核安全一級承壓部件強度的理論基礎

1、2024年3月28日星期四,第三章 反應堆壓力容器設計的理論、方法,2024年3月28日星期四,第三章,第一節(jié) 壓力容器設計規(guī)范準則第二節(jié) 反應堆壓力容器的載荷與壓力容器的破壞形式第三節(jié) 壓力容器設計中常用的強度理論第四節(jié) 壓力容器設計中常用的薄膜理論第五節(jié) 內壓容器的壁厚計算第六節(jié) 殼體彎曲理論與邊緣問題第七節(jié) 熱應力概述第八節(jié) 壓力容器的應力分類與應力強度第九節(jié) 壓力容器的設計方法第十節(jié) 反應

2、堆壓力容器的設計內容和設計步驟,返回,結束放映,2024年3月28日星期四,第一節(jié) 壓力容器設計規(guī)范,壓力容器設計中所用的“設計”一詞，不僅意味著對構件幾何尺寸作詳細的計算，而是一個應與下列各點相結合的術語：即確定最可能的破壞形式的論證；所使用的應力分析方法及其結果的含義；材料類型的選擇和它所處的環(huán)境特性等。這些理論和概念都受特定的設計規(guī)范或設計準則所制約。因此，有必要了解壓力容器設計規(guī)范。一、國家標準《鋼制壓力容器》ＧＢ１５０簡介

3、二、美國ＡＳＭＥ鍋爐及壓力容器規(guī)范簡介三、法國的ＲＣＣ－Ｍ規(guī)則簡介四、壓水堆核電廠反應堆壓力容器設計準則,返回,2024年3月28日星期四,一、國家標準《鋼制壓力容器》ＧＢ１５０簡介,國家標準《鋼制壓力容器》是由全國壓力容器標準化技術委員會在國家技術監(jiān)督局指導下制訂的。其內容包括壓力容器板、殼元件的設計計算；壓力容器的制造、檢驗與驗收。共有十章，包括總論、材料、內壓圓筒和內壓球殼設計、外壓圓筒和外壓球殼設計、封頭設計、法蘭設計、臥

4、式容器設計、直立容器設計，制造、檢驗與驗收的具體要求等。這些內容可以用于設計壓力≤35ＭＰa 的常規(guī)壓力容器和核電廠內不受核輻射作用的壓力容器，但是不適用于受核輻射作用和壓力＞３５ＭＰa 的壓力容器設計，所以設計受核輻射作用的壓力容器，必須借用外國的有關設計規(guī)范，如國際公認規(guī)范━美國ＡＳＭＥ鍋爐及壓力容器規(guī)范。,返回,2024年3月28日星期四,二、美國ＡＳＭＥ鍋爐及壓力容器規(guī)范簡介,ＡＳＭＥ是美國機械工程師學會（Ａmerican

5、Society of Mechanical Engineers)英文縮寫。 ＡＳＭＥ鍋爐及壓力容器規(guī)范是國際公認規(guī)范。1995年版本共有Ⅺ卷，第Ⅲ卷為核動力裝置設備建造準則。第三卷中有兩冊，其中 ＮＣＡ分卷為第一冊及第二冊的總要求。 第一冊為金屬部件，有６個分卷： ＮＢ分卷 一級設備； ＮＣ分卷 二級設備； ＮＤ分卷 三級設備； ＮＥ分卷 ＭＣ級設備； ＮＦ分卷 設

6、備支承件； ＮＧ分卷 堆芯支承結構； 附錄。 第二冊為混凝土反應堆容器及安全殼規(guī)范。,返回,2024年3月28日星期四,三、法國的ＲＣＣ－Ｍ規(guī)則簡介,法國核島設備設計建造規(guī)則協會（ＡＦＣＥＭ）編制的《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》。1993年修改和補充的版本是其第四版，中譯本共分５卷６冊（原版為５卷７冊）： 第Ⅰ卷 第一冊 Ａ篇 總論； Ｚ篇 技術性附錄。 第二冊 Ｂ

7、篇 １級設備； Ｃ篇 ２級設備； Ｄ篇 ３級設備。 第三冊 Ｅ篇 小型設備； Ｇ篇 反應堆堆內構件； Ｈ篇 支承件； Ｊ篇 低壓或常壓貯罐。 第Ⅱ卷 第四冊 Ｍ篇 材料（上）：碳鋼、合金鋼。 第五冊 Ｍ篇 材料（下）：不銹鋼、特殊合金及其它材料。 第Ⅲ～第Ⅴ卷 第六冊 ＭＣ篇 檢驗方法； Ｓ篇 焊接；

8、Ｆ篇 制造,下一頁,2024年3月28日星期四,三、法國的ＲＣＣ－Ｍ規(guī)則簡介（2）,ＲＣＣ－Ｍ規(guī)則主要用于安全級機械設備。ＲＣＣ－Ｍ中所給出的設計規(guī)則主要借鑒了“ＡＳＭＥ鍋爐及壓力容器規(guī)范”第Ⅲ卷核動力裝置設備（ＮＢ、ＮＣ、ＮＤ、ＮＧ、ＮＦ）各篇的有關內容，同時吸收了法國在工業(yè)發(fā)展實踐中所取得的成果。ＲＣＣ－Ｍ中所給出的制造與檢驗規(guī)則系法國本身核工業(yè)實踐經驗的具體體現。ＲＣＣ－Ｍ規(guī)則用于法國出口技術的承諾。,返回,2024年3月28日

