

Сравнительный анализ и верификация инженерных методов учета эффекта коротких трещин при прогнозировании вязкости разрушения материалов корпусов атомных реакторов
https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-100-4-140-165
Аннотация
Рассмотрены основные особенности разрушения образцов с короткими трещинами и дан краткий анализ основных методов, позволяющих прогнозировать температурную зависимость вязкости разрушения KJс(T) для коротких трещин. К ним относятся: DA-метод, (J–Q)-метод, (J–Т)-метод, «локальные» методы, использующие многопараметрические вероятностные подходы, GР-метод, использующий детерминистический «энергетический» подход, а также два инженерных метода – RMSC (Russian Method for Shallow Crack) и EMSC (European Method for Shallow Crack). На базе 13 наборов экспериментальных данных для российских и зарубежных сталей проведена детальная верификация и сравнительный анализ этих двух инженерных методов применительно к материалам корпусов атомных реакторов ВВЭР и PWR с учетом эффекта коротких трещин.
Об авторах
В. И. КостылевРоссия
Кандидат технических наук
191015, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., 49
Б. З. Марголин
Россия
Доктор технических наук
191015, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., 49
Список литературы
1. Аниковский В. В., Игнатов В. А., Тимофеев Б. Т., Филатов В. М., Чернаенко Т. А. Анализ размеров дефектов в сварных корпусах энергетического оборудования и их влияние на сопротивление разрушению // Вопросы судостроения, серия Сварка. – 1982. – Вып. 34. – С. 17–32.
2. Gorynin I. V., Ignatov V. A., Zvezdin Y. I., Timofeev B. T. Brittle fracture resistance of welded high pressure vessels // Int. J. Pres. Ves. & Piping. – 1988. – V. 33. – P. 317–327.
3. Timofeev B. T., Anikovsky V. V. Brittle fracture toughness – Experimental estimation of RPV materials and their welds containing shallow cracks // Int. J. Pres. Ves.. & Piping. – 1994. – N 57. – P. 297–304.
4. Alekseenko N. N., Amaev A. D., Gorynin I. V., Nikolaev V. A. Radiation damage of nuclear power plant pressure vessel steels. Illinois USA: La Grange Park, 1997.
5. Theiss T. J., Shum D. K. M., Rolf S. T. Experimental and analytical investigation of the shallowflaw effects in reactor pressure vessels. USNRC Report NUREG/CR-5886 (ORNL/TM-12115), July 1992.
6. Sumpter J. D. G., Forbes A. T. Constraint based analysis of shallow cracks in mild steel // Proceed. of the Intern. Conf. of Shallow Crack Fracture Mechanics, Toughness Tests and Application, TWI, Cambridge, UK, September 1992.
7. Link R. E., Joyce J. A. Application of fracture toughness scaling models to the ductile-to-brittle transition. USNRC Report NUREG/CR-6279, January 1996.
8. McAfee W. J., Bass B. R., Pennell W. E., Bryson J. W. Analyses and evaluation of constraint models // USNRC Report NUREG/CR-4219 (ORNL/TM-9593/V12&N1), 1996. – P. 16–24.
9. Resent R&D on constraint based fracture mechanics: the Vocalist and NESC-IV projects / D. Lidbarye. a. // Proceed. of Intern. Seminar Transferability of Fracture Toughness Data for Integrity of Ferritic Steel Component, November 17–18, 2004, Petten, The Netherlands. EUR 21491 EN. Luxemburg: Office for official Publications of the European Communities, 2004. – P. 38–58.
10. Stumpfrock L. Constraint modified fracture toughness specimens // Proceed. of Intern. Seminar Transferability of Fracture Toughness Data for Integrity of Ferritic Steel Component, November 17–18, 2004, Petten, The Netherlands. EUR 21491 EN. Luxemburg: Office for official Publications of the European Communities. 2004. – P. 59–74.
11. Gilles P. VOCALIST Handbook // Proceed. of Intern. Seminar Transferability of Fracture Toughness Data for Integrity of Ferritic Steel Component, November 17–18, 2004, Petten, The Netherlands. EUR 21491 EN. Luxemburg: Office for official Publications of the European Communities, 2004. – P. 312– 324.
