含二维裂纹反应堆压力容器断裂机理及结构安全评定方法

Reactor pressure vessel (RPV) is one of the most important pressure-boundary equipment enclosing the core in nuclear power plant; its structural integrity must be ensured under varying operating conditions. Due to the complexity of the problem, up to now, there is no mature methodology that can be used reliably to predict the fracture failure of RPV components containing two-dimensional cracks under both normal operating conditions and severe conditions caused by accidents. It is proposed in the present research to investigate the fracture failure mechanisms of RPV ferritic steels under general 3D stress states. The main objective is to investigate the fracture behaviors of 2D cracks (such as surface cracks, corner cracks and embedded cracks) that commonly exist in RPVs. In particular, we aim to to study the effects of out-of-plane geometry/loading conditions on fracture failures. The proposed work includes the following four aspects: Carry out macro-scale fracture mechanics analysis in order to obtain the three-parameter characterization of 2D crack front stress fields, to quantify the constraint effect under various out-of-plane geometry and loading conditions; Apply micro-scale mechanics models embedded into the macro-scale fracture mechanics models to study the effects of out-of-plane conditions on brittle fracture failure, ductile fracture failure and fatigue crack propagation, to establish corresponding fracture failure criteria; Develop new experimental testing procedures to measure the fracture toughness under various out-of-plane constraint conditions to calibrate and validate the fracture failure criteria; Finally establish new RPV structural safety assessment methodology for 2D cracks. The outcome of the proposed research will be of significant engineering value to the design, safe operation and integrity assessment of RPVs.

反应堆压力容器（RPV）是核电厂反应堆冷却剂压力边界屏障中的一个重要设备，要求在各种工况下均能保证结构的完整性。目前尚无成熟有效的方法预测RPV含二维裂纹构件在常规工况和极端工况下的断裂失效。本研究项目旨在研究RPV铁素体钢三维应力状态下的断裂失效机理，以二维裂纹（即表面裂纹、边角裂纹和内嵌裂纹）为主要对象，重点分析研究裂纹平行方向的几何与加载条件影响，发展相应的安全评定方法。对二维裂纹尖端在多种面外加载条件下进行宏观断裂力学分析，确定裂纹尖端的应力场的三轴应力（约束度）的三参数表征；通过使用细观力学模型嵌入宏观力学模型的方法，详细探究面外条件对含裂纹试样解理断裂、韧性撕裂和疲劳裂纹扩展的影响，建立相应的断裂失效判据；发展不同面外约束度下的断裂韧性实验方法，对断裂失效判据进行参数标定和验证；最后建立新的结构安全评定预测方法。研究成果对RPV的设计、安全服役以及完整性评定有重要意义和价值。

反应堆压力容器是核反应堆最重要的装备之一，要求在各种工况下必须安全运行至少40年。一方面，在反应堆压力容器制造和使用过程中，缺陷不可避免的存在或萌生；另一方面，压力容器铁素体钢的抗断裂性能将在长期服役过程中发生劣化。然而，目前核电站广泛采用的是基于常规断裂力学的结构完整性评定方法，无法保证基于小尺度实验室试样得到的断裂韧性正确可靠的用于实际工程结构的完整性评定。本项目通过理论、数值方法与实验方法相结合，宏观力学与细观力学相结合，以发展考虑三维断裂机理的弹塑性断裂力学模型为目标。本项目的重要结果和关键数据包括：1）通过数值分析，获得了含半椭圆形界面裂纹在不同加载工况下的应力应变场和断裂参量，详细分析了三维单边缺口拉伸试样的应力状态，证明了其可作为代替含二维裂纹结构的可行性，得到了多种几何尺寸下的面内和面外约束参数，并进一步揭示了非比例加载对延性材料的应力应变场和启裂断裂韧性的影响。2）通过实验方法和有限元方法相结合，提出一种新的适用于单边缺口拉伸试样的断裂韧性测试方法，即修正的规则化方法，结果证明其简单高效，可以作为替代柔度法的试验方法用于各种约束状态下的断裂韧性测量。3）开展了热老化试验和断裂试验，得到了16MND5钢在不同老化时长和不同应力状态下的阻力曲线（J-R和CTOD-R）和启裂断裂韧性。4）提出使用独立于T33的分量作为面外约束参数，发展了三维约束相关的断裂力学方法，成功预测了含二维裂纹结构的断裂韧性。本项目的研究成果一方面填补了不同老化时长的16MND5钢在中低约束下的断裂韧性实验数据缺失的空白。另一方面提出了新的面外约束参数，发展了三维的面内和面外约束相关的弹塑性断裂力学模型，构建了实验室小尺寸试样的断裂韧性与全尺寸工程结构的断裂韧性的关系，对反应堆压力容器的设计、安全服役及完整性评估有重要的意义和价值。