9、星期四,四、壓水堆核電廠反應堆壓力容器設計準則,一、總的準則二、載荷準則三、結構材料準則四、結構設計準則,返回,2024年3月28日星期四,一、總的準則,１．規(guī)范與標準 （１）反應堆壓力容器是反應堆冷卻劑壓力邊界的重要組成部分，其設計、制造、安裝及試驗應符合ＨＡＦ0201規(guī)定的安全功能。按ＥＪ 313規(guī)定，其安全等級為一級、質量要求為核級、設備等級為規(guī)范一級、抗震要求為抗震Ⅰ類。 （２）應首先采用國家核安全局認可的

10、規(guī)范、標準和計算機程序進行設計。 ２．質量與記錄 （１）必須按ＨＡＦ0400及相關要求ＨＡＦ0406編制和執(zhí)行反應堆壓力容器的質量保證大綱和建立質保體系，以確保反應堆壓力容器達到預期的最高質量。 （２）反應堆壓力容器的設計、制造、安裝及試驗的相關記錄和（或）文件匯編必須滿足ＨＡＦ0402要求，并由核設施營運單位在其整個壽期內保存和管理。,下一頁,2024年3月28日星期四,一、總的準則（2）,３．設計與性能（１）反應

11、堆壓力容器的設計必須防止其發(fā)生破裂，并具有足夠的安全裕度，以保證在規(guī)定的各類運行、維護、試驗及受到事故工況下的系統(tǒng)動態(tài)載荷時，反應堆壓力容器處于非脆性狀態(tài)且快速擴展斷裂的概率最小。（２）反應堆壓力容器設計必須考慮在規(guī)定的各類運行、維護、試驗及假想事故狀態(tài)下實際溫度及有關因素對其影響和作用。在確定材料性能、輻照對材料性能的影響、殘余、穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)應力、缺限大小以及腐蝕等方面時，必須考慮不確定性，留有裕度。,下一頁,2024年3月28日星期

12、四,一、總的準則（3）,４．檢查與監(jiān)測（１）反應堆壓力容器應設計成能允許定期檢查和試驗，以評價其結構和密封完整性。（２）應為反應堆壓力容器制定一份材料輻照監(jiān)督大綱及設置相應的材料輻照監(jiān)督裝置（如材料輻照監(jiān)督盒），以監(jiān)測其材料參考溫度（ＲＴNDT）等的變化。（３）應為反應堆壓力容器設置反應堆冷卻劑泄漏、水位等監(jiān)測儀表或裝置提供合適的構件和接頭，特別應為法蘭密封設置泄漏監(jiān)測、報警和排放系統(tǒng)。５．設計資格 反應堆壓力容器設計資

13、格認證應按ＨＡＦ0900執(zhí)行。,返回,2024年3月28日星期四,二、載荷準則,１．載荷 （１）反應堆壓力容器的設計、分析和計算，必須考慮正常運行、預計運行事件，以及事故工況下的機械載荷、熱載荷、腐蝕、浸蝕及輻照等作用，并予以確定和進行評價。 （２）機械載荷和熱載荷至少應包括下列因素： １）由反應堆冷卻劑產生的載荷因素，如壓力、壓差、溫度及其變化、流動、振動等。 ２）由反應堆壓力容器自身及內容物產生的載荷

14、，如反應堆壓力容器、堆內構件、燃料組件等自重、預緊力等。 ３）由鄰近設備或部件產生的載荷因素，如由于熱澎脹壁厚受到約束或泵振動產生的管道作用、控制棒驅動機構快插動作，以及堆內構件等的作用。 ４）由周圍環(huán)境及設備支承結構產生的載荷因素，如地震引起的反應堆壓力容器相對的支承點位移及振動。,下一頁,2024年3月28日星期四,二、載荷準則（2）,５）由γ等輻射產生的熱效應，如反應堆容器壁因吸收 輻射而產生的內熱源。６）在反

15、應堆容器堆芯附近區(qū)域，因快中子（≥１Ｍe Ｖ）輻照而產生的材料輻照脆化，應予以特殊考慮。（３）由機械載荷和熱載荷產生的應力和應變，均應按本標準規(guī)定在結構性能分析時予以確定并加以評價。２．載荷組合 載荷組合是指核電廠一回路正常、異常、緊急及事故工況中不同載荷組合或者與規(guī)定地震事件聯系在一起的那些載荷或者它們的組合。這些載荷因素來自正常、異常、緊急及事故工況各種事件瞬態(tài)及規(guī)定的地震大小。對每一種工況應予評定的特定瞬態(tài)或事件應在設計任

16、務書中規(guī)定。然而，通常應予考慮的載荷組合只是核電廠一回路每種工況和規(guī)定地震事件中最不利的那些事件瞬態(tài)，因為只有這些載荷組合才能導致限制或控制反應堆壓力容器的完整性。,返回,2024年3月28日星期四,三、結構材料準則,１．用于反應堆壓力容器的材料通常應為錳－鎳－鉬系列的細晶粒低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基合金及其制品，并參照ＧＢ／Ｔ15443 執(zhí)行。２．應按材料預定的用途、運行狀態(tài)承受的應力、應變、溫度、化學腐蝕及中子輻照損傷等使用條件

