压力容器及管道lbb分析技术及评定方法研究.doc

清华大学硕士学位论文压力容器及管道LBB分析技术及评定方法研究姓名：郑炜申请学位级别：硕士专业：固体力学指导教师：孙学伟2001.5.1中文摘要为了更加有效的进行压力容器与管道的安全评定工作，本文围绕压力容器 和管道分析的各种关键性评定技术主要进行了以下方面的研究工作：在环向贯穿裂纹的评定技术研究方面，编制了完整的可用于工程实际的评 定软件，其评定精度优于美国“FLET: Pipe Crack Instability Program' NP-6717-CCML-73，1990在功能上可以完成 PICEP (Pipe Crack Evaluation Program，EPRI NP-3596-Rev.l)所进行的计算工作，其偏差能限制在合理的范围 内，一般情况下，偏差不超过5%时，对当前工程计算领域的各种LBB(Leak before Break)稳定性研究方法进行了深入的研究，经过细致的理论分析和工程 计算后发现：形变塑性失效评定图法（DPFAD)和PD6493改进分析方法忽视 了外加荷载加载曲线的非线性问题；而J积分撕裂模量汇交方法（J-T)所忽视 的则是J积分加载曲线的非线性问题这些不足使得上述几种方法在理论上只 能成为近似解法。

而清华大学的“优化方法”由于理论上更加严密和完整，所 以在精度上高于上述近似方法基于可靠性分析，本文还进一步对涉及的各种 评定方法提出了改进意见和措施在环向表面裂纹的评定技术研究方面，本文首先在已有成果基础上，建立 了环向表面裂纹在复合加载下的J积分近似表达式，其精度达到了工程评定要 求，通过对美国Battle实验室实验管道数据库提供的近40个工程实例的大量 数值计算后发现，基于该J积分近似表达式所取得的评定结果优于美国Battle 实验室采用的工程方法以及华东理工大学所提出的通用曲线法同时，本文还 对表面裂纹失效评定图技术的使用提出改进，使改进后的失效评定图法在精度 上仅次于程序计算，但较之华东理工大学的方法优越最后，本文以X为参量， 建立了一套优化评定方法，较之贯穿裂纹中通用的以a为参量的优化评定方法简化了操作，节省了计算量，提高了评定精度，这在国内外压力容器管道安全 评定领域尚属首次实现\ ^X] 关键词：LBB分析，压力容器管道，非线性，J积分，x因子优化方法AbstractAbstractFor more effective security assessment work of pressure and piping, this paper puts up such research works for all kinds of key assessment technology of pressure vessel and piping in the direction as below:In the research direction of assessment technology of circumferentiai through-wall crack, integrated engineering software is programmed, whose assessment precision is superior to American “FLEX: Pipe Crack Instability Program^ NP-6717- CCML-73, 1990, and can realize calculation function of PICEP (Pipe Crack Evaluation Program, EPRi NP-3596-Rev.l). The error can be limited ini rational range, error is not exceed 5% usually. Synchronously, in this paper much research is carried out for all kinds of LBB (Leak before Break) stability research methods. After delicate theoretical analysis and engineering calculation, we found: DP FAD method and PD6493 method is overlooked the problem of non-linear loading curve; J-integral tearing modulus intersection method is also omitted the problem of non-linear applying J-integral curve. Such deficiency makes these methods as approximate solution in theory, and Optimization Assessment Method established by Tsinghua university can gain higher precision than them with better theoretical system. Ulteriorly, the paper provides acceptable improved suggestion and step for such assessment methods involved in this paper.In the research direction of assessment technology of circumferential surface crack, the paper sets up J-integral approximate expression of circumferential surface crack in combined loads based on built achievement, whose precision can meet the standard of engineering assessment, through abundant numerical calculation of 40 engineering examples from piping database of USA Battle laboratory, the paper found that assessment results based on the J-integral approximate expression is superior to the ones of Battle laboratory engineering method and of general curve method from East China University of Science and Technology. In the same time, the paper also gives some advices about DPFAD technology, which is only inferior to the results of program calculation, but is superior to one of East China University of Science and AbstractTechnology, At last, the paper sets up a optimized assessment method based on parameter h, which is much simple and convenient than optimized assessment method based on 〇■ parameter, economizes the calculation quantity, enhances the assessment level, this theory is first put up in the international pressure vesseJ and piping security area.Keywords： LBB analysis, Pressure vessels and piping, Non-linearity, J-integral^ ^-factor optimized method第 一 章 绪 论第 一 章 绪 论基于宏观断裂力学的日见完善和成熟，以及工业生产与生活的实际需求， 一系列压力容器管道的安全评定理论相继问世，而LBB评定技术由于其在理论 体系和工程实践环节中的突出优越性，逐渐成为压力容器管道安全评定技术中 的主流。

