力分類,其結(jié)果應(yīng)用于彈性、安定和棘輪分析的Bree圖(適用于理想彈塑性結(jié)構(gòu)和小變形假設(shè),以影響熱應(yīng)力棘輪分析的3個(gè)無量綱參數(shù)為坐標(biāo)軸的圖,用以分析安定棘輪狀態(tài)),即附錄T中的A &B試驗(yàn)。

ASME規(guī)范附錄T部分允許對(duì)變形控制限制的計(jì)算進(jìn)行非彈性分析,基于材料的彈黏塑性本構(gòu)模型和有限元分析軟件,在A、B、C使用載荷、使用壽期內(nèi)得到的最大累計(jì)非彈性應(yīng)變應(yīng)滿足:沿厚度方向平均應(yīng)變、表面平均加彎曲應(yīng)變和峰值應(yīng)變的應(yīng)變不超過1%、2%和5%。ASME規(guī)范Ⅲ-5(2021版)提供了若干種高溫材料的彈塑性、蠕變本構(gòu)模型,可以據(jù)此開展高溫結(jié)構(gòu)的基于分離型本構(gòu)模型的彈性跟隨、安定棘輪、蠕變-疲勞分析,但提供的模型參數(shù)正確性仍存在一些問題[10]。高溫非彈性本構(gòu)模型的應(yīng)用方法在ASME規(guī)范中只是簡(jiǎn)要提及,并未深入涉及設(shè)計(jì)師操作層面的細(xì)則規(guī)定[9],由于現(xiàn)今計(jì)算機(jī)高性能計(jì)算技術(shù)的巨大進(jìn)步,這會(huì)是ASME規(guī)范未來進(jìn)一步細(xì)化改進(jìn)發(fā)展的一個(gè)方向。

2.2 與R5規(guī)程評(píng)價(jià)方法的比較

1) 載荷控制的應(yīng)力限制

(1) 時(shí)間無關(guān)

彈性分析方面,R5直接借鑒了ASME對(duì)一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力的定義。

非彈性分析方面,與ASME不同,R5允許并鼓勵(lì)使用非彈性分析,在第2/3卷附錄A12節(jié)中提供了非彈性分析和各種形式本構(gòu)方程的使用指南。同時(shí)R5允許并在很大程度上鼓勵(lì)使用極限載荷方法,此類方法的使用以及與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合非常出色,充分體現(xiàn)了R5前沿性、學(xué)術(shù)性更強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)。

(2) 時(shí)間相關(guān)

彈性分析方面,R5并不提供一種用彈性方法解釋蠕變變形引起的應(yīng)力重分布[4],與ASME相反,R5更加依賴極限載荷分析和參考應(yīng)力方法。極限載荷分析實(shí)際上是極限分析的一種類型,極限分析可被視為尋找極端條件的分析,如最大允許載荷或最小不安全負(fù)荷;這還包括循環(huán)狀態(tài),如安定和棘輪極限。極限載荷分析通常通過使用有限元分析來實(shí)現(xiàn),其假定結(jié)構(gòu)由理想塑性材料制成,采用極限分析法來計(jì)算結(jié)構(gòu)最大承載能力。R5規(guī)范將極限載荷與參考應(yīng)力聯(lián)系起來,以分析一次載荷限制,其中參考應(yīng)力指給定外載荷條件下復(fù)雜構(gòu)件的穩(wěn)態(tài)蠕變行為可以跟單軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果建立關(guān)聯(lián)的應(yīng)力[11]。1968年,Sim[12]在其博士論文中建立了參考應(yīng)力和極限載荷、所受外載荷的關(guān)聯(lián)式:

σref=P0/Puσy

(1)

式中:σref為參考應(yīng)力;Pu為結(jié)構(gòu)的極限載荷;σy為結(jié)構(gòu)材料的屈服極限;P0為結(jié)構(gòu)的外加載荷。

此方法于1991年被R5規(guī)范采納后用于蠕變強(qiáng)度分析。同時(shí),參考應(yīng)力法基于結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)而不是局部破壞的極限載荷,其本質(zhì)上要求材料必須具有足夠的高溫蠕變延性才能使用[11],不過R5規(guī)范同時(shí)提供了蠕變脆性材料的參考應(yīng)力法。

