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                  乏燃料運輸容器結構分析的載荷組合和設計準則(征求意見稿)

                  1 范圍

                        本標準規定了乏燃料運輸容器結構分析的載荷組合和設計準則。

                        本標準第4章載荷組合適用于所有類型乏燃料運輸容器;第5章設計準則適用于奧氏體不銹鋼制乏燃料運輸容器。主體為碳鋼和低合金鋼材料的乏燃料運輸容器,其結構分析原則上可以采用本標準中第5章所規定的設計準則,但同時應考慮低溫斷裂韌性等附加要求。本準則不適用于蠕變起控制作用的情況。

                        總活度超過3000A1/A230000Ci的放射源貨包,其結構分析的載荷組合與包容邊界設計準則原則上可參照本標準相關內容。

                        本標準規定的設計準則應用于線彈性分析,其基本假設可以應用疊加原理來確定載荷組合對容器結構的影響。但其它安全相關部件(如減震器及其螺栓)可根據實際情況進行適當的非線性處理。

                  2 規范性引用文件

                        下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。

                        GB 11806-2019《放射性物品安全運輸規程》

                        ASME 核電規范與標準, BPVC-III核設施部件建造規則第1NB分卷ASME 核電規范與標準, BPVC-III核設施部件建造規則第1NF分卷ASME 核電規范與標準, BPVC-III核設施部件建造規則第1NG分卷NUREG/CR-3854 運輸容器制造規范

                        RG 7.6 運輸容器包容結構分析設計準則

                        G 7.8 放射性材料運輸容器結構分析載荷組合導則

                        RG 7.11 壁厚不大于4 英寸(0.1米)的鐵素體鋼制運輸容器包容邊界基體材料的斷裂韌性準則

                        ANSI N14.6 稱重為10000磅(4500 千克)或其以上的放射性物質運輸容器專用提升裝置

                  3 術語和定義

                  3.1

                        應力強度 stress Intensity

                        應力強度是組合應力基于第三強度理論的當量強度,規定為給定點處最大剪應力的2倍,即給定點處代數最大主應力與代數最小主應力(拉應力為正值,壓應力為負值)之差。

                  3.2

                        一次應力 primary stress

                        一次應力為平衡壓力及其它機械載荷所必須的法向應力或剪應力。對理想塑性材料,一次應力所引起的總體塑性流動是非自限的,即當結構內的塑性區擴展到使之變成幾何可變的機構時,達到極限狀態,即使載荷不再增加,仍產生不可限制的塑性流動,直至破壞。

                  3.3

                        二次應力 secondary stress

                        二次應力是為滿足外部約束條件或結構自身變形連續要求所必須的法向應力或剪應力。二次應力的基本特征是具有自限性,即局部屈服和小量變形就可以使約束條件或變形連續要求得到滿足,從而變形不再繼續增大。只要不反復加載,二次應力不會導致結構破壞。

                  熱應力被認為是二次應力,由于熱應力是應變控制而非載荷控制的,而且這些應力會隨著屈服的發生而減小。在總體結構不連續處的彎曲應力,如圓柱形筒體和平封頭的連接處, 通常被認為是二次應力。但是,當需要筒體和封頭連接處的邊緣力矩阻止封頭的彎曲應力過大時,連接處的應力被認為是一次應力。矩形橫截面筒體筒壁之間的連接處的彎曲應力被認為是一次應力。

                  3.4

                        一次薄膜應力 primary membrane stress

                        一次薄膜應力指實體截面厚度上的平均一次法向應力。

                  3.5

                        一次彎曲應力 primary bending stress

                        一次彎曲應力是平衡壓力或其他機械載荷所需的沿截面厚度線性分布的彎曲應力。

                  3.6

                        交變應力強度 alternating stress intensity

                        當主應力方向在循環中不變時,交變應力強度Salt是指在所有可能的應力狀態(ij)下S12 、S23S31中最大絕對值的二分之一,σ1、σ2和σ3是主應力

                        S12=(σ1i–σ1j-(σ2i –σ2j

                        S23=(σ2i–σ2j-(σ3i–σ3j

                      ?S31 =(σ3i– σ3j-(σ1i–σ1j

                        當循環中主應力方向發生變化時,需要通過先計算應力分量的差值,再通過分量差值計算主應力及應力強度。

                  3.7

                        疲勞 fatigue

                        疲勞是在循環加載條件下發生在結構某點處局部的、永久性的損傷遞增過程,經足夠的應力或應變循環后,損傷累積可使材料產生裂紋,或使裂紋進一步擴展至完全斷裂。

                  3.8

                        安定性 shakedown

                        如果幾次載荷循環后變形趨于穩定且隨后的結構響應是彈性的,棘輪效應終止,結構趨于安定狀態。

                  3.9

                        包容邊界 containment boundary

                        在運輸過程中,用于包容放射性物品的包裝部件的組合體,是防止放射性物品漏失或彌散的物理屏障。例如乏燃料運輸容器的包容邊界一般包括:內筒體、一次密封蓋、貫穿件密封蓋和連接螺栓等。