12. An investigation of the transferability of Master Curve technology to shallow flaws in reactor pressure vessel applications / N. G. Taylor , K. -F. Nilsson , P. Minnebo , et al. // NESC-IV Project. Final report EUR 21846 EN. European Commission DG-JRC/IE, Petten, The Netherlands, 2005.
13. Yuritzinn T., Ferry L., Chapuli o t S., Mongabure P., Moinereau D., Dahl A., Gilles P. Illustration of the WPS benefit through BATMAN test series. Test on large specimens under WPS loading configurations // Eng. Fract. Mech. – 2008. – V. 75. – P. 2191–2207.
14. Wallin K. Fracture toughness of engineering materials – estimation and application. – EMAS Publishing, 2011.
15. Bilb y B. A., Cardew G. E., Goldthorpe M. R., Howard I. C. A finite element investigation of the effects of specimen geometry on the fields of stress and strain at the tips of stationary cracks. Size effects in fracture. – Institution of Mechanical Engineers, London, England, 1986. – P. 36–46.
16. РД ЭО 1.1.2.99.0920–2014 Расчет на сопротивление хрупкому разрушению корпусов водоводяных энергетических реакторов на стадии проектирования. Методика. – М.: ОАО «Концерн Росэнергоатом», 2014.
17. МТ 1.1.4.02.999.1295–2017 Расчет на сопротивление хрупкому разрушению корпусов реакторов АЭС с ВВЭР-1000 при продлении срока эксплуатации до 60 лет. Методика. – М.: АО «Концерн Росэнергоатом», 2017.
18. IAEA Guidelines: Unified procedure for lifetime assessment of components and piping in WWER nuclear power plants. “VERLIFE”, IAEA, 2014.
19. ASTM E 1921–10. Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range // Annual Book of ASTM Standards.
20. Методика определения вязкости разрушения по результатам испытаний образцовсвидетелей для расчета прочности и ресурса корпусов реакторов ВВЭР-1000 // РД ЭО 1.1.2.09.0789– 2012. – М.: ОАО «Концерн Росэнергоатом», 2012.
21. Dodds R. H., Anderson T. L., Kirk M. T. A framework to correlate a/W ratio effects on elasticplastic fracture toughness (Jc) // Int. J. Fract. – 1991. – V. 48. – P. 1–22.
22. O’Dowd N. P., Shih C. F. Family of crack-tip fields characterized by a triaxiality parameter: Part I. Structure of fields // J. Mech. Phys. Solids. – 1991. – V. 39. – P. 989–1015.
23. O’Dowd N. P., Shih C. F. Family of crack-tip fields characterized by a triaxiality parameter: Part II. Fracture applications // J. Mech. Phys. Solids. – 1992. – V. 40. – P. 939–963.
24. Margolin , B. Z., Shvetsova, V. A., Gulenko A. G. and Kostylev V. I. Prometey local approach to brittle fracture: Development and application // Eng. Frac. Mech. – 2008. – V. 75. – P. 3483–3498.
25. Anderson T. L., Dodds R. H. Jr. Specimen size requirements for fracture toughness testing in the transition region // Journal of Testing and Evaluation. – 1991. – V. 19, N 2. – P. 123–134.
26. Leevers P. S., Radon J. C. Inherent stress biaxiality in various fracture specimen geometries // Int. J. Fracture. – 1983. – V. 19. – P. 311–325.
27. Larsson S. G., Carlsson A. J. Influence of non-singular stress terms and specimen geometry on small-scale yielding at crack tips in elastic-plastic materials // J. Mech. Phys. Solids. – 1973. – V. 21. – P. 263– 277.
28. Betegon C., Hancock J. W. Two-parameter characterization of elastic-plastic crack-tip fields // J. Appl. Mech. – 1991. – V. 58. – P. 104–110.
29. Beremi n , F. M., A local criterion for cleavage fracture of a nuclear pressure vessel steel // Met.Trans. – 1983. – 14A. – P. 2277–87.
