Приложение III. РУКОВОДСТВО ПО БЕЗОПАСНОЙ КОНСТРУКЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ УПАКОВОК В ОТНОШЕНИИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ | (Цитируется по приложению VI руководства МАГАТЭ TS-G-1.1) | ВВЕДЕНИЕ
Приложение III 
РУКОВОДСТВО ПО БЕЗОПАСНОЙ КОНСТРУКЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ
УПАКОВОК В ОТНОШЕНИИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ
(Цитируется по приложению VI руководства МАГАТЭ TS-G-1.1)
ВВЕДЕНИЕ
VI.1. Это приложение основано на тексте, опубликованном как глава 2 документа IAEA-TECDOC-717 [VI.1], который был пересмотрен на серии консультативных совещаний. Эта публикация содержит дополнительную информацию об оценке сопротивления хрупкому разрушению на основе оценки конструкции с использованием механики разрушения.
VI.2. Упаковки для перевозки РМ должны отвечать Правилам МАГАТЭ, согласованным всеми государствами - членами МАГАТЭ. Упаковки должны отвечать строгим требованиям к ограничению внешнего излучения, обеспечению удержания радиоактивных материалов и предотвращению критичности. Соответствие этим требованиям должно иметь место в условиях тяжелой аварии. Таким образом, в конструкции упаковок должно уделяться внимание предотвращению всех видов разрушения упаковки, которые могут приводить к нарушению этих требований. Следует отметить, что при использовании этого руководства всегда применимы требования пункта 701.d) Правил МАГАТЭ-96 (п. 3.1.1.г) НП-053-04) т.е. расчетные процедуры и параметры должны быть надежны и консервативны.
VI.3. Это приложение содержит руководство по оценке конструкции с целью предотвращения одного из возможных видов разрушения, а именно хрупкого разрушения элементов конструкции упаковки для перевозки РМ. Обсуждаются три метода:
(1) Оценка и использование материалов, остающихся пластичными и прочными во всем диапазоне эксплуатационных температур, включая ее снижение до -40 °C.
(2) Оценка ферритных сталей с использованием измерения температуры перехода нулевой пластичности, коррелированной с сопротивлением разрушению.
(3) Оценка сопротивления разрушению на основе оценки конструкции с использованием механики разрушения.
VI.4. Первый метод включен, чтобы охватывать подход, при котором стремятся гарантировать, что при любых условиях нагружения, создаваемых для появления разрушения, такое разрушение всегда будет в виде обширного пластического и (или) вязкого разрыва, а нестабильное хрупкое разрушение не возникает ни при каких обстоятельствах. Второй направлен на обеспечение соответствия с общепринятой практикой оценки ферритных сталей. Третий метод обеспечивает оценку хрупкого разрушения, пригодную для широкого круга материалов. Следует подчеркнуть, что данное руководство не исключает применения альтернативных методов, надлежащим образом обоснованных конструктором упаковок и принятых компетентным органом.
ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ
VI.5. Многие материалы менее вязки при низких температурах или высоких скоростях нагружения, чем при умеренных температурах и в условиях статического нагружения. Например, способность ферритных сталей поглощать энергию при растягивающем напряжении при наличии дефектов в виде трещин претерпевает заметные изменения в узком диапазоне температур. Вязкость разрушения ферритных сталей заметно изменяется в пределах диапазона переходной температуры. Вязкость разрушения быстро увеличивается с ростом температуры в узком диапазоне от "нижней полки" или области хрупких плоских деформаций с разрушением типа расслоения по плоскостям спайности, проходя через упругопластичную область, до "верхней полки" или области вязкого разрушения при разрыве и пластичности, где вязкость разрушения достаточно велика для предотвращения хрупкого разрушения. Температура, при которой вязкость разрушения начинает быстро расти с увеличением температуры, соответствует температуре перехода нулевой пластичности (ТПНП) [NDTT - nil ductility transition temperature]. Этот тип температурного перехода наблюдается только при наличии трещинообразных дефектов, создающих объемное (трехосное) напряженное состояние, и когда материал демонстрирует увеличение предела текучести с понижением температуры. Те же самые материалы демонстрируют увеличение предела текучести с ростом скорости нагружения, поэтому температура перехода может зависеть также и от скорости нагружения. Во всех этих случаях, когда материал действительно находится в хрупком состоянии, растягивающее нагружение его может приводить к нестабильному росту трещины с последующим хрупким разрушением, даже если номинальные напряжения меньше, чем предел текучести материала. Маленьких трещинообразных дефектов в материале может оказаться достаточно для инициирования такого нестабильного роста.
VI.6. Критерии для предотвращения трещинообразования и развития потенциально нестабильных трещин в изделиях из ферритных сталей, таких как сосуды, работающие под давлением, и трубопроводы, используемые в энергетической, нефтяной и химической промышленности, хорошо разработаны и введены в обычную практику многими национальными и международными органами, издающими стандарты. Эти критерии могут быть отнесены к одному из двух основных типов:
(1) Критерии, основанные исключительно на требованиях к испытанию материалов. Они обычно предназначены для демонстрации того, что какое-либо свойство материала (например, ударная динамическая прочность) было продемонстрировано предыдущим опытом или полномасштабными демонстрационными испытаниями прототипа на работоспособность либо может быть скоррелировано с вязкостью разрушения для обеспечения необходимого запаса по условиям хрупкого разрушения.
(2) Критерии, основанные на сочетании испытаний материала, расчетов прилагаемых напряжений и стандартов качества изготовления (освидетельствования). Они предназначены для демонстрации того, что существует достаточный запас между рассчитанным состоянием конструкции и измеренным состоянием реакции материала.
VI.7. Методы 1 и 2 основаны на критериях первого из указанных выше подходов, в то время как метод 3 следует основному подходу механики разрушения либо расширенным подходам механики упругопластического разрушения, описанным ниже. Следует отметить, что линейная механика упругого разрушения может использоваться, пока преобладают пределы текучести небольшого масштаба; если же имеет место большая текучесть, то следует использовать методы механики упругопластического разрушения. Возможны иные методы оценки. Любой подход, предложенный конструктором упаковок, служит предметом утверждения компетентного органа.
