破前漏LBB在核管道的应用分析解析.docx
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破前漏LBB在核管道的应用分析解析
LBB理论在核管道中的应用
邓坤军612080706048
(南京工业大学化工过程机械系,南京,210009)
摘要:
LBB(破前泄漏,LeakBeforeBreak理论是于80年代国际上发展起来的管道防爆最有效的理论,国外已开始在核管道上应用。
2011年3月发生在日开始在核管道上应用。
2011年3月发生在日本灾难性的核事故,使LBB理论的
研究又旋起一个研究的热潮。
本文针对目前的LBB理论的典型判定方法进行回顾和综述,并提出LBB理论急需要解决的问题。
LBB问题的研究对于我国核能工业的发展具有重要的意义。
关键字:
核管道,LBB,断裂,泄露率,R6,LBB.NRC,GE/EPRI
中国分类号:
T***文献标识码:
A
TheLBBTheoryAppliedToNuclearPiping
DengKun-jun
(DepartmentOfChemicalProcessEquipment,NanjingUniversityOfTechnology,Nanjing,210009)
Abstract:
TheLBB(LeakBeforeBreak)theoryisthemosteffectivepipelineexplosion-prooftheorydevelopedinthe1980s,hasbeenusedinforeignnuclearpipe.ThecatastrophicnuclearaccidenthappeninJapaninMarch2011,makingtheLBBtheorystudyaclimax.ThispaperwillmakeareviewontheLBBtheory,andprovideproblemintheLBBtheoryneededtosolve.TheresearchoftheLBBproblemwillmakegreatsignificaneeforthedevelopmentofChina'snuclearpowerindustry.
Keywords:
nuclearpiping,LBB,fracture,theleakrate,R6,LBB/GE,GE/EPRI
1.研究背景
管道在能源输送过程中起着十分重要的作用,国内外绝大多数石油、大然气
都是通过管道运输的。
泄漏是长输管道运行中的主要故障,管道及压力容器的爆破泄漏事故更常常与焊接缺陷相连。
管道运输系统一旦发生泄漏或破坏等事故,不仅影响正常生产秩序的进行、威胁工人的生命安全而且必将给国家经济和国民生活带来巨大的损失。
2011年3月发生在日本灾难性事故,就是血和泪的教训。
研究表明,焊接管道作为一种典型的焊接结构,其焊接过程常常使焊接接头的组织性能劣化及产生缺陷。
而焊接缺陷处有较大的应力集中,在使用过程中往往成为裂纹的源头,而管道一旦从焊接接头处发生断裂,极易造成突发性和灾难性断裂。
目前我国大多数油气管道已进入事故多发期,油气管道的检测和评价的需求已日趋迫切。
由此看来,焊接接头是管道系统的薄弱环节,对其强度、寿命和安全可靠性进行评定以保证管道安全可靠的使用具有重要的现实意义。
目前对焊接结构进行风险评估均是建立在“合于使用”(FitnessforPurpose)
原则基础之上,这一原则或手段与“完整结构”在概念上的区别是它明确地承认焊接结构存有构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性。
但是在建立于诸如断裂力学、材料试验、应力分析、质量检查或无损探伤等科学方法基础之上,“合于
使用”原则要充分地保证所制造的结构不发生已知机制如脆性破坏、疲劳失效、应力腐蚀的失效事故。