非彈性分析方面,R5同樣允許并鼓勵(lì)使用非彈性分析。

與ASME規(guī)范不同,R5規(guī)范盡管也采用了應(yīng)力分類的技術(shù)路線,但極限載荷分析及其在參考應(yīng)力方法中的應(yīng)用是R5的時(shí)間相關(guān)載荷控制的應(yīng)力限制分析方法的核心。通過限制參考應(yīng)力小于斷裂參考應(yīng)力判據(jù),保障滿足蠕變強(qiáng)度和設(shè)計(jì)壽命要求[11],根據(jù)蠕變延性/脆性材料有不同的斷裂參考應(yīng)力計(jì)算形式。此方法避免了ASME規(guī)范經(jīng)常面對(duì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行應(yīng)力分類的問題,提高了方法應(yīng)用的客觀性和設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確度。

2) 變形控制的限制

R5認(rèn)識(shí)到彈性跟隨對(duì)結(jié)構(gòu)性能分析的重要性。關(guān)于循環(huán)載荷,有3種方案來解決變形限制問題,分析程度和保守程度各不相同,分別是彈性分析、簡(jiǎn)化非彈性分析和完全非彈性分析。這里介紹基于簡(jiǎn)化非彈的彈性跟隨因子法。R5為了量化結(jié)構(gòu)中不連續(xù)部位的彈性跟隨效應(yīng)定義了彈性跟隨因子,提供了其求取流程[11]:

(2)

ASME沒有對(duì)彈性跟隨進(jìn)行量化處理。

R5允許對(duì)變形限制進(jìn)行彈性分析,并將結(jié)果應(yīng)用于蠕變不顯著的快速循環(huán),同樣也允許考慮增量時(shí)間步長(zhǎng)使用非彈性分析來分析結(jié)構(gòu)的彈性、塑性和蠕變行為。與載荷控制的限制類似,直接使用非彈性分析方法的計(jì)算效率不高。此外R5若要在棘輪狀態(tài)下運(yùn)行,則必須進(jìn)行完全非彈性分析。

相比ASME規(guī)范使用時(shí)間分?jǐn)?shù)法計(jì)算蠕變損傷,而R5規(guī)范更推薦使用延性耗竭法,延性耗竭法基于延性耗竭理論,認(rèn)為當(dāng)局部區(qū)域累積蠕變應(yīng)變達(dá)到斷裂延性值時(shí),損傷達(dá)到臨界值,即失效[13]。此方法計(jì)算的是蠕變損傷。蠕變延性數(shù)據(jù)為斷裂時(shí)蠕變應(yīng)變,可通過單軸蠕變?cè)嚇咏孛媸湛s率換算或延伸率獲取。

R5還提供了分析安定棘輪邊界的直接法,即線性匹配法(Linear Matching Method, LMM),其通過一系列迭代修正彈性模量的線彈性分析來擬合結(jié)構(gòu)的塑性行為[14],是一種求解材料非線性行為響應(yīng)的快速直接方法,其不同于R5規(guī)程中的其他方法以校核為主,該方法計(jì)算載荷極限,是真正的設(shè)計(jì)方法。

2.3 與RCC-MRx規(guī)范設(shè)計(jì)方法的比較

RCC-MRx對(duì)失效機(jī)制分為P型損傷和S型損傷兩大類,其描述了在兩種主要失效機(jī)制下1級(jí)部件的一般設(shè)計(jì)規(guī)則。P型損傷是由穩(wěn)定單調(diào)增加的載荷或恒定載荷造成的,這包括瞬時(shí)過度變形、塑性失穩(wěn)、時(shí)間相關(guān)過度變形、塑性、斷裂和彈性或彈塑性失穩(wěn)。S型損傷是指由于循環(huán)往復(fù)加載而產(chǎn)生的所有失效機(jī)制,如漸進(jìn)變形(棘輪)和疲勞開裂。在區(qū)分P型和S型損傷后,還區(qū)分了蠕變顯著/不顯著、輻照顯著/不顯著[15],再進(jìn)行后續(xù)強(qiáng)度分析。RCC-MRx關(guān)于輻照能否忽略有明確標(biāo)準(zhǔn),通過結(jié)構(gòu)使用期間接收的最大劑量小于限值和每個(gè)時(shí)間段中累計(jì)劑量小于此時(shí)間段內(nèi)最高溫下的允許累計(jì)劑量來區(qū)分,在輻照不可忽略時(shí)許用應(yīng)力強(qiáng)度加入了輻照項(xiàng),兩者都不可忽略時(shí)蠕變使用分?jǐn)?shù)限制降低到考慮蠕變、不考慮輻照的10%[5]。而ASME規(guī)范則完全未考慮輻照的影響。下面的對(duì)比為不考慮輻照的情況。