17、，以及制造工藝要求選擇結構材料。３．對選用的結構材料應根據使用條件及工藝要求對材料運行評價。這種評價應由主管部門組織進行，并以文件形式提供評價或認可的充分依據。若進行焊接，則必須對焊接性能進行評價和驗證，并以文件形式對評價或認可提供充分依據。４．采用在原評價中沒有考慮的新工藝時，則對這些新工藝與原評價中包含的工藝的等效性必須予以證實，這種證實應由原主管部門或部門授權或認可的組織或專家提供的補充評價文件為依據。,下一頁,2024年3月

18、28日星期四,三、結構材料準則（2）,５．焊接材料和焊接消耗品必須由主管部門組織評價，并以文件形式提供評價或認可的充分依據。６．用于反應堆容器堆芯段筒體的鐵素體低合金鋼材料的參考無塑性轉變溫度（ＲＴNDT）一般應低于-１２℃，ＲＴNDT 按ＧＢ／Ｔ15443 附錄Ａ確定。７．對鐵素體低合金鋼材料的快中子輻照脆化敏感性，當沒有足夠的快中子輻照脆化效應的輻照數據時，應按附錄A（補充件）進行預測和限制。,返回,2024年3月28日星期四,

19、四、結構設計準則,１．總則 反應堆壓力容器除應滿足功能要求外，其結構應滿足規(guī)定的應力及變形，選材、制造和試驗合理，檢驗、維護方便。２．連接結構要素 （１）各構件的連接應盡可能設計成在縱向截面上有相同厚度和曲率的同軸旋轉殼體連接。 （２）對構件的不等厚連接應使兩構件的旋轉軸線重合，或中面無突變或彎折過渡。 （３）不等厚構件的連接應采用適當的斜度或圓角半徑過渡，以使兩構件變形協調。,下一頁,2024年3月28日星期四,四、結構設

20、計準則（2）,３．連接焊接（１）盡可能大型構件以減少焊縫。（２）壓力邊界承壓焊縫應為全焊透焊縫。（３）焊縫應盡量避開高應力區(qū)和快中子強輻照區(qū)，并有足夠的距離。（４）在確定焊縫位置與各構件空間位置相互關系時，應保證施焊方便和檢驗的可達性及可檢驗性。４．冷卻劑接管連接結構（１）接管的結構形式應符合采用的法規(guī)或設計規(guī)格書規(guī)定，它的幾何尺寸（橫截面形狀、過渡半徑）應使應力的分布與大小合理。（２）接管軸線應垂直或盡可能垂直殼體壁厚中

21、面，偏差應盡可能小。（３）接管的布置不應位于有其它局部峰值應力的過渡區(qū)內。（４）接管與殼體的連接應采用全焊透焊縫連接，并滿足無損檢驗規(guī)定要求。,下一頁,2024年3月28日星期四,四、結構設計準則（3）,５．控制棒驅動機構管座等連接結構（１）可采用冷裝過盈配合或螺紋連接，并應滿足規(guī)定的載荷和驅動線對中要求。（２）在采用冷裝過盈配合或螺紋連接時應附加一道密封焊縫。（３）其布置、數量及尺寸應滿足堆物理、熱工、結構與工藝性要求。６

22、．法蘭－螺栓連接結構（１）法蘭結構設計尤其應使上下法蘭的剛度匹配，盡可能減少密封元件處的軸向分離量及徑向相對位移，以保證密封性要求。（２）在確定螺栓布置、數量和大小時應使密封力分布均勻、裝拆及重復檢驗方便。（３）在設計螺栓大小時，應將其作為承壓法蘭的傳力連接件，將螺栓設計成彈性螺栓。,下一頁,2024年3月28日星期四,四、結構設計準則（4）,（４）密封元件的設計應考慮到密封元件材料與法蘭密封面及一回路冷卻劑的化學相容性、密封性能

23、的穩(wěn)定性及密封元件的裝拆方便。（５）密封面應根據密封性、裝拆及檢驗要求進行設計。（６）法蘭－螺栓連接設計應考慮一旦發(fā)生泄漏時的探測和排漏要求。７．支承結構（１）可以采用接管、容器法蘭及焊接到容器上的單支承結構（如耳式支座、接管整體支承），亦可以采用旋轉對稱支承結構（如支承圓筒）作為反應堆壓力容器支承結構。（２）支承結構與容器的焊接應采用全焊透焊縫。,下一頁,2024年3月28日星期四,四、結構設計準則（5）,８．導向定位結構

24、 （１）安裝反應堆壓力容器的頂蓋時應有導向及就位后的精確定位結構，其構件裝拆時應不損傷其它構件，便于裝配及調整，以滿足規(guī)定的頂蓋與反應堆容器的同軸度要求。 （２）反應堆壓力容器堆內構件的支承和定位結構，允許堆內構件相對軸向和徑向位移，便于裝配和調整，以滿足規(guī)定的堆內構件與反應堆容器的同軸度要求。,返回,2024年3月28日星期四,第二節(jié) 反應堆壓力容器的載荷與其破壞形式,在設計反應堆壓力容器之前，除了學習其設計規(guī)范和設計