因此该原则为压力容器和焊接管线结构的设计、制造和安全使用提供了重要的依据和强有力的手段。
欧洲共同体提出的SINTAP(StructuralIntegrityAssessmentProcedure)“结构完整性评定方法”’已经对此问题给予了重视,进行了一些相关研究,并在标准中提出了“先漏后断”(Leak-Before-Break,简写LBB)的评定问题。
但是这些标准中只是以附录的形式原则性的提出了一些条款,并且评定方法在很多如裂纹扩展的研究、裂纹张开面积和泄漏速率的计算等方面存在很多不足之处,因此有待于
进一步研究。
我国在“九五”期间重新编制了“在用含缺陷压力容器安全评定”等标准。
该标准提出了对平面缺陷评定的三个级别,即简化评定,常规评定(考虑塑性失
效)和平面缺陷评定的分析方法,与CVDA—84规范相比有了一定发展。
但这些评定方法都是建立在断裂评定基础之上,即以断裂失效作为失效模式。
而对于压
力容器和管道等承压构件来说,经常存在结构在断裂之前首先发生稳定泄漏的情况,我国的相关标准还不成熟。
既日本核事故之后,我国进行大量有关LBB理
论的研究,并取得了重大的成果。
综上所述,LBB分析技术是80年代发展起来的,在焊接压力管道设计和评价方法上的全新概念,由于采用LBB分析技术可带来良好的经济效益,近年来越来越受到各国的重视,并逐渐得以应用。
在此背景下,中国核电工程有限公司
(CNPE)资助了本课题[1]的研究,主要针对焊接压力管道,核管道“合于使用”原则基础上,进行先漏后断评定方法的研究,以填补国内在该领域的空白。
根据我国国情,保证大量焊接结构的安全运行,并使其更具合理性和科学性,使先漏后断的安全评定发挥其应有的的经济效益和社会效益。
2LBB的一些基本概念
2.1LBB的定义
表面裂纹是在压力容器及管道结构中常见的〜种缺陷,它的存在引起压力容
器及管道的失效主要有两种形式爆破(Break)和先漏后断(LeakBefore
Break)。
爆破是指表面裂纹在载荷或载荷和腐蚀作用下沿壁厚及壁面方向引起亚临界扩展,在裂纹穿透壁厚前或刚穿透壁厚时,壁面方向裂纹长度已达到失稳扩展临界值而发生容器或管道的快速整体破坏。
先漏后断(LBB)是指表面裂纹在外
加载荷和其它因素作用下逐渐发展,甚至穿透壁厚(可以是厚度方向的失稳穿透),形成贯穿裂纹,造成管道内介质的泄漏。
当泄漏量达到一定程度后,即可以被相应的泄漏监测系统发现。
但壁面方向裂纹长度仍有足够的安全裕度,达到一定长度后才会发生失稳扩展从而导致管道的彻底断。
裂。
如果从发现泄漏到管道毁灭性破坏之间有足够长的时间采取安全处理措施(如卸压、修理等),则避免
了由于快速整体破坏而引起的灾难性事故,认为这种管道满足LBB的条件,提
出先漏后断(LBB)概念[2]。
对于允许泄漏的流体而言,含缺陷压力容器或管道能满足先漏后断(LBB)条件下的运行状态称之为“先漏后断安全”。
压力容器及管道大多有联接部件,泄漏往往是不可避免的;而灾难性爆破(爆炸)事故,则是人们竭力希望避免的。
在传统的断裂评定中,只要表面裂纹一一启裂或穿透壁厚即认为含裂纹结构已失效,这样由于评定时存在着较大的保守性,因而被判为失效的含裂纹结构实际上常能继续安全运行。
这种情况下应该采用先漏后断的失效模式进行进一步的评定,不能简单的判其为失效。
若存在先漏后断的情况,即使裂纹穿透壁厚,只要相应的穿透裂纹长度没有达到失稳扩展的临界值,则可以通过先漏后断的分析和计算,预测其使用寿命。
这将使在役含缺陷压力容器和管道等承压构件的安全评定更具合理性和科学性,并带来巨大的经济效益和社会效益。
因此,LBB准则
是比传统断裂评定更为精确而又不过分保守的评定理论。
22LBB分析的适用范围
按照美国核管会的规定,LBB分析适用于那些在使用过程中不大可能因其它各种劣化或弱化机制而损伤破坏的大直径管道或容器•这些损伤机制既包括
水锤、蠕变、腐蚀、侵蚀、疲劳,也包括环境因素引起的间接破坏•因此,在进行LBB分析之前,一个重要的步骤就是对即将评定的管道进行分析,根据理论
