核电二回路腐蚀管线抗震可靠性研究

摘要

核管道是核电站的重要组成部分。核电二回路管道主要是由碳钢制造的且其长期处于高温、高压、高辐射等复杂环境中，在服役运行期间不可避免的会发生腐蚀。我国核电事业发展几十年，许多服役运行的核管道已经进入了服役的中后期。随着核管道腐蚀情况的加剧，当核管道一旦发生破裂，放射性物质流出，会造成严重核事故。地震具有很大的随机性与不确定性，近年来，我国地震频发，因此为保证核管道安全有效的运行，对腐蚀核管道在地震作用下的可靠性研究就至关重要。为此，本文围绕着核电二回路腐蚀管道在地震作用下的可靠性分析进行了一些研究，主要内容如下:
　　(1)核电二回路核管道主要是由碳钢制造的，在核管道服役运行过程中不可避免的会发生腐蚀，核管道内高速流动的水或水汽混合物将会加剧这一过程。为从根本上了解核管道加速腐蚀的原因，深入分析了核管道流量加速腐蚀的腐蚀特征，从静态与动态两个方面分别论述了核管道流量加速腐蚀的形成机理并讨论了核管道流量加速腐蚀与普通金属腐蚀的区别。
　　(2)为了研究不同的腐蚀模型对核电二回路腐蚀核管道可靠性的影响。将非线性的幂函数腐蚀模型与指数函数腐蚀模型引入到核管道可靠性研究中，并与线性函数腐蚀模型进行了比较。基于核管道事故工况下所能承受的最大内压建立了腐蚀核管道失效的极限状态方程，得到了腐蚀模型对腐蚀核管道可靠度的影响曲线。综合考虑三种腐蚀模型的敏感性与各自的优缺点，推荐使用幂函数腐蚀模型进行核电二回路腐蚀模型的可靠性研究。
　　(3)针对核电二回路管道在FAC下产生单点腐蚀的状况开展了数值研究。利用ABAQUS有限元软件分别建立了不同腐蚀深度、不同腐蚀长度、不同腐蚀宽度的直核管道与核管道弯头的有限元模型，分别研究了直核管道与核管道弯头的极限内压承载力与腐蚀坑腐蚀深度、腐蚀长度、腐蚀宽度的关系。假设核电站场地按Ⅰ类场地进行处理，借助赵春风博士建立的较完整准确的核岛厂房模型，采用满足RG1.60谱的核电厂专用人工地震波进行核岛厂房的动力时程分析，得到核电二回路管道输入点的加速度响应，分别将此加速度响应输入到直核管道与核管道弯头模型中，对比研究了不同腐蚀深度、不同腐蚀长度、不同腐蚀宽度的的直核管道与核管道弯头的腐蚀坑中点的地震响应。最后，对地震波的输入角度对核管道弯头的地震响应的影响进行了研究。
　　(4)为了研究核电二回路单腐蚀管道在地震作用下的可靠性，结合核管道的剩余强度和在地震作用下RCC-M规范中所考虑的最大内压，率先建立了基于应力的腐蚀核管道在地震作用下的失效极限状态方程。将拟合出的线性函数腐蚀模型、幂函数腐蚀模型与有限元计算结果引用到腐蚀核管道的失效极限状态方程中，进行核电二回路腐蚀直管道与核管道弯头的抗震可靠性计算，得到了基于两种腐蚀模型的核电二回路腐蚀直管道与核管道弯头的可靠性指标随服役时间的变化曲线图。
　　(5)由于腐蚀具有随机性，基于马尔科夫链理论，建立了核管道的随机腐蚀模型，求出了发生FAC后核管道剩余有效面积随时间变化的概率分布。对地震作用下的腐蚀核管道，提出了简化计算模型，推导了核管道轴向地震响应位移与应力。结合工程算例，获得了核管道发生FAC后在计算时间时遭遇等同某地震时的抗震可靠度。这为核管道设计人员在核管道设计时提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出与研究意义

1．2 国内外相关研究的进展

1．2．1 国内外管道工程基础理论研究

1．2．2 核压力管道在腐蚀缺陷方面的研究

1．2．3 核压力管道在抗震性能方面的研究

1．2．4 本文的主要研究内容与思路

2 流量加速腐蚀的机理研究

2．1 核电二回路管道由于流量加速腐蚀的事故概述

2．2 流量加速腐蚀的机理研究

3 核管道腐蚀模型的对比研究

3．1 核电二回路管道腐蚀模型

3．1．1 核管道腐蚀模型

3．2 基于可靠性的核管道腐蚀模型对比研究

3．2．1 腐蚀核管道失效的极限状态方程

3．2．2 算例分析

3．2．3 核管道腐蚀模型的敏感性分析

3．3 本章小结

4 核电二回路腐蚀管道在地震作用下的动力响应分析

4．1 AP1000有限元模型

4．2 加速度响应

4．3 腐蚀直管道与核管道弯头的有限元模型建立

4．4 腐蚀深度对核管道极限内压的影响

4．4．1 失效准则与边界条件

4．4．2 极限内压的有限元计算

4．4．3 腐蚀深度对直管道极限内压的影响

4．4．4 腐蚀深度对核管道弯头极限内压的影响

4．5 腐蚀长度对核管道极限内压的影响

4．5．1 极限内压的有限元计算

4．5．2 腐蚀长度对核管道弯头极限内压的影响

4．6 腐蚀宽度对核管道极限内压的影响

4．6．1 极限内压的有限元计算

4．6．2 腐蚀宽度对核管道弯头极限内压的影响

4．7 不同腐蚀深度的核电二回路管道在地震作用下的动力时程分析

4．7．1 模型的约束和加载方式

4．7．2 输入的地震波时程

4．7．3 腐蚀深度对腐蚀直管道动力时程的影响分析

4．7．4 腐蚀深度对核管道弯头动力时程的影响分析

4．8 不同腐蚀长度的核电二回路管道在地震作用下的动力时程分析

4．9 不同腐蚀宽度的核电二回路管道在地震作用下的动力时程分析

4．10 地震波输入角度对腐蚀核管道地震响应的影响

4．11 本章小结

5 核电二回路腐蚀管道的抗震时变可靠度

5．1 工程算例介绍

5．2 核管道的失效应力极限状态方程

5．3 核管道失效概率的计算

5．4 本章小结

6 核电二回路腐蚀管道在地震作用下的可靠性分析

6．1 基于马尔科夫链的核管道随机腐蚀模型

6．2． 核管道截面面积的概率分布

6．3 腐蚀核管道的地震反应分析

6．4 算例

6．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