30. Gao X., Dodds R. H. Jr. Engineering approach to assess constrain effects on cleavage fracture toughness // Engng. Frac. Mech. – 2001. – V. 68. – P. 263–283.
31. Wadier Y., Le H. N., Bargellini R. An approach to predict cleavage fracture under nonproportional loading // Eng. Fract. Mech. – 2013. – V. 97. – P. 30–51.
32. Ritchie , R. O., Knott , J. F., Rice , J. R., On the relation between critical tensile stress and fracture toughness in mild steel // J. Mech. Phys. Solids. – 1973. – V. 21. – P. 395–410.
33. Rice J. R. A path-independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks // J. Appl. Mech. – 1968. – V. 35. – P. 379–386.
34. Williams M. L. On the stress distribution at the base of a stationary crack // J. Applied Mechanics. – 1957. – V. 24. – P. 109–114.
35. Chen J. H., Cao R. Micromechanism of cleavage fracture of metals: a comprehensive microphysical model for cleavage cracking in metals. – Elsevier, 2015.
36. Bordet S. R., Karstensen A. D., Knowles D. M., Wiesner C. S. A new statistical local criterion for cleavage fracture in steel. Part I: model presentation // Engng. Fract. Mech. – 2005. – V. 72. – P. 435–452.
37. Марголин Б. З., Ривкин Е. Ю., Карзов Г. П., Костылев В. И., Гуленко А. Г. Новые подходы к расчету хрупкой прочности корпусов реакторов // Вопросы Материаловедения. – 2000. – Вып. 4 (24). – C. 63–75.
38. Karzov G. P., Margolin B. Z., Rivkin E. Y. Analysis of structure integrity of RPV on the basis of brittle fracture criterion: new approaches // Int. J. Pres. Ves. & Piping. – 2004. – V. 81. – P. 651–656.
39. Wallin K. Quantifying T-Stress controlled constraint by the Master Curve transition temperature T0 // Eng. Fract. Mech. – 2001. – V. 68. – P. 303–328.
40. Марголин Б. З., Швецова В. А. Критерий хрупкого разрушения: структурномеханический подход // Проблемы прочности. – 1992. – № 2. – C. 3–16.
41. Margolin B. Z., Shvetsova V. A. Local criterion for cleavage fracture: structural and mechanical approach. J. de Physique IV. – 1996. – V. 6. – P. C6-225–C6-234.
42. Margolin B. Z., Shvetsova V. A., Karzov G. P. Brittle fracture of nuclear pressure vessel steels. Part I. Local criterion for cleavage fracture // Int. J. Pres. Ves. & Piping. – 1997. – V. 72. – P. 73–87.
43. Margolin B. Z., Shvetsova V. A., Gulenko A. G., Kostylev V. I. Application of a new cleavage fracture criterion for fracture toughness prediction for RPV steels // Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. – 2006. – V. 29. – P. 697–713.
44. Sherry A. H., France C. C., Goldthorne M. R. Compendium of T-stress solutions for two and three dimensional cracked geometries // Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. – 1995. – V. 18. – P. 141–156.
45. Anderson T. L. Fracture mechanics – fundamentals and application. Third ed. – CRC press, Taylor and Francis Group, Boca Ration, 2005.
46. Karzov G., Margolin B. Fracture Mechanisms and Structural Integrity Assessment of Equipments for NPP with Different Types of Reactors // Proceed. of 19th European Conference on Fracture “Fracture Mechanics for Durability, Reliability and Safety”, Kazan, Russia, 26–31 August, 2012, ID 445.
Рецензия
Для цитирования:
Костылев В.И., Марголин Б.З. Сравнительный анализ и верификация инженерных методов учета эффекта коротких трещин при прогнозировании вязкости разрушения материалов корпусов атомных реакторов. Вопросы материаловедения. 2019;(4(100)):140-165. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-100-4-140-165
For citation:
Kostylev V.I., Margolin B.Z. Comparative analysis and verification of engineering methods of shallow cracks effect for fracture toughness prediction for reactor pressure vessels. Voprosy Materialovedeniya. 2019;(4(100)):140-165. (In Russ.) https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-100-4-140-165