Метод 1
VI.8. Хрупкое разрушение может произойти внезапно, без предупреждения и иметь катастрофические последствия для упаковочного комплекта. Поэтому подход в рамках метода 1 таков, что упаковка должна быть сконструирована из материалов, не подверженных хрупкому разрушению до появления пластического разрушения в нормальных и аварийных условиях, определенных в Правилах.
VI.9. Пример первого метода - использование в качестве материала для упаковок аустенитных нержавеющих сталей. Эти материалы не демонстрируют в характерном для конструкций упаковок диапазоне зависимости вязкости разрушения от температуры и имеют хорошую прочность и способность к податливости. Однако литые аустенитные стали не всегда имеют хорошие свойства, и могут потребоваться некоторые механические испытания для подтверждения их эластичного поведения и высокой вязкости разрушения.
VI.10. Преимущество метода 1 состоит также и в том, что для сопротивления хрупкому разрушению он не рассматривает предельные уровни напряжений, размер дефектов и вязкость разрушения, хотя для вязкого или иных видов разрушения должны применяться обычные конструкторские процедуры.
Метод 2
VI.11. Основа для определения ТПНП - наивысшая температура, при которой в стандартном испытании на удар (падающим грузом) в исходном материале не распространяется хрупкое разрушение от хрупкого наваренного буртика [VI.2]. Она может считаться дном кривой температуры перехода либо для прекращения распространения (образования) трещин, либо для нестабильного роста маленьких изначальных трещин.
VI.12. Примеры использования подхода ТПНП в рамках метода 2 включены в документы BS 5500 [VI.3] Британского института стандартов, документы [VI.4] и [VI.5] Секций III и VIII Американского общества инженеров-механиков (ASME) и документы RCC-M, приложение ZG [VI.6] Французских норм ядерного конструирования. Эти методы касаются, например, ферритных сталей, для которых имеются достаточные базы данных о зависимости ударной прочности (удельной работы образца с трещиной) (испытание по Шарпи) от вязкости разрушения. В таких случаях ударная прочность (энергия) по Шарпи может служить косвенным индикатором прочности (вязкой) материала. Этот подход можно использовать для множества высококачественных углеродистых и углеродисто-марганцевых ферритных сталей. Основным приемочным критерием в документах BS 5500 и ASME является требование о минимальности ударной прочности (или расширения в поперечном направлении) при испытании по Шарпи образца с V-образным надрезом при предписанной температуре, хотя лежащее в основе обоснование основано на подходе по ТПНП <*>.
--------------------------------
<*> Этот же подход использован в российских Нормах расчета на прочность транспортных упаковочных комплектов для перевозки ядерных делящихся материалов. НРП-93 [VI.31], которые содержат требования к материалам, а также перечень марок сталей и их прочностных и вязких характеристик, в том числе и значения ТНП, рекомендуемые для использования при изготовлении ТУК. (Примечание разработчиков настоящего Руководства).
VI.13. Другой пример второго метода - регулирующие руководства Комиссии ядерного регулирования США (USNRC): Критерий по вязкости разрушения для герметичных сосудов из ферритных сталей транспортных контейнеров с толщиной стенки более 4 дюймов (0,1 м), Регулирующее руководство 7.12 [VI.7], Критерий по вязкости разрушения основного материала герметичных сосудов из ферритных сталей транспортных контейнеров при максимальной толщине стенки четыре дюйма (0,1 м), Регулирующее руководство 7.11 [VI.8]. Эти критерии предписывают уровни ТПНП, которые должны быть достигнуты для ферритных сталей в зависимости от толщины образцов и температуры. Они определяют требования к минимально допустимой разности температур между ТПНП материала и наименьшей температурой, учитываемой для аварийных условий (принимается равной -29 °C), в зависимости от толщины образца. Эта разность температур основана на корреляции между ТПНП и вязкостью разрушения. Хотя эти нормативные руководства специально касаются ферритных сталей, тот же подход можно применять и к другим материалам, которым свойственно подобное поведение при переходных температурах и для которых можно продемонстрировать корреляцию между ТПНП и сопротивляемостью разрушению. Стандартизованная процедура испытаний по документу ASTM A208 применима только к ферритным сталям. Для измерения ТПНП других материалов там не имеется стандартизированных методов. Однако есть возможность использования динамических испытаний на разрыв, чтобы получать ТПНП или по крайней мере оценку сопротивления разрыву для других материалов [VI.9]. Это даст более тяжелые (консервативные) значения, чем получаемые при испытаниях по Шарпи.
VI.14. Следует отметить, что в документах USNRC даны различные запасы по безопасности для различных типов упаковок и их содержимого, а также учитывается остановка трещин в материале [VI.7, VI.8]. Это достигается путем задания максимально допустимой ТПНП на основе технических отчетов Национальной Ливерморской лаборатории Лоуренса [VI.10, VI.11] и следующего уравнения:
K
1 ID 2
бета = - (-------) , (VI.1)
B сигма
yd
где:
сигма - динамический предел текучести;
yd
K - динамический коэффициент интенсивности напряжений при
ID
хрупком разрушении;
B - толщина образца
все в соответствующих единицах.
VI.15. Для упаковок с отработавшим топливом, высокоактивными
отходами и плутонием в рамках подхода USNRC ведется поиск вязкости
разрушения, достаточной для предотвращения появления сквозной
трещины на уровне динамического предела текучести, что равно
философии остановки развития трещины, требующей значения бета не
менее 1,0. Это эквивалентно требованию такого размера номинальной
зоны пластичности, при котором ожидается, что условия плоской
деформации будут поддерживаться так, чтобы вязкость разрушения не
оказывалась в области верхней полки и пластичность сохранялась.