                  3.10

                        臨界安全相關部件 criticality related components

                        在運輸過程中,除包容邊界以外的對容器臨界安全可產生影響的部件,例如乏燃料運輸容器的臨界安全相關部件一般包括吊籃等。

                  3.11

                        其他安全相關部件 other safety components

                        除包容邊界和臨界安全相關部件以外,實現運輸容器其他安全相關功能的所有部件,例如γ和中子屏蔽部件、二次密封結構及其螺栓、減震器及其螺栓、提升裝置(提升耳軸)、栓系結構等。

                  3.12

                        貨包 package

                        貨包是提交運輸的包裝與其放射性內容物的統稱。

                  3.13

                        包裝 packaging

                        包裝是指一個或多個容器以及容器中起到包容和其他安全功能的任何其他部件或材料。

                  3.14

                        符號 symbol

                        Salt——交變應力強度;

                        Sa——交變應力強度分量的許用幅值;

                        Sm——設計應力強度,取Su/32Sy/3中的較小者;

                        Sn——一次加二次應力強度;

                        Sy——設計溫度下材料的屈服強度;

                        Su——設計溫度下材料的抗拉強度。

                        A1/A2——放射性核素限值(依據GB11806中的規定)

                  4 載荷組合

                  4.1 總則

                        為了確保乏燃料運輸容器結構的安全,在對容器進行分析時設計者應合理的將容器可能經受的載荷進行全面的分析及組合,包括運輸過程中的靜載荷、動載荷和熱載荷。本標準將容器的載荷歸納為初始條件、正常運輸條件和運輸事故條件,并給出了初始條件與正常運輸條件和運輸事故條件載荷的組合方式,詳見表1。

                   


                  4.2 初始條件

                        初始條件下的載荷應作為正常運輸條件和運輸事故條件的基礎,將其分別與正常運輸條件和運輸事故條件下的載荷進行組合,用以對容器進行結構評價。

                  4.2.1 初始溫度

                        容器初始溫度分布應為穩定狀態。正常運輸條件和運輸事故條件的初始溫度,應考慮環境溫度-40℃無太陽曝曬和環境溫度38℃有太陽曝曬兩種情況。太陽曝曬應符合GB11806的要求。運輸事故條件中的耐熱試驗工況無需考慮低溫初始條件。

                  4.2.2 衰變熱

                        初始條件還應考慮乏燃料組件的衰變熱。最大衰變熱通常應在環境溫度較高的情況下疊加,并應考慮GB11806中的太陽曝曬要求,低溫情況下通??刹豢紤]衰變熱。

                  4.2.3 容器內壓

                  4.2.3.1 容器內壓應與其他初始條件合理組合。最小內壓應為大氣壓力,對于小于大氣壓力的設計,內壓取值應為負值。

                  4.2.3.2 對于商用核電站的乏燃料,應考慮乏燃料組件內所有氣體釋放的情況用以確定容器最大內壓(容器內壓主要取決于以下幾個因素:容器內回充惰性氣體的壓力,容器溫度分布以及乏燃料包殼內所有氣體的泄漏)。

                  4.2.4 裝配應力

                        評價容器時,應考慮容器裝配和安裝過程(包括連接、成形、裝配和校形等)中產生的應力。若未采取后續措施消除這些應力,則應在確定容器最大應力時考慮這些應力。(裝配是指容器主要部件的組裝:包括內筒體、γ屏蔽層、外筒體等,但不包括單個部件的制造。因此,裝配應力應包括由過盈配合引起的應力和鉛凝固過程造成邊界收縮導致的應力,但不包括由板材成形、焊接等引起的殘余應力)。裝配前應認為無應力狀態。

                  4.2.5 其它

                        本標準給出了對結構評價產生影響的初始條件的最大值和最小值。如果上述條件在結構分析中并不是最嚴苛情況,則還應合理考慮除上述最大值和最小值的其他初始條件。

                  4.3 正常運輸條件下的載荷組合

                        正常運輸條件下的載荷應依據4.2節中規定的初始條件按照表1進行組合。在對乏燃料運輸容器進行結構分析時,以下載荷應單獨考慮,不需相互疊加。

                  4.3.1 受熱

                        應考慮容器在環境溫度為38℃的靜止空氣和GB11806中規定的太陽曝曬的條件。如運輸容器具有機械輔助冷卻系統,在受熱條件下結構評價時應認為該系統失效。

                  4.3.2 受冷

                        應考慮容器在環境溫度為-40℃的靜止空氣中且無太陽曝曬的條件。同時應考慮容器無內部熱載荷和最小內壓的情況,也應考慮冷卻劑結冰的可能性及其影響。

                  4.3.3 外壓增加

                   

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