1) 載荷控制的應(yīng)力限制

(1) 時(shí)間無關(guān)

彈性分析方面,RCC-MRx以與ASME相同的方式對(duì)一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力進(jìn)行分類。

非彈性分析方面,如極限載荷法,與ASME相同,RCC-MRx允許使用非彈性分析,它提供了描述可以使用的非彈性分析方法和本構(gòu)材料模型的附錄。

(2) 時(shí)間相關(guān)

RCC-MRx可以使用彈性分析,與ASME相同,RCC-MRx使用應(yīng)力折減因子解釋蠕變變形引起的應(yīng)力重新分布。同時(shí)RCC-MRx使用修正因子修正了彈性分析中彈性跟隨對(duì)膜應(yīng)力的影響[5]。

RCC-MRx允許對(duì)時(shí)間相關(guān)的應(yīng)力限制進(jìn)行非彈性和極限分析(不可與其他方法混用),ASME規(guī)范則不允許。

2) 變形控制的限制

RCC-MRx同樣認(rèn)識(shí)到需要在彈性分析方法中解決彈性跟隨問題,但處理不充分,只是提供一個(gè)免責(zé)聲明。

彈性分析方面,RCC-MRx有完全不同于ASME的方法,兩者差異較大,該方法僅限于布里管型問題,未對(duì)一般結(jié)構(gòu)和復(fù)雜載荷的適用性進(jìn)行說明,其需要定義效率指數(shù)和二次比,很難評(píng)估是否比ASME規(guī)范提供的方法更有效。

非彈性分析方面,RCC-MRx允許使用彈塑性和黏彈塑性類型的非彈性分析。RCC-MRx提供了該規(guī)范所涉及的高溫使用結(jié)構(gòu)材料的塑性、蠕變本構(gòu)模型方程形式和參數(shù)。

2.4 與MONJU設(shè)計(jì)方法的比較

MONJU規(guī)范很大程度上基于ASME規(guī)范,主要區(qū)別在于MONJU區(qū)分了長(zhǎng)/短期載荷,尤其是對(duì)于日本經(jīng)常發(fā)生的地震載荷,提出了一種與地震載荷相關(guān)的新型失效機(jī)制,稱為棘輪疲勞[6]。其是一種由漸進(jìn)循環(huán)變形加速疲勞的失效機(jī)制,并主要發(fā)生在管道中,該機(jī)制是短期的,與蠕變不直接相關(guān),因此它在高溫或低溫下都可能發(fā)生。

1) 載荷控制的應(yīng)力限制

(1) 時(shí)間無關(guān)

彈性分析方面,應(yīng)力分類的定義與ASME相同,區(qū)別是區(qū)分了短期和長(zhǎng)期應(yīng)力,限制兩者之和小于限制,這反映了日本對(duì)地震載荷的特殊關(guān)注。

非彈性分析方面與ASME相同。

(2) 時(shí)間相關(guān)

彈性分析方面與ASME一致。非彈性分析方面,有新提出類似R5的基于參考應(yīng)力的無應(yīng)力分類設(shè)計(jì),不過無進(jìn)一步的詳細(xì)信息,說明其正處于發(fā)展之中。

2) 變形控制的限制

MONJU更多地考慮了彈性跟隨現(xiàn)象,與ASME規(guī)范類似,將熱應(yīng)力視情況分為二次應(yīng)力或納入一次應(yīng)力分析,在低應(yīng)力、長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)的彈性跟隨應(yīng)變計(jì)算參照提供的附錄。

彈性分析方面,MONJU有一種處理循環(huán)載荷和相關(guān)變形極限的簡(jiǎn)化方法,類似于ASME附錄T的B試驗(yàn)。

非彈性分析方面沒有詳細(xì)資料。

2.5 對(duì)比總結(jié)