和实验结果以及经验、运行历史等,判断管道所有可能的破坏机制,以决定它是否适合于LBB分析方法.如果管道在使用过程中容易由于上述直接或间接原因而破坏,那么LBB分析将不能适用于该管道.这是因为上述破坏机制超出了LBB判断准则的前提条件•例如,水锤会引起巨大的动力载荷,这在LBB分析中是没有考虑的;LBB分析只针对于裂纹状的缺陷,而蠕变、腐蚀、疲劳等会产生其它形式的缺陷(如管道直径的大范围变薄)以及材料性质的损伤劣化•按照纵深防御原则,将易于发生上述破坏机制的管道排除在LBB分析的范围以外。
2.3LBB准则
在确定一个管道可以应用LBB分析技术后,即需要对其进行断裂力学评定,判断它是否满足LBB条件.LBB认可准则通常包括以下几方面的要求。
(1)载荷要求:
载荷应该包括在正常运行条件下的静力和静弯矩以及与安
全停堆地震有关的力和弯矩•并且假设裂纹位于应力和材质组合最不利的位置,
即应力最高而材料的韧性和强度最差的位置。
(2)缺陷尺寸和位置:
应假设缺陷的尺寸足够大,以保证泄漏能被及时测量到.一般要求在
(2)运行载荷下裂纹的泄漏率是泄漏监测系统能够监测到的最小泄漏量的10倍。
(3)缺陷稳定性条件:
在判断裂纹的稳定性时,将正常运行载荷与安全停堆地震载荷相,再乘以一个安全系数(根据载荷计算方法的不同,一般取2或1.
0),要求在此载荷作用下,裂纹是稳定的。
(4)缺陷尺寸裕度:
满足条件
(2)的最小裂纹长度记为2aieak,满足条件
(3)的临界失稳扩展的裂纹长度记为2acrit,LBB条件要求
acrit-Saaieak
其中安全裕度因子Sa一般取为2。
(5)其它要求:
如从时间上,要求有足够的时间实现泄漏监测和安全保护措施,即
t|_BB-StT
式中为tLBB贯穿裂纹从开始发生可监测泄漏到发生失稳扩展的时间,T泄漏监测
系统的响应时间,包括在正常工况下泄漏监测所需的时间以及采取必要措施所需的时间,St为安全裕度因子。
3几种典型的LBB判定方法
作为LBB分析的基础,弹塑性断裂力学的发展一日千里,断裂力学、计算力学等的一些重要成果在LBB分析中得到了应用.目前已有的LBB分析方法有多种,有的是采用线弹性断裂力学的方法,这类方法比较简单,但是精度较差,而且不能解释一些非线性现象,如裂纹的稳定扩展;更多的方法是采用弹塑性断裂力学的方法,这类方法主要包括双准则方法、基于有限元的J积分方法、裂纹尖端张开位移方法、基于载荷-位移曲线的J积分方法等•要应用一种LBB的分析方法,首先要了解其主要特点和适用范围(如适用的几何构形、应变强化效应和焊缝的处理、精确度等)•如前所述,LBB分析包括一系列的断裂力学问题,本节重点从韧性裂纹扩展的失效评定和临界载荷计算的角度介绍几类重要的LBB
分析方法,因为裂纹扩展的稳定性分析是LBB分析的核心。
3.1GE.EPRI方法
GE.EPRI方法也属于J积分的评定方法。
对于弹塑性材料,可以将J积分近似分解成弹性部分Je和塑性部分Jp.对于管道弯曲情况,Je和Jp可按下式计算,
Je
:
;巡
0:
:
A
d:
'
Jp
加载两端的转角,门e和门p分别为「的弹性和塑性部分.Sanders[8给出了在线
弹性情况下受拉伸和弯曲的含贯穿裂纹管道的Je计算公式.Jp的计算较为复
杂,GE.EPRI方法以全塑性的有限元计算为基础给出Jp,然后利用线弹性和全
塑性的解进行内插得到弹塑性条件下的J,其适用范围是从小范围屈服到大范围屈服.在Ramberg-Osgood应力应变关系下,J积分的计算公式为
2n1
M;
j二fiM
2(日
-+g0CT0h11一一
Mo
2(日〉1=4croR2tcos—i——sin日
<2丿2
式中,系数f1和h1根据Irwin塑性区修正方法,裂纹的有效半长表示为
二.2
ry
aeff=a2,a=Rr,
1.M°
式中二是裂纹半角,入是在初始状态下的裂纹半角.