25、準則之外，還必須了解其所承受的各種載荷和其破壞形式。一、反應堆壓力容器的載荷二、壓力容器破壞形式,返回,2024年3月28日星期四,一、反應堆壓力容器的載荷,１．設計載荷《ＡＳＭＥ規(guī)范》第Ⅲ卷規(guī)定，反應堆壓力容器屬于安全一級設備，它的設計載荷應該按照設計壓力、設計溫度、設計機械載荷以及規(guī)范中的某些附加要求來確定。（１）設計壓力（２）設計溫度（３）設計機械載荷２．使用載荷３．試驗載荷,返回,2024年3月28日星期四,（１

26、）設計壓力,設計壓力系指在相應的設計溫度下用以確定壓力容器不同部位（如筒體、封頭等）的最小壁厚的壓力。規(guī)范指出，容器內部和外部的設計壓力應不小于產品內部和外部的最大壓差，或者不小于一個組合設備的任何兩個腔室的最大壓差。這種壓差是存在于A級使用限制（對所有A級使用載荷都適用的一組極限值）所適用的最嚴重的載荷之下。設計壓力還應包括允許的壓力波動在內的核反應堆最高正常運行壓力。一般情況下，設計壓力取略高于容器的最高工作壓力。所謂最高工作壓力是

27、指容器在工作中可能產生的最高表壓力?？紤]到安全裝置泄壓滯后和誤差，設計壓力ps（ＭＰa ）為最高工作壓力的1.1～1.25倍。對于裝有液體的容器，計算各部分壁厚時，應將上述設計壓力再加上容器在該截面處所受到的液柱靜壓力。,返回,2024年3月28日星期四,（２）設計溫度,設計溫度系指反應堆壓力容器操作與運行過程中，在相應的設計壓力下，器壁金屬可能達到的最高溫度或最低溫度（只在≤－２０℃才考慮最低溫度）。當容器各部位在運行過程中，可能產

28、生不同的溫度時，可取預計的不同溫度作為各相應部分的設計溫度。設計溫度不同，材料的許用應力不同，設計壁厚也不同。,返回,2024年3月28日星期四,（３）設計機械載荷,設計機械載荷是A級使用極限規(guī)定的綜合作用的組合載荷。它包括內壓、螺栓力、彈簧力、接管載荷、設備及其內容物的靜重以及控制棒正常升降時等因素引起的載荷?？傊?，設計載荷是反應堆壓力容器設計中的最主要載荷，其中又以設計壓力為最重要。,返回,2024年3月28日星期四,２．使用載荷

29、,使用載荷即運行載荷。運行載荷主要是指反應堆內冷卻劑的壓力及其變化，冷卻劑的溫度及其變化所產生的載荷；冷卻劑流動引起的振動、泵閥傳遞的機械振動，堆芯斷裂跌落時對反應堆容器底封頭施加的沖擊載荷；由于熱膨脹、熱的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)所引起的載荷等。,返回,2024年3月28日星期四,３．試驗載荷,反應堆壓力容器加工制造完成后必須作水壓試驗和其它考核檢驗。其試驗壓力比運行壓力要大50％。此外還要考慮地震的影響。,返回,2024年3月28日星期四,二、壓

30、力容器破壞形式,壓力容器及其零部件在使用過程中破壞的形式主要有以下幾種：韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞、蠕變和腐蝕等。這些破壞的原因與制造材料有著密切關系。１．韌性斷裂２．脆性斷裂３．疲勞及疲勞斷裂４．蠕變５．腐蝕,返回,2024年3月28日星期四,１．韌性斷裂,對于韌性材料制造的壓力容器，在內壓作用下器壁應力超過材料屈服點時，器壁材料就會發(fā)生塑性變形。隨著壓力不斷增加會產生明顯的宏觀變形，當器壁中的應力超過材料的抗拉強度之后，容器

31、發(fā)生斷裂破壞，這種破壞形式稱為韌性斷裂。防止發(fā)生韌性斷裂，主要是要保證材料中的一次薄膜應力強度Ｐm 和它與一次彎曲應力之和（Ｐm＋Ｐb）不超過規(guī)定的數值。正確設計和合理使用的壓力容器一般是不會發(fā)生韌性斷裂的。,返回,2024年3月28日星期四,２．脆性斷裂,在壓力作用下，壓力容器器壁材料沒有發(fā)生明顯的宏觀塑性變形，且應力遠遠沒有達到材料的抗拉強度，甚至有時還低于屈服點而發(fā)生突然斷裂，這種破壞形式稱為脆性斷裂。容器的脆性斷裂往往是由于材料

32、內部存在缺陷，材料韌性差或是低溫韌性下降而造成的。通常制造壓力容器的鋼材在使用溫度下其塑性是很好的。但是當溫度降低到一定程度時（常溫或更低的溫度）則顯示出脆性，即在發(fā)生斷裂之前沒有明顯的變形。這種使材料由塑性轉變成脆性的溫度稱為“脆性轉變溫度”。應該特別指出，反應堆壓力容器是在強烈的中子輻照下工作的。這種輻照會使脆性轉變溫度升高。輻照中子注量越大，轉變溫度升高得越多，從而使在較高的溫度下也可能發(fā)生脆性斷裂。,返回,2024年3月28日星