總的來說,R5允許使用各種分析類型,如使用簡(jiǎn)化非彈性分析以計(jì)算載荷控制的應(yīng)力限制和變形控制極限,但當(dāng)使用彈性分析時(shí),ASME采用整體厚度的平均溫度,而R5則采用所選相關(guān)截面的最高溫度,R5相對(duì)更保守。參考應(yīng)力法是其簡(jiǎn)化非彈性分析的核心。使用參考應(yīng)力法進(jìn)行蠕變強(qiáng)度分析可以有效避免ASME如何合理進(jìn)行應(yīng)力分類的問題,提高了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度,同時(shí)彈性跟隨因子應(yīng)用也很好地解決了彈性跟隨問題。

RCC-MRx與ASME不同,區(qū)分了載荷類型及蠕變是否顯著/不顯著,考慮了輻照的影響。其允許對(duì)P型載荷的蠕變強(qiáng)度進(jìn)行極限分析,提出了修正因子修正彈性跟隨對(duì)膜應(yīng)力的影響,也允許對(duì)載荷控制的應(yīng)力限制進(jìn)行非彈性分析。

MONJU規(guī)范大體上基于ASME,但它重點(diǎn)區(qū)分了長(zhǎng)/短期載荷和應(yīng)力限制,提供了如何判斷彈性跟隨程度的詳細(xì)指南,并基于地震強(qiáng)震載荷引起的失效機(jī)理新提出了一種失效模式——棘輪疲勞。

3 ASME-Ⅲ-5分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的改進(jìn)討論

通過上述對(duì)比,可知ASME-Ⅲ-5對(duì)高溫環(huán)境下載荷控制的應(yīng)力限制僅允許進(jìn)行彈性分析,不允許使用非彈性分析和與極限載荷有關(guān)的參考應(yīng)力法,在變形控制限制的彈性分析方面對(duì)彈性跟隨效應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單保守處理,非彈性分析中沒有高溫非彈性蠕變本構(gòu)模型使用的細(xì)則規(guī)定,沒有考慮輻照相關(guān)失效等。所以本文嘗試總結(jié)面向損傷模式下各個(gè)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)并進(jìn)行改進(jìn)討論。

3.1 關(guān)于載荷控制的應(yīng)力限制

基于R5多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可以看出在特定情況下蠕變相關(guān)的載荷控制的應(yīng)力限制分析中使用參考應(yīng)力法替代傳統(tǒng)的應(yīng)力分類法是可行的,傳統(tǒng)應(yīng)力分類方法在面對(duì)部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)的蠕變強(qiáng)度分析過于保守。MONJU規(guī)范中針對(duì)地震的短期、長(zhǎng)期載荷區(qū)分,RCC-MRx關(guān)于輻照限制的影響也值得參考。

3.2 關(guān)于變形控制限制

變形控制限制中R5提出了彈性跟隨因子及其求取流程,在簡(jiǎn)化非彈性分析中處理了彈性跟隨效應(yīng),而ASME規(guī)范處理得不充分。

已被R5規(guī)范采納的線性匹配法是一種先進(jìn)的數(shù)值算法,適用于復(fù)雜工況下的棘輪極限載荷分析,具有較高的計(jì)算效率。

3.3 關(guān)于ASME-Ⅲ-5改進(jìn)方向討論

1) ASME-Ⅲ-5規(guī)范主體部分可以不變,對(duì)載荷控制的應(yīng)力限制的分析方法中除了強(qiáng)制性的彈性分析外可以引入非強(qiáng)制的可替代的非彈性分析方法,如參考應(yīng)力法,并提供配套的更詳盡的材料數(shù)據(jù),如蠕變延性。參考應(yīng)力法基于極限分析,避免了應(yīng)力分類,給蠕變強(qiáng)度分析帶來了極大地便利,也更加合理。在一次載荷分析領(lǐng)域中,參考應(yīng)力法已有了足夠的數(shù)據(jù)支持,在其他國(guó)際ETD規(guī)范和指南中被采納或擬議采納,可作為一種可選方法納入ASME準(zhǔn)范中。

2) 在載荷控制的應(yīng)力限制中,可以加入考慮蠕變顯著/不顯著、輻照顯著/不顯著的影響以及地震條件下對(duì)于長(zhǎng)/短期載荷明確采用不同應(yīng)力限制。