作为J积分评定方法,R6方法和GE.EPRI方法遇到的两个困难是:
(1)由于J积分和失效评定图都是在单调比例加载的条件下建立的,因此难以处理非比例加载和裂纹扩展的问题;
(2)由于弹塑性断裂力学参数的非线性性质,叠加原理不再适用.GE.EPRI方法计算的J积分值往往偏高,即评定结果偏于保守,其准确性受到两方面的限制,其一是Ramberg-Osgood关系式与材料真实的应力应变关系有偏差,其二是没有一种确定的方法对系数f1和h1进行外插.尽管如此,GE.EPRI方法仍不失为一种很有效的评定方法。
3.2R6方法
1976年,英国中央电力局(CEGB)发布了一种CEGB-R/H/R6方法(简称R6方法),这是一种简单明确的可靠性分析方法.它利用了屈服带模型,通过将线弹性断裂和塑性失稳破坏的条件进行内插,包含了裂纹尖端塑性变形的影响.并在塑性失稳分析中利用流变应力二f的概念引入了应变强化效应,二f通常
定义为屈服极限二y和强度极限j的平均值.后来,R6方法历经两次修改,到
1986年公布了第三版即CEGB-R/H/R6-Rev.3修改之后的R6方法更多地借鉴了弹塑性断裂力学的研究成果(如J的计算方法),能够用于应变强化性质很明显的材料如奥氏体钢、低碳钢等.它给出了用J积分表示的内插公式,不再采用流变应力的概念,也不再采用Ramberg-Osgood公式表示的强化规律,因为Ramberg-Osgood公式在用于奥氏体钢时遇到了一些困难,而是采用真实的应力
应变关系,从而提供了含裂纹构件的失效评定曲线。
R6方法得到了广泛的应用。
R6方法中采用Dowling和Townley提出的双准则方法限定含缺陷结构的承载能力,即要求线弹性的应力强度因子小于断裂强度,且外加载荷低于含缺陷结构的塑性极限载荷,即
Kr<1,Lr乞L:
ax
式中Kr表示无量纲的应力强度因子,Lr表示无量纲的载荷,Lmax表示塑性失稳载荷.这两个准则代表两类破坏机制即脆性断裂和塑性失稳破坏•考虑到这两种破坏机制之间的相互影响,将上式子改写为:
K」fLr,Lr乞Lmax
式中f(Lr)可取不同的函数形式,它决定着失效评定图的形式.失效评定图是R6方法的基础,其一般形式如下图所示:
U.o1.0
£^111ax
图3R6方法的失效评定图
失效评定曲线也可以用的J积分可以表示为
J积分表示•不失一般性,在外载作用下构件中裂纹
J=Je(refref)
式中Jef是参考应力,;ref是对应的参考应变•Je是J积分的弹性部分,由
外加应力强度因子K决定•这样,在弹塑性条件下的J积分计算就被等价于K
的计算和参考应力-ref的确定•在全塑性条件下,对于如下的幕硬化材料
;/p=「二K0n
式中二0是屈服应力,是对应的屈服应变,:
•和n分别是硬化系数和硬化指数,根据Kumar和Shih的结果,参考应力可近似取为
Jref
PlQo)
式中PL(是屈服应力为的刚塑性结构的塑性极限载荷•在定义了
参考应力以后,利用方程可以求出弹性或全塑性的J积分,而对于弹塑性情况,J积分计算可以采用如下的经验公式
12
J/Je=E--ref/ref'~ref/y/-ref/ref
于是,R6中的双准则可以重新表示为:
JIc,p乞Pl二f
式中认为塑性失稳载荷Pl由流变应力二f决定.
