01 研究背景

目前，法國正在運行的34個900MWe級反應堆中均設置了兩組應急柴油發(fā)電機，以保證核電站在外部電力中斷的情況下各類應急設備的正常工作從而確保核電站的安全。作為預防性維護的一部分，有關部門對發(fā)電機進行了定期測試和檢查。

在檢查中，氣缸蓋的氣門橋處觀察到了裂紋（圖1，2）。EDF和柴油發(fā)電機制造商兼設計者瓦錫蘭公司40年的經驗反饋表明，這些裂紋是在定期測試中發(fā)電機的周期性啟動和停止（低頻熱疲勞）導致的，對其運行沒有影響。反饋還表明，裂紋不會擴展到水冷回路區(qū)域，從而不會導致發(fā)電機的停機。

盡管有大量的經驗反饋作為支撐，法國核安全局（Autorité de S?reté Nucléaire, ASN）仍要求EDF嚴格證明這些裂紋的無害性。因此，EDF的核電部中負責制定和優(yōu)化核反應堆維護策略的國家運營工程部（UNIE）指示研發(fā)部門通過數(shù)值模擬對裂紋擴展過程進行論證，關鍵在于通過增大檢查間隔時間的方式來減輕氣缸蓋的維護負擔，同時還要避免因出現(xiàn)裂紋而被拒收的氣缸蓋的早期更換。

02 材料實驗

由于氣缸蓋材料（層狀石墨鑄鐵GJL-300）原本不存在于EDF的數(shù)據(jù)庫中，因此該材料的熱力學參數(shù)必須通過實驗從反應堆中廢棄氣缸蓋上采集的樣品中提取。EDF在20℃，220℃和420℃下對氣缸蓋材料進行了單向拉伸實驗、循環(huán)拉/壓實驗和疲勞裂縫發(fā)展實驗，并獲得了相應的材料力學參數(shù)（圖3，4，5）。

為了表征氣缸蓋材料的相關性能，利用由CEA和EDF共同開發(fā)的MFront開發(fā)了一種全新的材料彈塑性本構模型，并對實驗結果進行了必要的修正（圖6、7），這已在相關文獻以及實驗結果中進行了闡述。

03 CAD的模型建議與有限元網格的劃分

誠然，UNIE提出的問題在如何利用輸入數(shù)據(jù)和數(shù)字仿真方面都帶來了不小的挑戰(zhàn)。從制造商的圖紙計劃中生成的CAD模型是建立有限元網格的唯一依據(jù)；然而，由于進氣和排氣以及冷卻水在其內部循環(huán)，氣缸蓋的幾何形狀極其復雜（圖8）。在有限元網格的劃分中，單個氣缸蓋構件約含640000個節(jié)點，閥門橋附近單元的大小約為2mm。

04 熱力學過程模擬

用code_aster對發(fā)電機在一個從啟動到停止的運行周期內液體與構件熱交換進行了三維瞬態(tài)熱力學模擬。為避免模型邊緣相互貫穿，針對發(fā)電機的不同工作階段設置了不同的邊界條件（圖9）

在發(fā)電機從室溫到開始運行階段，兩個進氣口與兩個排氣口互相之間的四個閥門橋處的溫度隨時間的變化（圖10）

在發(fā)電機溫度穩(wěn)定階段，將實驗測得的兩個排氣口之間閥門橋處溫度隨到圓心距離的變化曲線與理論計算值對比，耦合度良好（圖11）

在發(fā)動機停機到恢復至室溫階段，同樣測得了兩個進氣口與兩個排氣口互相之間四個閥門橋處溫度隨時間變化的曲線（圖12）。由于此階段發(fā)動機停止工作，進氣口與排氣口不再與外界進行熱量交換。

05 力學過程模擬

在力學層面，同樣根據(jù)實際情況中發(fā)動機的受力情況設置了一系列邊界條件（圖13）。圖14給出了發(fā)電機在啟動階段與停止工作階段結構的應力云圖。有限元網格中的裂紋由Salome-Meca中的Zcracks工具進行模擬。使用程式的高性能計算功能（包括MUMPS求解器）在EDF的Aster5集群上進行了不同的仿真（圖15）

06 裂縫發(fā)展速率的確定

帕里斯裂縫擴展法則（Loi de propagation des fissures selon Paris）是由Paris，Gomez和Anderson三人于1960年提出的關于疲勞性裂縫發(fā)展速率與應力強度因子之間的函數(shù)關系。1963年，Paris與Erdogan將此函數(shù)關系歸納為以下形式：

其中，C、m由材料性質決定，ΔK為應力強度因子。

結合上述模擬結果和帕里斯裂紋擴展法則，預測了發(fā)電機閥門橋中的裂紋擴展規(guī)律。結果表明，經過1500次啟動-停機的往復荷載后，發(fā)電機各個閥門橋處的裂紋距離水冷回路仍有相對安全的一段距離（圖16）

07 結論與展望

實驗與數(shù)值模擬表明，在氣缸蓋50年的使用期限期間，裂紋的擴展程度遠小于在閥門橋處剩余材料的寬度。該結果使得可以以一種相對保守的方式排除了在閥間橋處的裂紋向水冷回路擴展的可能性。 因此，與反應堆經驗反饋的結果一致，這些裂紋的存在不會影響柴油發(fā)電機的運行。

模擬結果為減輕維護負擔的合理性和在避免早期更換在氣橋處出現(xiàn)裂紋的氣缸蓋提供了有力的依據(jù)。相關結果已提交給法國核安全局，關于汽缸蓋維護新政策的建議已于2018年制定。

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