33、期四,３．疲勞及疲勞斷裂,疲勞是壓力容器長期受到交變載荷作用而出現的一種破壞形式。壓力容器的疲勞多數由低周高應力載荷所引起的，即局部應力接近或高于材料的屈服點，但載荷的交變次數卻比較低（常在105 以下）。產生交變應力的原因主要有以下幾種：（１）運行壓力的變化，波動或頻繁的間歇式操作；（２）周期性的溫度梯度； （３）在容器及其部件的變形受到限制時，由于溫度變化而引起交變的熱應力；（４）強迫振動；（５）外載荷的變化。 容

34、器發(fā)生低周疲勞斷裂時，不管材料是處于韌性狀態(tài)還是脆性狀態(tài)，一般都不產生明顯的塑性變形。疲勞斷裂比脆性斷裂要慢得多。,下一頁,2024年3月28日星期四,3．疲勞及疲勞斷裂(2),重復載荷導致的交變應力會使已存在的小裂紋出現輕微的開裂現象，使得裂紋逐漸地擴展而穿過整個構件，直到造成斷裂。這種斷裂稱為疲勞斷裂。在重復的載荷作用下，即使材料中不存在裂紋也會產生進行性斷裂。材料的表面凹坑、刻痕、夾渣等不規(guī)則性缺陷都可能成為裂紋的起點。進行性斷裂

35、會在屈服小或不發(fā)生屈服的情況下造成大而突然的斷裂，是特別危險的斷裂方式。當材料的塑性降低時，進行性斷裂的可能性明顯地增加。中子輻照會引起金屬脆化。所以研究疲勞特性對反應堆壓力容器設計有重要意義。,下一頁,在工程設計中，通常采用疲勞曲線進行設計。典型的高循環(huán)疲勞曲線如下圖所示，,2024年3月28日星期四,3．疲勞斷裂(3),它可由實驗得出。由曲線可以看出，導致斷裂的交變應力幅度σa 最初隨應力交變次數N急劇下降，而后漸趨水平線，相應于這

36、一漸近線的應力稱為材料的持久強度極限，記作σD 。如果施加的應力低于這個數值，則無論交變應力循環(huán)多少次，材料也不會發(fā)生疲勞斷裂。在高循環(huán)區(qū)域中，σD是金屬疲勞性能的特征，故可用來作為設計的依據。對于低強度和中強度鋼來說，持久極限一般為拉伸極限強度的40％～50％，對于高強度鋼和有色金屬，百分比要低一些。 從上圖曲線左部可以看到，循環(huán)次數小于105 的疲勞強度都比持久極限要高，因而在低循環(huán)區(qū)也用持久極限作為設計基礎是不合理的。這時最好借

37、助于低循環(huán)疲勞極限。在低循環(huán)疲勞時，應力值往往高于材料的屈服強度，因而引起破壞時應變值比屈服應變值要大，這是與高循環(huán)疲勞的不同點。,下一頁,2024年3月28日星期四,3．疲勞斷裂(4),左圖為低碳鋼和低合金鋼的低循環(huán)疲勞曲線。該圖的縱坐標Ｓa “是虛擬交變應力幅度”，它是假定材料的總應變范圍εt 全部為彈性應變時的交變應力幅度。由于實際上存在塑性應變，所以此應力幅度是虛擬的。若材料的彈性模量為Ｅ，則虛擬交變應力幅度定義為Ｓa =0.5

38、Ｅεt ，即交變應力起伏的總幅度為2 Ｓa 。利用疲勞曲線，便可以求得規(guī)定循環(huán)次數時的許用交變應力幅度。圖４－３是示意性的，在進行設計時，應結合具體使用的材料型號查出相應的疲勞曲線。,返回,2024年3月28日星期四,４．蠕變,蠕變是材料長期在恒溫、恒載荷作用下（即使應力低于屈服點）產生的緩慢而連續(xù)的塑性變形。通常只有在溫度高于0.3 Ｔm （以絕對溫標表示的材料熔點）時蠕變才比較明顯，所以壓力容器的蠕變斷裂不常見。但是個別零部件的蠕變

39、斷裂是時有發(fā)生的。 在高溫下加上載荷，許多材料都會發(fā)生緩慢的連續(xù)變形，如圖４－１所示。材料的這種性質稱為蠕變。在恒定應力和溫度下，蠕變速率在長期內大致保持不變，而達到某一變形量時變形速率增加，隨后會發(fā)生破裂。,下一頁,2024年3月28日星期四,４．蠕變（2）,為了確保安全，要求材料的持續(xù)應力不得超過蠕變極限。所謂蠕變極限，是指在運行溫度下，在給定時間內產生的蠕變應變量不超過某個特定值時（例如經100000h 的蠕變應變?yōu)? ％）所

40、承受的應力。通常在鋼材的使用溫度達到25％～35％的熔點溫度以上時，蠕變的效果會顯示出來，對工作在這一溫度范圍的部件，在設計時應該考慮蠕變極限的限制。鋯合金的蠕變極限很低，在燃料元件設計中，蠕變極限是主要的考慮因素之一。,返回,2024年3月28日星期四,,金屬在拉伸作用下的蠕變,返回,,2024年3月28日星期四,５．腐蝕,常見的腐蝕破壞類型有晶間腐蝕、應力腐蝕開裂、氫腐蝕和腐蝕疲勞等。其中最常見而又最危險的是應力腐蝕開裂，它是容器器