Для других упаковок типа B требуемое значение бета не должно быть
меньше 0,6. Это эквивалентно требованию, что вязкость разрушения
должна быть не на нижней полке, а в переходной области с ожидаемым
преобладанием упругопластичного разрушения. Для упаковок,
содержащих только материалы с низкой удельной активностью или
содержимое которых не превышает 30 A или 30 A , USNRC готова
1 2
рассматривать использование линейных подходов механики упругого
разрушения для предотвращения начала разрушения. Этого можно
достичь, установив значение бета не менее 0,4. В этих случаях при
толщинах менее 4 дюймов (0,1 м) может быть обоснованным
использование мелкозернистых нормализованных сталей без
дальнейшего анализа и испытаний. Для всех таких подходов требуемая
вязкость разрушения может быть определена с использованием
максимальной температуры перехода нулевой пластичности.
Преимущество этих подходов - они не используют предельные уровни
напряжений и размеры дефектов. Однако заметим, что пластический
или иной механизм разрушения должен учитываться в нормальной
процедуре конструирования.
Метод 3
VI.16. При перевозке радиоактивных материалов методы 1 и 2 не используют возможности конструктора ограничивать напряжения за счет применения ограничителей удара и неразрушающего контроля (НРК), достаточного для выявления и определения размеров постулируемых дефектов. Кроме того, корреляция вязкости разрушения и ударной прочности может быть неприменима к широкому кругу материалов, ограничивая тем самым использование конструктором альтернативных материалов герметичной оболочки.
VI.17. Можно найти множество примеров метода 3, применимых к элементам атомной электростанции. Такие примеры, хотя и неприменимы непосредственно к оценке конструкции транспортных упаковок, могут быть поучительными в отношении использования принципов механики разрушения. Они включены в документы: приложение G раздела III ASME [VI.12]; RCC-MR Французских Норм ядерного конструирования [VI.13]; Извещение 501 MITI Японии [VI.14]; Немецкие нормы ядерного конструирования КТА 3201.2 [VI.15]; документ PD 6493:1991 Британского института стандартизации [VI.16] и документ [VI.17] Содружества Независимых Государств (СНГ) <*>. Эти примеры дают конструктору свободу выбора материала одновременно с возможностью определять напряжения и требования к НРК так, чтобы предотвращать неустойчивый рост трещин и хрупкое разрушение. Фундаментальный подход линейной механики упругого разрушения применим во всех этих случаях, хотя имеются различия в использовании коэффициентов безопасности. Эти примеры главным образом касаются медленно прикладываемых нагрузок, которые могут изменяться. Для применения этих принципов к нагрузкам, встречающимся в испытаниях на падение или на проникновение, необходимо учитывать как величину результирующих напряжений, так и реакцию материала на скорость нагружения.
--------------------------------
<*> Методики определения характеристик вязкости разрушения также представлены в российских стандартах и других документах: Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86 [VI.32]; Методические указания. Расчеты на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) при статическом нагружении. РД 50-260-81 [VI.33]. (Примечание разработчиков настоящего Руководства).
РАССМОТРЕНИЕ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ
VI.18. Механическое свойство материала, характеризующее его
сопротивляемость неустойчивому росту трещин из существующих
трещинообразных дефектов, называется его начальной вязкостью
разрушения. Измерение этого свойства в зависимости от температуры
и скорости нагружения позволяет проследить переход от хрупкого к
пластичному поведению для тех материалов, у которых есть подобие
температуры перехода нулевой пластичности. В зависимости от
локального состояния напряжений вокруг дефекта и степени
пластичности вязкость разрушения определяется по критическому
уровню коэффициента интенсивности напряжений K , если условия
I
напряжение-деформация являются линейно-упругими; или, если условия
напряжение-деформация являются упругопластическими, прочность
может быть представлена критическим уровнем (линейного) контурного
интеграла энергии J либо критическим уровнем раскрытия в вершине
I
трещины (УРВТ) дельта. Согласно фундаментальной теории механики
разрушения, для того, чтобы предотвратить неустойчивый рост трещин
и последующее хрупкое разрушение, уровень движущей силы,
приложенной к вершине трещины, представляемый через коэффициент
интенсивности напряжений K , контурный интеграл J (удельную
I I
работу образца с трещиной КСТ) или уровень раскрытия вершины
трещины дельта (УРВТ), должен быть меньше, чем критическое
I
значение хрупкой прочности материала в той же форме, K ,
I(mat)
J или дельта . Стандартные методы испытаний для
I(mat) I(mat)
критических значений K даны в ASTM E399 [VI.18] и JSME S001
I
[VI.19]; для критических значений J в ASTM E813 [VI.20] и
I
JSME S001 [VI.19]; для критических значений УРВТ в BS 7448-2
[VI.21], ASTM E1290 [VI.22] и JWES 2805 [VI.23]. Ведутся
дискуссии, чтобы выработать единые рекомендации, охватывающие
различные параметры вязкости разрушения [VI.24] <**>.
Следовательно, конкретные значения K , J или
I(mat) I(mat)
дельта , требуемые для предотвращения неустойчивого роста
I(mat)
трещин, зависят от условий нагружения и комбинации условий
интересующей окружающей среды. В условиях плоских напряжений,
характерных для больших толщин и необходимых для упаковок типа
B, критическая вязкость разрушения при статических нагрузках
демонстрирует минимальное значение в параметрах K , J или
Ic Ic
дельта . Кроме того, при повышенной скорости нагружения или при
Ic
ударных нагрузках, вязкость разрушения, обозначаемая для случая
динамического нагружения K , для некоторых материалов, может быть
Id
значительно ниже, чем соответствующее статическое значение K при
Ic
той же температуре. Если первоначальная глубина дефекта в
сочетании с приложенной нагрузкой даст коэффициент интенсивности
приложенного напряжения, равный прочности материала, то будет
иметь место инициирование трещины, а данная глубина дефекта будет
называться критической. В этих условиях возможно непрерывное
распространение трещин, ведущее к потере устойчивости и
разрушению.