LBB (Leak-before-Break)的评定技术是随着近代核物理的发展，和 核反应堆技术的发展而逐步被采用的一种管道与容器断裂和失效评定方法这 种基于断裂力学而建立起来的核电管道评定技术在评定理论上榍弃了管道断裂 的动力效应，使得设备和结构的设计变的简单，同时很大程度上节约了管道与 容器维护与评定的经济成本，近20年来，这种技术一直在世界各核电国的不断 研究中不断发展完善，同时，随着城市工业化程度的深入，LBB的分析技术也 逐渐开始在民用压力容器和管道（例如锅炉、输油管道等）的安全评定中发挥 重要作用本文就是基于LBB安全评定技术而进行的一项理论研究工作，其最终目的 就是完善现有LBB评定理论体系，并建立更为优化的LBB安全评定方法，从 而使得LBB安全评定技术的可靠性和有效性大为增加1.1 LBB评定技术产生的工程理论背景最初，LBB的分析方法的兴起，主要是在核电技术的成熟和核电站的建立 的大背景下实现的正式利用核能发电是从1954年的苏联幵始的但在此前已 有过不少尝试，1951年12月20日，美国人的一个反应堆点亮了 4个灯泡，也 许这才是真正的原子能利用的开端随着近代核物理的发展，核反应堆工程也 正在迅速的发展起来，在中国，压力堆、沸水堆、气冷堆和快堆技术陆续由实 验室走进实际核电工业的构建，大亚湾、秦山等多座核电站己经开始运行或正 在建设中，在整个核电发展的过程中，核反应堆的设计思想和规范在不断发展 和完善之中，这就使核反应堆结构的安全问题和运行可靠性很快受到重视，继 原苏联切尔诺贝利核电站的水冷系统出现故障而造成了无法估量的巨大损失之 后，几乎所有的核电国家都将核电站的安全运行视为首要重点。

第 一 章 绪 论70年代初，意大利的核电专家提出了 LBB的评定思想，由于LBB技术的 优越性和潜在的应用空间，世界各国幵始重视它的研究和实际应用包括核反 应堆主回路管道在内的一些管道的断裂和失效问题很快被确认为世界核电运行 和安全的重大研究课题，其作为IAEA(Intemational Atomic Energy Agency)多边 研究计划的一部分，核反应堆管道的断裂和失效问题要求有相应的分析和评定 方法进行解决在LBB评定技术出现之前，所有的核电管道的设计都是以假设管道的失效 模式为DEGB(double ended guillotine break双端断裂)为基础的，双端剪切断裂 是指高压管道（如一回路的主管道）两端的突然断裂，它会引起巨大的甩动力， 造成严重的冷却剂泄漏事故在大的冷却剂泄漏事故中，高压液体和气体产生 强大的喷射力，对周围的结构和设备造成损害造成这种假想的断裂模式的建 立目的就是为应急堆冷却系统提供一个限制标准，后来扩展到提供所有管道安 全相关系统的动力效应的限制标准基于这种理论，管道系统的设计中需要设置笨重结实的构件限制管道摆动， 并安装喷射冲击屏障以防护重要的设备避。