41、壁材料在特定的腐蝕介質與應力共同作用下引起的。材料發(fā)生應力腐蝕時，腐蝕與應力相互促進，開始表面形成微裂紋，繼而裂紋向材料內部縱深擴展。引起應力腐蝕的應力來源可以是外加的（容器操作運行時的工作應力、熱應力等），也可以是容器制造的殘余應力（焊接、冷加工及安裝時的固定殘余應力等）。例如蒸汽發(fā)生器二次側的水中存在許多雜質，而傳熱管與管板連接的根部，雜質濃度最高，且應力很大，此處容易于產生應力腐蝕。,返回,2024年3月28日星期四,第三節(jié) 壓

42、力容器設計中常用的強度理論,當已知材料的拉申（或壓縮性能時，預測結構在復合應力狀態(tài)下如何發(fā)生破壞的理論，稱為強度理論。換句話說，強度理論就是描述材料破壞規(guī)律的學說。又因為此處所說的破壞并非指容器破裂，而是泛指容器失去正常工作能力，即“失效”，故又稱為“失效準則”或“失效判據”。常用的理論有：最大主應力理論、最大剪應力理論和最大畸變能理論。壓力容器中各點的受力，大都是二向應力或三向應力狀態(tài)。如圖所示。,返回,2024年3月28日星期四

43、,壓力容器中各點的受力,返回,最大主應力理論,這一理論認為，當最大(或最小) 主應力超過拉伸(或壓縮)屈服極限時，材料將由于屈服而失效。應用最大主應力理論于實際構件的強度計算，得相應的強度條件為：或 式中： —材料屈服極限； [σ] —單向拉伸(壓縮)許用應力，MPa； n — 安全系數。,返回,2024年3月28日星期四,這一理論認為，當材料中最大剪應

44、力超過簡單拉伸試驗屈服時的最大剪應力 時，材料將開始發(fā)生屈服。按照這一理論，材料的屈服條件為：而二向應力下，有 三向應力下，有：所以相應的強度條件為：,最大剪應力理論,返回,2024年3月28日星期四,最大畸變能理論,本理論認為，物體的任意位置處于組合應力狀態(tài)下的單位體積，當其畸變能等于單向拉伸屈服極限時的畸變能時，材料將由于屈服而失效。用主應力來表示，有：相應的強度條件為： 平面

45、應力狀態(tài)下，σ3=0，相應的強度條件為：,返回,2024年3月28日星期四,第四節(jié) 壓力容器設計中常用的薄膜理論,壓力容器是由圓筒形、球形、橢圓形、圓錐形和碟形等回轉殼體組成的容器。根據容器的外徑Dou與內徑Di的比值k的大小，可把壓力容器分為薄壁容器和厚壁容器兩種。K＜1.2的容器稱為薄壁容器。工程上所用薄壁容器，其主體大多是圓柱形筒體，即通稱的“薄壁圓筒”，其內壓應力如圖所示。一、薄壁圓筒的受力分析二、回轉殼體的應力分析

46、三、薄膜理論的應用,返回,2024年3月28日星期四,薄壁圓筒在內壓作用下的應力,返回,2024年3月28日星期四,一、薄壁圓筒的受力分析,薄壁圓筒在內壓力p的作用下，其上任意一點將產生兩個方向的應力：一是由于圓筒兩端拉力所產生的軸向拉應力，稱為“軸向應力”或“經向應力”用σx表示。二是由于圓筒均勻向外膨脹，在圓周切線方向所產生的拉應力，稱為“切向應力”或“環(huán)向應力”，用σθ表示。除了這兩者之外，器壁還存在著徑向應力，但相對較小，

47、可不予考慮。,返回,2024年3月28日星期四,其中Px為作用在封頭上的總壓力，Nx為作用在截面上的內力，即軸向力。不管封頭形狀如何，均有：而所以,薄膜理論實質上是靜力平衡理論。為了求得軸向應力，常用截面法。即用一垂直于軸線的假想截面，將圓筒分成兩部分，得如圖所示的平衡體。由平衡條件得：,軸向應力計算,返回,或,2024年3月28日星期四,如圖3-3，根據y方向的平衡條件，有：其中Py為內壓p在y軸上投影之和，其值為

48、 承受環(huán)向應力σθ的長度為L的圓筒縱截面積為2tL，所以縱截面上的內力則環(huán)向應力,環(huán)向應力計算,返回,2024年3月28日星期四,薄壁圓筒軸向應力計算圖,返回,2024年3月28日星期四,薄壁圓筒環(huán)向應力計算圖,返回,2024年3月28日星期四,二、回轉殼體的應力分析,1．回轉體的幾何概念2．回轉殼體應力的初步分析3．經向應力分析4．環(huán)向應力分析,返回,2024年3月28日星期四,1、回轉體的幾何概念,所謂回轉殼

49、體，系指殼體的中面是由一根平面曲線繞一根固定軸在空間旋轉３６０°而成的。,返回,2024年3月28日星期四,2、回轉殼體應力的初步分析,圖3－4是由曲線AB繞AO軸旋轉而成的。AB為母線。若過軸作一截面與殼體曲面相交得到一交線，稱為“經線“，它與母線相似。如果作一圓錐面與殼體曲面相正交，得到的交線叫“緯線“。,下一頁,2024年3月28日星期四,回轉殼體承受內壓以后，其經線和緯線方向都要發(fā)生伸長變形，因而在經線方向產生經向應力