--------------------------------
<**> Стандартные методы испытаний на вязкость разрушения также представлены в российском ГОСТ 25.506-85 [VI.17]. (Примечание разработчиков настоящего Руководства).
VI.19. Для некоторых материалов результаты испытаний на вязкость разрушения, приемлемые в соответствии с ASTM E399 [VI.18], не могут быть получены в стандартных испытаниях из-за избыточной пластичности. Кроме того, некоторые материалы могут не демонстрировать неустойчивый рост трещин после начала их распространения, а для дальнейшего увеличения трещин им требуется увеличение движущей силы трещинообразования, т.е. на ранних стадиях для дальнейшего роста трещин необходимо увеличение нагрузки. Оба этих процесса, а именно пластическая деформация и вязкий разрыв, поглощают энергию и служат очень желательными атрибутами материалов, от которых необходимо соответствие требованиям к конструкции транспортных упаковок. Следует отметить, что геометрическое и металлургическое влияние элементов большой толщины, применяемых в конструкциях упаковок, затрудняет достижение уверенности в том, что в условиях эксплуатации поведение материала в отношении вязкого разрыва будет сравнимо с результатами испытаний при стандартной геометрии.
VI.20. Рекомендованный подход к оценке механики разрушения конструкций транспортных упаковок основан на "предотвращении начала разрушения" и, следовательно, неустойчивого распространения (роста) трещин при наличии трещинообразных дефектов. Иногда могут быть достаточны принципы линейно-упругой механики разрушения. В определенных условиях, при наличии обоснования конструктора упаковки и утверждения со стороны компетентного органа, принципы механики упругопластичного разрушения могут быть подходящими. В таких случаях предотвращение образования трещин остается главным критерием, и на ожидаемое сопротивление вязкому разрыву никакой опоры в конструкции не возлагается. В следующих пунктах даются рекомендации по мерам предотвращения неустойчивого роста трещин в упаковках, подверженных механическим испытаниям, предписанным в пп. 722, 725 и 727 Правил (пп. 3.4.2.4, 3.4.3.1 и 3.4.4.2 НП-053-04).
VI.21. Следствие принятия подхода, основанного на механике разрушения - необходимость выполнения количественного анализа. Анализом следует охватывать взаимодействие между постулированными дефектами в упаковке, уровнями напряжений, которые могут наблюдаться, и свойствами материалов, в частности, вязкостью разрушения и пределом текучести. Таким образом, следует уделять внимание возможному наличию дефектов на стадии изготовления, а метод проектирования должен устанавливать максимальные размеры дефектов, которые могли бы возникнуть и остаться после любого осмотра и восстановительных мероприятий. Это, в свою очередь, означает, что должны быть найдены методы осмотра и их возможности по выявлению и определению размера таких дефектов в критических местах конструкции. В данном приложении это служит основой описанной концепции дефектов. Вероятно, еще потребуется сочетание методов неразрушающего контроля. В соответствующее сочетание, подлежащее определению силами конструктора, следует включать места, подлежащие контролю каждым методом, и критерии приемлемости для каждого из обнаруживаемых дефектов. Контролируемость изделия в отношении размера и расположения дефектов, которые могут быть пропущены, представляет собой важный элемент любого подхода к конструкции с использованием принципов механики разрушения. Обсуждение этих аспектов содержится далее в этом приложении. Кроме того, должно быть возможно определять уровни напряжений, которые могут возникать в различных частях упаковки в различных условиях проектных аварий, и знать некоторые оценки погрешностей такого определения. И, наконец, должны быть сведения о вязкости разрушения материала, используемого для упаковки, во всем диапазоне температур эксплуатации, основанные на результатах испытаний, оценках нижней границы или справочных кривых, включая влияние повышенных скоростей нагружения, которые будут иметь место при авариях с соударениями.
VI.22. Фундаментальное уравнение линейно-упругой механики разрушения, описывающее поведение конструкции в виде зависимости движущей силы в вершине трещины от приложенного напряжения и глубины дефекта, выглядит следующим образом:
____
K = Y сигма \/пи a, (VI.2)
I
где:
K - приложенный коэффициент интенсивности напряжений,
I
1/2
МПа x м ,
Y - константа, зависящая от размера, ориентации и геометрии
дефекта и конструкции,
сигма - прилагаемое номинальное напряжение, МПа,
a - глубина (по российским справочным данным - 1/2 длины
(прим. редактора русского перевода)) дефекта, м.
VI.23. Далее для предотвращения хрупкого разрушения
приложенный коэффициент интенсивности напряжений должен
удовлетворять соотношению:
K < K , (VI.3)
I I(mat)
где K определяет вязкость разрушения.
I(mat)
VI.24. Это должно быть получено из испытаний при скорости
нагружения, соответствующей той, при которой будут испытывать
упаковку с учетом влияния ограничителей удара, предусмотренных в
конструкции.
VI.25. Для
K = K (VI.4)
I I(mat)
уравнение (VI.2) можно объединить с уравнением (VI.4), чтобы
получить следующее выражение для критической глубины дефекта a :
cr
K 2
1 I(mat)
a = -- (-------) . (VI.5)
cr пи Y сигма
VI.26. Цель процесса оценки хрупкого разрушения - обеспечение того, что три параметра, характеризующих это явление (вязкость разрушения материала, приложенные напряжения и размер дефектов), удовлетворяют уравнениям (VI.2) и (VI.3) или соответствующим упругопластическим условиям, предотвращая тем самым неустойчивый рост трещин.