3) 除ASME現(xiàn)有的彈性分析、簡(jiǎn)化非彈性分析和非彈性分析3種方法外,可以研究考慮將目前國(guó)際上先進(jìn)的直接法設(shè)計(jì)方法——線性匹配法納入,單獨(dú)作為一種與上述3種方法并列的設(shè)計(jì)師可選的設(shè)計(jì)方法。

4) 高溫非彈性本構(gòu)模型是高溫結(jié)構(gòu)非彈性應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)分析的基礎(chǔ),現(xiàn)有ASME規(guī)范提供了若干材料的分離型本構(gòu)模型和參數(shù),但對(duì)于循環(huán)塑性本構(gòu)、適用于9Cr1MoV材料的統(tǒng)一型非彈性本構(gòu)模型以及非彈性分析方法的使用細(xì)則等內(nèi)容ASME都未明確,有待細(xì)化規(guī)定。

5) ASME規(guī)范中變形控制限制的彈性分析對(duì)彈性跟隨處理不充分,可以在可選替代方案中考慮引入彈性跟隨因子及其求取流程,量化考慮彈性跟隨效應(yīng)。

6) ASME規(guī)范中變形控制限制的蠕變疲勞損傷交互作用判據(jù)對(duì)于蠕變損傷計(jì)算采用考慮時(shí)間分?jǐn)?shù)法,結(jié)果往往過于保守,在一定條件下可以考慮研究引入保守性適度的延性耗竭法作為可選替代方案。

4 結(jié)論

ASME規(guī)范歷史悠久,是實(shí)踐了很久且行之有效的高溫設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了更好地認(rèn)識(shí)和使用規(guī)范,本文將ASME-Ⅲ-5與其他國(guó)際主流規(guī)范或規(guī)程對(duì)比,探討改進(jìn)方向,得出如下主要結(jié)論。

1) ASME-Ⅲ-5基于應(yīng)力分類的彈性分析方法思想先進(jìn),表現(xiàn)優(yōu)異,但存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力難以合理分類問題,且在高溫使用時(shí)不允許對(duì)載荷控制的應(yīng)力限制進(jìn)行非彈性分析。鑒于以上原因以及現(xiàn)今計(jì)算技術(shù)的巨大進(jìn)步,ASME可以嘗試引入非彈性分析法如R5規(guī)程的參考應(yīng)力法作為一種替代方法,在保證安全性前提下提高設(shè)計(jì)方法的經(jīng)濟(jì)性。也可以考慮引入線性匹配法作為一種獨(dú)立的設(shè)計(jì)方法供設(shè)計(jì)師選擇作為可選方案。

2) ASME-Ⅲ-5對(duì)于載荷控制的應(yīng)力限制可以考慮針對(duì)服役條件和地震條件進(jìn)行進(jìn)一步的明確細(xì)化,加入考慮蠕變顯著/不顯著、輻照顯著/不顯著的影響以及地震條件下對(duì)于長(zhǎng)/短期載荷明確采用不同應(yīng)力限制。

3) 高溫非彈性本構(gòu)模型是高溫結(jié)構(gòu)非彈性分析的基礎(chǔ)。對(duì)于循環(huán)塑性本構(gòu)、適用于9Cr1MoV材料的統(tǒng)一型非彈性本構(gòu)模型以及非彈性分析方法的使用細(xì)則等內(nèi)容ASME可以進(jìn)一步細(xì)化規(guī)定。

4) ASME規(guī)范中變形控制限制的蠕變疲勞損傷交互作用判據(jù)對(duì)于蠕變損傷計(jì)算方法過于保守,在一定條件下可以研究考慮使用保守性適度的延性耗竭法作為可選的替代方案。

本文對(duì)比研究指出了若干項(xiàng)ASME-Ⅲ-5高溫1級(jí)部件規(guī)范設(shè)計(jì)方法準(zhǔn)則技術(shù)改進(jìn)的方向,有望通過進(jìn)一步的技術(shù)基礎(chǔ)研究正式納入ASME,進(jìn)而提高規(guī)范發(fā)展使用的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性,同時(shí)以上結(jié)論對(duì)開發(fā)構(gòu)建我國(guó)自主化的核承壓高溫使用1級(jí)部件設(shè)計(jì)規(guī)范亦具有重要指導(dǎo)價(jià)值。