50、，用 σx表示；在緯線方向產生環(huán)向應力，仍用σθ表示。由于軸對稱關系，在同一緯線上各點的經向應力均相等，環(huán)向應力亦如此。但是在不同的緯線上二者均不等。,返回,2024年3月28日星期四,3、經向應力分析,為了求得任意緯線上的經向應力，用一個與殼體表面正交的圓錐面作假想截面，其立體圖如圖3－5所示。該圓錐面的母線OC叫回轉殼體曲面在該緯線上的第二主曲率半徑，用ρ2表示,如圖3－5和3－6所示。 圓錐面將殼體分成兩部分，考慮其中任一部分

51、的平衡，用圖3－5（c）作力學模型，得Y方向的平衡方程:,下一頁,2024年3月28日星期四,3．經向應力分析,下一頁,2024年3月28日星期四,3．經向應力分析,下一頁,2024年3月28日星期四,3．經向應力分析,返回,2024年3月28日星期四,確定第二主曲率半徑的方法,返回,2024年3月28日星期四,4、環(huán)向應力分析,確定了經向應力后，可從殼體中截取一小單元體來研究，如圖４－１３所示，用截得的小單元體作力學模型，如圖４－１４

52、所示，即可求得環(huán)向應力。,下一頁,2024年3月28日星期四,下一頁,法線n方向上的平衡條件為:,上一頁,2024年3月28日星期四,,平衡方程中的各力如下：,下一頁,上一頁,2024年3月28日星期四,若母線之曲線方程為 y=y(x), 則,平衡方程變?yōu)椋?返回,2024年3月28日星期四,三、薄膜理論的應用,1、圓柱殼 2、球殼 3、橢球殼(橢球封頭) 4、錐形殼(錐形封頭),返回,2024年3月28日星期四,１、圓柱殼

53、（１）求軸向應力用ρ2等于D／2代入式（3－7）得,（２）求環(huán)向應力根據式(3-8) 可求出環(huán)向應力,返回,2024年3月28日星期四,２、球殼 從圖（４－１５）看出，球殼曲面任一點的第一與第二主曲率半徑均等于球殼的半徑 Ｄ／２由式（3－7）和（3－8）得,返回,2024年3月28日星期四,返回,2024年3月28日星期四,３、橢球殼 由橢圓曲線方程,可解得第一主曲率半徑,下一頁,2

54、024年3月28日星期四,第二主曲率半徑可從圖（４－１６）中的幾何尺寸求得,應力計算：將分別代入式（3－7）、（3－8）得,上一頁,下一頁,2024年3月28日星期四,返回,2024年3月28日星期四,返回,2024年3月28日星期四,4、錐形殼(錐形封頭),α α H

55、 h D 錐形殼示意圖（內壓為P，壁厚為t）,,,,,,,,,,,,,,,,下一頁,2024年3月28日星期四,4、錐形殼(錐形封頭),α α

56、 H r ρ2 h D錐形殼應力分析示意圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,下一頁,2024年3月28日星期四,4

57、、錐形殼(錐形封頭),可解得錐底各點(r=D/2)的應力,返回,2024年3月28日星期四,第五節(jié) 內壓容器的壁厚計算,一、薄壁圓筒的壁厚計算二、球殼或球封頭的壁厚計算三、橢球封頭的壁厚計算四、平封頭的板厚計算五、厚壁容器的應力分析與壁厚計算,返回,2024年3月28日星期四,一、薄壁圓筒的壁厚計算,根據薄膜理論，薄壁圓筒在受均勻內壓時，筒壁所產生的應力屬于兩向應力狀態(tài)，應力的數值分別為,代入最大主應力理論的強度條件得：,式

58、中：,－設計溫度下圓筒材料的許用應力MPa,下一頁,2024年3月28日星期四,如果給定內徑，用 D=Di+t 代入上式得：,D — 圓筒的平均直徑；,工程實際中，考慮焊縫處可能存在氣孔、夾渣等缺陷以及焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大等造成的強度削弱，引進焊縫系數，通常；考慮到工藝介質的腐蝕等影響，壁厚還要增加一個附加量C，最后的圓筒實際壁厚計算公式(最大主應力理論)為:,—圓筒的理論壁厚,下一頁,2024年3月28日星期四,給定內徑，且?。河米?/p>

59、大剪應力理論即第三強度理論計算得：,給定內徑，且取：用第四強度理論計算得：,在工程設計中，以Di作為容器的公稱直徑，以Dou作為管道的公稱直徑。,返回,2024年3月28日星期四,二、球殼或球封頭的壁厚計算,由于承受內壓的球殼，其經向應力和環(huán)向應力相等，即:故用第一或第三強度理論計算理論壁厚是一樣的:,返回,2024年3月28日星期四,三、橢球封頭的壁厚計算(1),前面已經分析，對于 a/b=2的標準橢球計封頭，其頂點應力最