VI.27. Влияние пластичности и локальной текучести в вершине
трещины должно увеличивать прочность вершины трещины по сравнению
с той, которая обусловлена трещиной того же размера при том же
уровне напряжений в условиях исключительно линейно-упругих условий
нагружения. В рамках упругопластической механики разрушения
существует несколько путей учета взаимосвязи между пластичностью и
напряжениями в вершине трещины. Например, два таких подхода
внесены в национальные нормативные документы - приложенный
J-интеграл [VI.25] и диаграмма оценки разрушения [VI.16, VI.26] -
и их использование может быть обосновано при оценке упаковочных
комплектов. Критерии приемлемости для этих упругопластических
методов обычно более сложны, чем простой предел, определенный
уравнением (VI.3). В случае метода приложенного J-интеграла такой
критерий должен включать предел самого приложенного J-интеграла
при заданном определении начала разрушения. В рамках метода
диаграммы оценки разрушения можно рассчитать координаты L и K
r r
оценки обрыва пластики и хрупкого разрушения для напряжений и
заданной глубины дефектов, при условии, что точки такой оценки
лежат в пределах поверхности FAD (см. рис. VI.1 - здесь и
далее рисунки не приводятся). Важно осознавать, что если имеет
место значительная текучесть и коэффициент интенсивности
напряжений определен только по уровню напряжений и размеру трещин
без учета текучести, то применение методов линейно-упругой
механики разрушения может оказаться неконсервативным. Полное
описание этих подходов для более детального ознакомления можно
найти в [VI.17, VI.25, VI.26] <*>.
--------------------------------
<*> Методики определения характеристик вязкости разрушения также представлены в российских стандартах и других документах: Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86 [VI.32]; Методические указания. Расчеты на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) при статическом нагружении. РД 50-260-81 [VI.33]. (Примечание разработчиков настоящего Руководства).
VI.28. Следует отметить, что текучесть элементов за пределами системы герметизации, которые специально предусмотрены для поглощения энергии за счет пластической деформации, не следует считать недопустимой.
КОЭФФИЦИЕНТЫ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ МЕТОДА 3
VI.29. Любые коэффициенты безопасности, которые можно применять к уравнению (VI.3) или к параметрам, входящим в него, и упругопластические расширения этого уравнения (VI.3), должны учитывать погрешности расчетов или измерения этих параметров. В них могут входить погрешности, связанные с расчетом напряжений в упаковке, с контролем упаковок на наличие дефектов и с определением вязкости разрушения материала. Таким образом, требуемый общий коэффициент безопасности зависит от того, являются ли значения различных входных параметров результатом наилучшей оценки (средними) или они определены для верхней границы диапазона параметров нагружения, заданного размера дефектов и нижней границы вязкости разрушения. В частности, проблема погрешности НРК может быть решена за счет соответствующего консерватизма при выборе опорного дефекта.
VI.30. Для предотвращения неустойчивого роста трещин в
материалах упаковки коэффициенты безопасности для нормальных
условий перевозки и гипотетических аварийных условий следует в
целом согласовывать с коэффициентами безопасности, разработанными
для сходных условий нагружения в упомянутых применениях подхода
линейно-упругой механики разрушения. Например, для условий
нагружения, ожидаемых в условиях нормальной эксплуатации в течение
срока службы, в разделе XI Норм ASME для эксплуатационного
контроля элементов атомной электростанции приведен общий
минимальный коэффициент безопасности по вязкости разрушения,
__
входящий в уравнение (VI.3), равный \/10 (приблизительно 3). Для
неожиданных (но проектных) условий нагружения, таких как условия
гипотетической аварии, там же приведен общий минимальный
коэффициент безопасности для вязкости разрушения, входящий в
_
уравнение (VI.3), равный \/2 (приблизительно 1,4). Следует
заметить, что подобный минимальный коэффициент безопасности для
уравнения (VI.3) следует использовать для верхней границы
параметров нагружения и заданного размера дефектов и нижней
границы вязкости разрушения, привлекая, если необходимо,
статистические оценки. Конструктору упаковки следует выбирать и
обосновывать коэффициенты безопасности и согласовывать их с
компетентным органом, принимая во внимание результаты валидации
методов, используемых для анализа напряжений (например, норм
анализа методом конечных элементов), разброс свойств материала и
погрешность выявления и определения размера дефектов при НРК.
Процедура оценки для метода 3
VI.31. Для применения рекомендованного подхода необходимы следующие общие шаги:
(1) задание опорного, или базисного для конструкции, дефекта в наиболее критической точке упаковки и с наиболее критической ориентацией;
(2) расчет напряжений при механических испытаниях, описанных в пп. 722, 725 и 727 Правил (пп. 3.4.2.4, 3.4.3.1 и 3.4.4.2 НП-053-04), гарантирующий учет всех требуемых сочетаний нагрузок;
(3) расчет приложенного коэффициента интенсивности напряжений в вершине базисного для конструкции дефекта;
(4) расчет или оценка нижней границы вязкости разрушения материала для скоростей нагружения, которым может подвергаться упаковка;
(5) расчет отношения прилагаемых чистых напряжений в сечении к пределу текучести в соответствующих условиях нагружения;
(6) удовлетворение запаса по безопасности между приложенным коэффициентом интенсивности чистых напряжений и принятым значением вязкости разрушения материала, а также между приложенным напряжением и пределом текучести.
Это будет гарантировать, что в результате механических испытаний, определенных в Правилах, трещина не возникнет либо не вырастет, и поэтому неустойчивый рост трещин и (или) хрупкое разрушение не возникнет. Чистое напряжение - это напряжение, рассчитанное для сечения, уменьшенного из-за наличия трещины.