在R6第三版中,双准则是在J积分概念的基础上用无量纲的Kr和Lr表示的,Kr和Lr的定义为
式中屈服应力CTy可取为CT0或a0.2利用以上定义及式双准则破坏条件变为
其中二ref二L^y
上式,即构成了R6方法中失效评定曲线的基础•对于一个含裂纹的管道,如果由式得到的(Lr,Kr)落在曲线的内侧,那么在给定载荷下裂纹将不会导致构件的失稳断裂•失效评定曲线的一个重要特点是与构件的几何不相关,构件的几何只包含在式Kr和Lr的计算中,通过应力强度因子和极限载荷反映到破坏的判断分析中•另一方面,失效评定图与材料的拉伸性质、应力应变曲线密切相关。
利用失效评定曲线可以判断裂纹扩展的稳定性•对于扩展尺寸为a的裂纹,式改写为
Kr二Ka。
3/K":
a,Lr二P/Pla。
式中是材料的阻力,由J阻力曲线和关系K2“a=E'Jr:
a导出,对于平面应力情况,E'即弹性模量E,对于平面应变情况,E'=E/1-;2「为泊桑比.如图3所示,对于初始尺寸a的裂纹,随着载荷的增大评定点沿直线OA移动,在C点,OA与评定曲线相交,对应的载荷为P2,此时裂纹开始扩展•此后,继续增大载荷时,评定点沿着评定曲线移动,在D点处等载荷线与评定曲线相切,对应的载荷为P3,此时裂纹开始失稳扩展,对应的裂纹长度为a0•
以上分析方法等价于利用J积分并采用失稳判据dJ/dadJR/da的裂纹撕裂分析,它可以计算完整的(但是近似的)载荷-裂纹扩展曲线以及载荷-位移曲线,在R6第三版中称之为第三类方案.另外还有两类简化分析方案可以判断裂纹扩展的稳定性,第一类是简单地采用K0.2作为裂纹起裂的判据,它未考虑裂纹扩展中的强化效应,主要用于脆性机制断裂•第二类是在位移加载下当裂纹扩展超过J控制范围之后,将等效断裂强度Kg作为裂纹撕裂的控制参数,这种方案考虑了材料的强化效应。
3.3LBB.NRC方法
LBB.NRC方法是对Paris-Tada方法的修正,两者的差别主要表现在两方面:
首先,LBB.NRC方法考虑了Je的两种近似计算方法,其一是利用,计算Je,
这与Paris-Tada方法相同,其二是利用珀计算Je,即
_K徧2
Je厂
式中:
eff
二G-eff
订G'如
:
二G^eff4
—二片—宀
第二丄BB.NRC方法利用Ramberg-Osgood应力应变关系式引入应变强化效应,而Paris-Tada方法只考虑理想塑性.由于裂纹存在引起的塑性转角表示为
式中L是空间位置的函数,依赖于材料性质和构件的几何特征.在LBB.
NRC方法中丄写LNRC,
Lnrc
方程是在工程经验和反复试凑的基础上得到的,因此,尽管没有严格的理论依据,但能和实验结果较好地相符.总之,Paris-Tada方法和LBB.NRC方法都是利用Irwin的有效塑性区模型,并引入一些近似假设来导出弯矩和转角的关系,以此计算J积分.LBB.NRC方法是考虑了应变强化效应之后的Paris-Tada方法
的修正,它们的差别可以归纳为:
计算Je和Jp的公式有相同的形式,只是在Je
的公式中代替了^eff,在Jp的公式中%分别为
\=1B-eff1B"m,(Paris-Tada方法)
pEZ
,/、n/
丄M-GWeff)..八__亠
pM,(LBB.NRC方法)
iZbf丿EZ
4泄漏率的计算与测量
4.1贯穿裂纹的泄漏率计算模型
美国、日本、加拿大、法国等国家都对泄漏率问题进行了理论和实验研究,试图建立泄漏率和几何尺寸、裂纹形状等的关系,以及裂纹表面粗糙度、变化弯矩对裂纹的张开闭合效应等对泄漏率的影响管道中裂纹的泄漏率计算是以热工分析为基础的.流体在压力作用下从开口泄出的量主要取决于管道内部的压力、温