60、大，且該點的經向應力和環(huán)向應力相等，令a=D/2,有:該點的主應力為:代入第三強度理論，解得理論壁厚為：,下一頁,2024年3月28日星期四,三、橢球封頭的壁厚計算(2),對于 a/b 不等于２的橢球封頭，其壁厚計算公式為：式中k為形狀系數，hi為橢球短軸的內半徑。我國推薦a/b=2為標準橢球形封頭的比值。,返回,2024年3月28日星期四,四、平封頭的板厚計算,平封頭是各種封頭中結構最簡單的一種。當容器

61、直徑和所受壓力不大時,用平封頭很經濟,且簡便易造。但當容器直徑和所受壓力較高時,平封頭中產生的應力很大,若仍采用平封頭,就顯得很笨重。 壓力容器用平封頭者,多是可拆的螺栓連接。圓形平板板厚設計公式為:,返回,2024年3月28日星期四,五、厚壁容器的應力分析與壁厚計算,１、厚壁容器的應力分析若 , 則是厚壁容器。 厚壁容器承受內壓或外壓后，由于各層材料變

62、形的相互約束和限制，在徑向也產生了應力σr，稱為徑向應力。該應力沿壁厚方向非均勻分布。當厚壁容器承受內壓或外壓時,將產生三個應力分量,其分布如圖（3－15）所示。,下一頁,2024年3月28日星期四,返回,2024年3月28日星期四,２、厚壁圓筒的應力計算 厚壁圓筒的應力計算公式見表４－４,返回,2024年3月28日星期四,第六節(jié) 殼體彎曲理論與邊緣問題,一、概述二、內力分量及其應力三、內力分量的計算四、典型回

63、轉殼體邊緣內力分量、擾度及轉角計算五、不連續(xù)部分的應力計算,返回,2024年3月28日星期四,第七節(jié) 熱應力概述,一、熱應力產生的原因及其性質二、常用殼體的溫差應力三、反應堆壓力容器內熱源引起的熱應力,返回,2024年3月28日星期四,一、熱應力產生的原因及其性質,材料因溫度變化使其自然膨脹或收縮受到約束時，將引起應力，這種應力稱為熱應力。熱應力取決于溫度的分布，材料線膨脹系數，陡峭的溫度梯度引起高的應力。熱應力也就是溫差應力

64、。 熱應力是“自身限制”的，屬于二次應力。,返回,2024年3月28日星期四,第八節(jié) 壓力容器的應力分類與應力強度,一、壓力容器的應力分類二、關于應力強度的概念三、使用限制及應力限值,返回,2024年3月28日星期四,一、壓力容器的應力分類,ＡＳＭＥ規(guī)范運用了分析設計法設計壓力容器。這種方法要求對壓力容器在受載工況下所產生的各種應力進行詳細的分析。在分析的基礎上對其進行科學分類。區(qū)分應力類別的分水嶺是所考慮的應力是否具有自限性

65、，即引起這種應力的原因是否屬于為平衡外載所必須。目前，把壓力容器所受的應力分為:一次應力、二次應力和峰值應力 二次應力和峰值應力的區(qū)別熱應力、膨脹應力、總應力。,返回,2024年3月28日星期四,一次應力,一次應力P（MPa）是施加到壓力容器上的載荷產生的任何法向應力或剪切應力。它是為了滿足部件內、外力和力矩的平衡規(guī)律所必須的應力。其基本特征是非自限性的。當一次應力大大超過屈服強度時，會引起壓力容器的總體變形甚至破壞。一次應力包

66、括總體薄膜應力Pm、一次彎曲應力Pb及局部薄膜應力PL。,返回,2024年3月28日星期四,二次應力,二次應力Q（MPa）是由于壓力容器各部位的相鄰材料的約束或者由于結構本身的約束而引起的法向應力或剪應力。它不是為了滿足與外力的平衡，而是為了滿足整體變形協調條件。其基本特征是自限性與局部性。由二次應力引起的屈服是局部地區(qū)的屈服，會產生應力重新分布的效應，而在大部分區(qū)域仍處于彈性狀態(tài)，所以容器仍能繼續(xù)工作。二次應力包括總體熱應力和總體結構

67、不連續(xù)處的彎曲應力。,返回,2024年3月28日星期四,峰值應力,扣除了薄膜應力和彎曲應力后，沿容器壁厚方向呈非線性分布的那部分應力叫峰值應力，以F表示（MPa）。其基本特征是應力分布區(qū)域很小，不會引起整個結構的任何明顯的變形，而只是導致容器產生疲勞破裂和脆性斷裂的可能來源之一。因此，在一般設計中不予考慮，只是在疲勞設計時才加以限制。,返回,2024年3月28日星期四,二次應力和峰值應力區(qū)別,兩者都是自平衡力系引起的，這是它們的共性。

68、自平衡力系是為了滿足結構變形協調要求，而結構的變形協調有兩方面的要求：第一，滿足結構整體變形協調要求，即總體結構連續(xù)要求(滿足此要求稱為二次應力)；第二，滿足結構局部變形協調要求，即局部結構連續(xù)要求(滿足此要求稱為峰值應力) 。此即兩者的差異。,返回,2024年3月28日星期四,熱應力、膨脹應力、總應力,熱應力對應于溫度載荷，是由于傳熱和輻照產生的溫度不均勻分布或材料膨脹系數不同，結構膨脹受到約束而引起的自平衡應力。熱應力分總體熱應力和