VI.32. Эта последовательность шагов изменяется, если для демонстрации сопротивляемости хрупкому разрушению напрямую используются механические испытания. В этом случае результаты измерений при испытаниях могут использоваться для одной из двух или для обеих целей, а именно, давать заключение о поле напряжений для расчета применяемого коэффициента интенсивности напряжений или обеспечивать прямое подтверждение рекомендованного запаса в отношении инициации разрушения. Во втором случае трещина размещается в таком месте испытываемого прототипа упаковки, которое наиболее уязвимо к возникновению и росту дефекта при испытательных механических нагрузках с учетом минимальной температуры -40 °C. Опорному дефекту следует придавать полуэллиптическую форму с соотношением сторон (длины к глубине) 6:1 или более. Вершину этого искусственного дефекта следует делать как можно более трещиноподобной при остроте опорного дефекта, обоснованной конструктором упаковки и приемлемой для компетентного органа. Для ковкого железа был предложен радиус скругления дефекта в вершине, не превышающий 0,1 мм [VI.27]. Глубина этого дефекта определяется по предварительно рассчитанным напряжениям или по измеренным деформациям; при расчете глубины искусственного дефекта следует также учитывать соответствующий коэффициент безопасности.
VI.33. В последующих пунктах приведены рекомендации по каждому из указанных шагов.
Рассмотрение дефектов
VI.34. В данном приложении упоминаются три различных размера дефекта. "Опорный размер дефекта" - это заданный размер дефекта, используемый в аналитических целях. "Выбраковываемый размер дефекта" - это размер дефекта, при обнаружении которого в ходе предэксплуатационного контроля констатируется нарушение требований обеспечения качества. "Критический размер дефекта" - это размер, который потенциально неустойчив в базисных условиях нагружения конструкции.
VI.35. Для демонстрации аналитическим способом либо результатами испытаний опорный дефект следует помещать на поверхности стенки упакованного содержимого в место с наибольшими приложенными напряжениями. Если упаковка подвергается циклическим или колебательным нагрузкам, следует учитывать возможность развития усталостных трещин в процессе эксплуатации. Если место возникновения наибольших прикладываемых напряжений неопределенно, может потребоваться многократная демонстрация. Ориентацию опорного дефекта следует выбирать так, чтобы наибольшая компонента поверхностных напряжений, определенных из расчета или измерений, была перпендикулярна к плоскости дефекта. При этом следует учитывать наличие областей концентрации напряжений. Глубину опорного дефекта следует выбирать так, чтобы была обоснована ее связь с объемной чувствительностью контроля, погрешностью детектирования, выбраковываемым и критическим размером дефекта. Опорную глубину дефекта следует выбирать так, чтобы согласно результатам обоснования, выполненного конструктором упаковки, при имеющейся объемной и поверхностной чувствительности контроля вероятность его пропуска была достаточно мала. В качестве наименьшей может быть выбрана глубина при размере, для которого может быть продемонстрировано, что вероятность его пропуска статистически незначима при соответствующем учете погрешности метода контроля.
VI.36. Опорный дефект с соотношением сторон 6:1 следует ориентировать так, чтобы его площадь в плоскости, нормальной к направлению максимального напряжения, была больше, чем типичные результаты предэксплуатационного контроля, которые могут быть причиной изъятия или ремонта изготовленной стенки защитной оболочки упаковки. Однако поскольку опорный дефект - это поверхностный трещиноподобный дефект, а не реальный дефект металла (например, пористость или включение шлака под поверхностью), выбор этого размера дефекта крайне консервативен по отношению к стандартам качества изготовления.
Рассмотрение обеспечения качества и неразрушающего контроля
VI.37. Чтобы транспортная упаковка выполняла свои функции удовлетворительно, ее следует конструировать и изготавливать по соответствующим стандартам, из подходящих материалов и без больших дефектов, независимо от того, использовался ли подход к конструкции, основанный на механике разрушения или нет. Имеется в виду, что на стадии конструирования и изготовления следует реализовывать принципы обеспечения качества, а материалы следует подвергать контролю качества, чтобы гарантировать их соответствие установленным требованиям технических условий. В случае металлических упаковок для проверки того, что химический состав, термообработка и микроструктура материала удовлетворительны и нет внутренних дефектов, следует брать образцы. Металлические упаковки следует подвергать неразрушающему контролю, сочетая выявление поверхностных трещин и объемный контроль. Выявление поверхностных трещин следует выполнять соответствующими методами, такими как магнитная дефектоскопия, применение проникающих красителей или метода вихревых токов в соответствии со стандартными процедурами.
VI.38. Для объемного контроля обычно рекомендуется применять радиографический или ультразвуковой метод в соответствии со стандартными процедурами. Конструкцию упаковки следует делать пригодной для проведения неразрушающего контроля. Если используется подход, основанный на механике разрушения с применением концепции опорного дефекта, то конструктор упаковки должен продемонстрировать, что предусмотренные методы НРК способны выявить любые подобные дефекты и эти методы НРК применяются на практике.
VI.39. Конструктору следует указывать на возможность развития или роста дефектов и на возможное ухудшение свойств материала при эксплуатации. Ему следует определить требования к повторному или периодическому НРК и получать их утверждение от компетентного органа.
Рассмотрение вязкости разрушения
VI.40. Следует показывать, что рассчитанный коэффициент интенсивности приложенных напряжений меньше, чем значение вязкости разрушения материала в уравнении (VI.3) с соответствующим запасом на влияние пластичности и коэффициентов безопасности. Метод определения вязкости разрушения материала следует выбирать из трех вариантов, показанных на рис. VI.2. Каждый из этих вариантов включает обобщение статистически значимой базы данных о величинах вязкости разрушения материала, полученных на формах изделий, представительных в отношении поставщиков материала и пригодных для производства упаковок. В первых двух вариантах следует включать значения вязкости разрушения материала, представительные для скорости деформации, температуры и ограничивающих условий (например, толщины) реальной упаковки. Те же соображения применимы и к измерениям вязкости разрушения материала, используемым при оценке упругопластичного разрушения.
VI.41. Вариант 1 следует основывать на определении минимального значения вязкости разрушения конкретного материала при температуре -40 °C. Минимальное значение, показанное на рис. VI.2, представляет статистически значимый массив данных для ограниченного числа образцов от ограниченного количества поставщиков материала, полученных при соответствующей скорости нагружения и геометрических ограничениях. Следует обеспечивать представительность образцов, форм изделий, соответствующих конкретному применению упаковки.