度以及流动过程中的水阻.如果管道内部的压力相对于环境的压力超过了一定水平,将发生临界流动,流体速度达到声速,流量达到最大。
在开口处压力的骤降会引起相变,形成水蒸汽•在不同条件下的泄漏计算可以采取不同的方法,根
据热力学条件的不同,可以选择Bernoulli方程、修正的Bernoulli方程、水蒸汽方程、修正的水蒸汽方程、摩擦气体流动理论等进行分析和计算对于核反应堆中的小破口失水问题,泄漏率的计算经常采用两相流理论,这方面的模型较多如均匀平衡模型、滑移模型、冻结流模型、不平衡模型、不平衡两流体模型等。
EPRI开发了用于LBB分析的有限元程序FLET和PICEP[,前者用于裂纹稳定性分析,后者用于计算裂纹张开面积和泄漏率•裂纹张开面积的计算采用与FLET相似的弹塑性断裂力学方法,泄漏率计算是利用两相均匀非平衡临界流理论,其计算结果与实验相符得很好•PICEP程序要求有材料的应力应变曲线,并且分析结果表明,对于环向焊缝中的裂纹,采用母材的应力应变曲线可以较好地预测裂纹的泄漏率。
4.2泄漏的监测方法
在反应堆设计中都要包括一套完整的泄漏监测系统,以保证在反应堆冷却剂压力边界发生泄漏以后能及时发现•泄漏监测系统不仅要确定泄漏的位置,而且要能够估计泄漏率•美国原子能学会规定反应堆的泄漏监测系统要能够在一小时内发现泄漏率为3.8kg/min的冷却剂泄漏事故,日本等国家也接受这一规定无论采用何种泄漏监测方法,都应该明确它能够监测怎样范围内的泄漏,以及它能够监测到的最小泄漏率。
如果反应堆冷却剂压力边界发生了泄漏,冷却剂可能发生部分蒸发,气体部分进入安全壳
空气中,并进入安全壳空气再循环系统,液体部分流入安全壳地坑中•因此,
无论是安全壳空
气再循环系统还是地坑中的泄漏监测系统都能发现冷却剂的泄漏•在正常
运行工况下,经过下泄管线流出反应堆冷却系统中的总流量应保持稳定,如果发生了泄漏,经上充泵流入的冷却剂上充流量将增加以弥补泄漏损失,因此一些正常运行系统(如容积控制系统)也能发现泄漏.在不同的泄漏率情况下,反应堆系统的运行情况会不同程度地偏离正常的运行状态,例如上充流量的变化、冷却剂存量的变化,根据这些信息可以对冷却剂泄漏引起的各种参数响应进行监测.下面是几种常用的泄漏率监测方法。
(1)安全壳地坑水位监测方法;
(2)安全壳空气粒子监测方法;
(3)安全壳空气冷凝水监测方法;
(4)安全壳放射性气体监测方法;
(5)露点和空气温度监测方法;
(6)排水量监测方法;
(7)声发射监测方法;
此外,还有其它一些方法如LASP泄漏监测系统、泄漏指示绑带、安全壳温度监测方法等.在进行反应堆设计时,往往根据具体情况同时采取几种方法监测管道的泄漏•一般要求要同时采用三种泄漏监测方法,最常用的方法是
(1)和
(2),然后再根据具体情况选取另外一种方法。
5LBB应用举例
在最近二十多年里设计和建设的核反应堆中,很多都采用了LBB的分析技术.经常采用LBB分析的结构如一回路中的一些大直径管道以及和一回路相连的一些辅助管道,尤其是稳压器波动管线、余热导出管线和蓄压器管线等•目前,在美国大约有2/3的压水堆(PWR)设计中采用了LBB设计准则但是在沸水反应堆(BWR)的设计中,LBB分析技术还没有应用,因为在沸水堆的管道中,有晶间应力腐蚀开裂的记录,尽管在采取晶间应力腐蚀开裂的防止措施后仍可以应用LBB分析技术。
尽管LBB技术在很多反应堆中得到了实际应用,参考文献中也包括不少
LBB应用的介绍,但比较
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