VI.42. Вариант 2 следует основывать на определении значений
вязкости разрушения материала K = K на нижней границе
I(mat) Ib
области изменения или вблизи нее, как показано на рис. VI.2. Этот
вариант может охватывать как предельный случай определение
вязкости разрушения опорного материала для ферритных сталей по
справочной методике, приведенной, например, в разделе III
приложения G Норм ASME [VI.4]. Значение на нижней границе области
изменения или вблизи нее может основываться на составном массиве
данных для вязкости разрушения в статических и динамических
условиях и в условиях прекращения роста трещин. Преимущество
данного варианта - возможность сокращения программы испытаний для
материалов, которые могут быть отнесены к нижней границе кривой
или близкой к ней области. Относительно малое, но приемлемое
количество точек может быть достаточным для демонстрации
применимости кривой к конкретным плавкам, сортам или типам
материала.
VI.43. Вариант 3 следует основывать либо на наименьших значениях из статистически значимого массива данных о вязкости разрушения, удовлетворяющих требованиям ASTM E399 [VI.18] по скорости статического нагружения и ограничениям в вершине трещины, либо на упругопластичных методах измерения вязкости разрушения [VI.3, VI.4]. Температуру в испытаниях LEFM по ASTM E399 следует обеспечивать, по крайней мере, не выше -40 °C, а может быть и еще ниже, чтобы удовлетворить условия ASTM E399, как показано на рис. VI.2. Испытания на вязкость разрушения с использованием упругопластичных методов следует проводить при наименьшей проектной температуре. Консерватизм этого варианта, в частности, может быть таков, что если испытания проводились при температурах, меньших -40 °C и это обосновано конструктором и приемлемо для компетентного органа, то возможно использование уменьшенного коэффициента безопасности.
Рассмотрение напряжений
VI.44. И при демонстрации путем испытаний, и при выполнении анализа расчет коэффициента интенсивности приложенных напряжений у вершины опорного дефекта следует основывать на максимальных растягивающих напряжениях в элементах, критических в отношении разрушения, выбор которых обосновывается конструктором и согласовывается с компетентным органом. Элементы, критические в отношении разрушения, определяются как элементы, разрушение которых может приводить к прорыву или разрушению системы герметизации. Напряжения могут определяться расчетом для упаковки без дефектов. Широко применяемые методы включают прямые расчеты напряжений специалистом в области норм динамического анализа на основе метода конечных элементов или косвенные расчеты напряжений по результатам испытаний. В рамках анализа методом конечных элементов подход к оценке ударных нагрузок может включать либо попытку моделирования инерционных воздействий, либо квазистатический анализ при условии, что реакции ограничителей удара и корпуса упаковки могут рассматриваться независимо. Применение компьютерных программ на основе конечных элементов следует ограничивать теми программами, которые способны выполнять анализ при ударах, и теми конструкторами, которые продемонстрировали свою квалификацию, удовлетворительную для компетентного органа. Компьютерная модель должна быть настроена так, чтобы давать точные результаты в критических областях для каждой изучаемой точки приложения и пространственной ориентации ударного воздействия. Если поле напряжений выводится по результатам измерения поверхностных напряжений при испытаниях масштабной модели либо натурной упаковки, то это выводимое поле напряжений также следует обосновывать. Следует учитывать возможную погрешность измерения напряжений как за счет ошибок размещения, так и из-за влияния конечной длины датчиков, когда они располагаются в зонах локальной концентрации напряжений. Применяемый коэффициент интенсивности напряжений может быть рассчитан по результатам анализа напряжений или консервативно по справочным формулам, учитывающим форму дефекта и другие факторы, определяемые геометрией и материалом.
VI.45. Поскольку вычисленные поля напряжений могут зависеть от поведения ограничителей удара, распределения массы и конструктивных характеристик самой упаковки, обоснование напряжений будет, в свою очередь, зависеть от обоснования аналитических моделей. Если функция обеспечения того, что проектный уровень напряжений на опорных дефектах при предполагаемой минимальной вязкости разрушения не превышен, возложена на ограничители удара, то конструктору следует выполнять валидацию анализа для компетентного органа, включая обоснование коэффициентов безопасности, для учета неопределенностей. Опыт выполнения динамического анализа методом конечных элементов показал, что можно получить достаточно надежные или консервативные оценки пиковых напряжений при следующих условиях:
(i) компьютерная программа способна анализировать ударные события;
(ii) используются надежные или консервативные характеристики свойств;
(iii) модель либо точна, либо имеет консервативные упрощения;
(iv) анализ выполняется квалифицированным персоналом.
Обоснование полей напряжений, получаемых по результатам испытаний, будет зависеть от обоснования характеристик испытательного оборудования, положения и интерпретации получаемых данных. Оценка как рассчитанных, так и производных полей напряжений может также потребовать понимания соответствующих динамических характеристик материала и структурных характеристик конструкции.
VI.46. Дополнительные рекомендации по применению метода 3 можно найти в других источниках [VI.28 - VI.30].
ЛИТЕРАТУРА К ПРИЛОЖЕНИЮ III
[VI.1] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Guidelines for the Safe Design of Shipping Packages against Brittle Fracture, IAEA-TECDOC-717, IAEA, Vienna (1993).
[VI.2] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Annual Book of ASTM Standards: Standard Test Method for Drop Weight Test to Determine Nil Ductility Transition Temperature of Ferritic Steels, Vol. 03.01, ASTM E208-87a, ASTM, Philadelphia, PA (1987).
[VI.3] BRITISH STANDARDS INSTITUTION, Specification for Unfired Fusion Welded Pressure Vessels, BS 5500, BSI, London (1991).
[VI.4] AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Division 1, Rules for the Construction of Nuclear Power Plant Components, ASME, New York (1992).
[VI.5] AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 1, Rules for the Construction of Pressure Vessels, ASME, New York (1992).
[VI.6] ASSOCIATION FRANCAISE POUR LES REGLES DE CONCEPTION ET DE CONSTRUCTION DES MATERIELS DES CHAUDIERES ELECTRONUCLEAIRES (AFCEN), French Nuclear Construction Code; RCCM: Design and Construction Rules For Mechanical Components of PWR Nuclear Facilities, Subsection Z, Appendix ZG, Fast Fracture Resistance, Framatome, Paris (1985).
[VI.7] UNITED STATES NUCLEAR REGULATORY COMMISSION, Fracture Toughness Criteria for Ferritic Steel Shipping Cask Containment Vessels with a Wall Thickness Greater than Four Inches (0,1 m), Regulatory Guide 7.12, USNRC, Washington, DC (1991).
[VI.8] UNITED STATES NUCLEAR REGULATORY COMMISSION, Fracture Toughness Criteria of Base Material for Ferritic Steel Shipping Cask Containment Vessels with a Maximum Wall Thickness of Four Inches (0,1 m), Regulatory Guide 7.11, USNRC, Washington, DC (1991).
[VI.9] ROLFE, S.T., BARSOM, J.M., Fracture and fatigue control in structures, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1977).
[VI.10] HOLMAN, W.R., LANGLAND, R.T., Recommendations for Protecting Against Failure by Brittle Fracture in Ferritic Steel Shipping Containers up to Four Inches Thick, NUREG/CR-1815, US Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC (1981).
[VI.11] SCHWARTZ, M.W., Recommendations for Protecting Against Failure by Brittle Fracture in Ferritic Steel Shipping Containers Greater than Four Inches Thick, NUREG/CR-3826, US Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC (1984).
[VI.12] AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Division 1 - Appendices, Appendix G: Protection Against Nonductile Failure, ASME, New York (1992).
[VI.13] ASSOCIATION FRANCAISE POUR LES REGLES DE CONCEPTION ET DE CONSTRUCTION DES MATERIELS DES CHAUDIERES ELECTRONUCLEAIRES (AFCEN), French Nuclear Construction Code, RCC-MR: Design and Construction Rules For Mechanical Components of FBR Nuclear Islands, Framatome, Paris (1985, with addendum 1987).
[VI.14] MINISTRY FOR INTERNATIONAL TRADE AND INDUSTRY, Technical Criteria for Nuclear Power Structure, Notification N 501, MITI, Tokyo (1980).
[VI.15] KERNTECHNISCHER AUSSCHUSS, Sicherheitstechnische Regel des KTA, Komponenten des Primarkreises von Leichtwasserreaktoren, Teil 2: Auslegung, Konstruktion und Berechnung, KTA 3201.2, Fassung 3/84, KTA Geschaftsstelle, Bundesamt fur Strahlenschutz, Salzgitter (1985).
[VI.16] BRITISH STANDARDS INSTITUTION, Guidance on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Fusion Welded Structures, PD 6493, BSI, London (1991).
[VI.17] ГОСТ 25.506-85. Определение характеристик хрупкой прочности при статических нагрузках. Москва (1985).
[VI.18] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Annual Book of ASTM Standards: Standard Test Method for Plane Strain Fracture Toughness of Metallic Materials, Volume 03.01, ASTM E399-83, ASTM, Philadelphia, PA (1983).
[VI.19] THE JAPAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, Standard Test Method for CTOD Fracture Toughness Testing, JSME S001, JSME, Tokyo (1981).
[VI.20] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Standard
Test Method for J , A Measure of Fracture Toughness, ASTM E813,
Ic
Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, ASTM, Philadelphia,
PA (1991).
[VI.21] BRITISH STANDARDS INSTITUTION, Fracture Mechanics
Toughness Tests, Method for Determination of K , Critical CTOD
IC
and Critical J Values of Welds in Metallic Materials, BS 7448-2,
BSI, London (1997).
[VI.22] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Standard Test Method for Crack Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness Measurement, ASTM E1290-93, Annual Book of ASTM Standards, ASTM, Philadelphia, PA (1993).
[VI.23] THE JAPAN WELDING ENGINEERING SOCIETY, Standard Test Method for CTOD Fracture Toughness Testing, JWES 2805, JWES, Tokyo (1980).
[VI.24] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION, ISO/TC164/SC4 - Discussions on a Unified Method of Test for Quasi-static Fracture Toughness - N 128, ISO, Geneva (1994).
[VI.25] ZAHOOR, A., Ductile Fracture Handbook, Rep. NP 6301-D, EPRI, Palo Alto, CA (1991).
[VI.26] CENTRAL ELECTRICITY GENERATING BOARD, Assessment of the Integrity of Structures Containing Defects, Rep. R/H/R6-Rev. 3, CEGB, London (1986).
[VI.27] CENTRAL RESEARCH INSTITUTE OF ELECTRIC POWER INDUSTRY, Research on Quality Assurance of Ductile Cast Iron Casks, EL 87001, CRIEPI, Tokyo (1988).
[VI.28] DROSTE, В., SORENSON, K. (Eds), Brittle fracture safety assessment, Int. J. Radioact. Mater. Transp. 6 2 - 3 (1995) 101 - 223.
[VI.29] SHIRAI, K., et al., Integrity of cast iron cask against free drop test - Verification of brittle failure design criterion, Int. J. Radioact. Mater. Transp. 4 1 (1993) 5 - 13.
[VI.30] ARAI, Т., et al., Determination of lower bound fracture toughness for heavy section ductile cast iron (DCI) and small specimen tests, ASTM STP N 1207, ASTM, Philadelphia, PA (1995) 355 - 368.
[VI.31] Нормы расчета на прочность транспортных упаковочных комплектов для перевозки ядерных делящихся материалов. НРП-93.
[VI.32] Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-002-86.
[VI.33] Методические указания. Расчеты на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) при статическом нагружении. РД 50-260-81.
