乏燃料运输容器结构分析的载荷组合和设计准则

1 范围

本标准规定了乏燃料运输容器结构分析的载荷组合和设计准则。

本标准第4章载荷组合适用于所有类型乏燃料运输容器；第5章设计准则适用于奥氏体不锈钢制乏燃料运输容器。主体为碳钢和低合金钢材料的乏燃料运输容器，其结构分析原则上可以采用本标准中第5章所规定的设计准则，但同时应考虑低温断裂韧性等附加要求。本准则不适用于蠕变起控制作用的情况。

总活度超过3000A1/A2或30000Ci的放射源货包，其结构分析的载荷组合与包容边界设计准则原则上可参照本标准相关内容。

本标准规定的设计准则应用于线弹性分析，其基本假设可以应用叠加原理来确定载荷组合对容器结构的影响。但其它安全相关部件（如减震器及其螺栓）可根据实际情况进行适当的非线性处理。

2 规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB 11806-2019《放射性物品安全运输规程》

ASME 核电规范与标准, BPVC-III核设施部件建造规则第1册 NB分卷ASME 核电规范与标准, BPVC-III核设施部件建造规则第1册 NF分卷ASME 核电规范与标准, BPVC-III核设施部件建造规则第1册 NG分卷NUREG/CR-3854 运输容器制造规范

RG 7.6 运输容器包容结构分析设计准则

G 7.8 放射性材料运输容器结构分析载荷组合导则

RG 7.11 壁厚不大于4 英寸（0.1米）的铁素体钢制运输容器包容边界基体材料的断裂韧性准则

ANSI N14.6 称重为10000磅（4500 千克）或其以上的放射性物质运输容器专用提升装置

3 术语和定义

3.1

应力强度 stress Intensity

应力强度是组合应力基于第三强度理论的当量强度，规定为给定点处大剪应力的2倍，即给定点处代数大主应力与代数小主应力（拉应力为正值，压应力为负值）之差。

3.2

一次应力 primary stress

一次应力为平衡压力及其它机械载荷所必须的法向应力或剪应力。对理想塑性材料，一次应力所引起的总体塑性流动是非自限的，即当结构内的塑性区扩展到使之变成几何可变的机构时，达到*限状态，即使载荷不再增加，仍产生不可限制的塑性流动，直至破坏。

3.3

二次应力 secondary stress

二次应力是为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所必须的法向应力或剪应力。二次应力的基本特征是具有自限性，即局部屈服和小量变形就可以使约束条件或变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。只要不反复加载，二次应力不会导致结构破坏。

热应力被认为是二次应力，由于热应力是应变控制而非载荷控制的，而且这些应力会随着屈服的发生而减小。在总体结构不连续处的弯曲应力，如圆柱形筒体和平封头的连接处， 通常被认为是二次应力。但是，当需要筒体和封头连接处的边缘力矩阻止封头的弯曲应力过大时，连接处的应力被认为是一次应力。矩形横截面筒体筒壁之间的连接处的弯曲应力被认为是一次应力。

3.4

一次薄膜应力 primary membrane stress

一次薄膜应力指实体截面厚度上的平均一次法向应力。

3.5

一次弯曲应力 primary bending stress

一次弯曲应力是平衡压力或其他机械载荷所需的沿截面厚度线性分布的弯曲应力。

3.6

交变应力强度 alternating stress intensity

当主应力方向在循环中不变时，交变应力强度Salt是指在所有可能的应力状态（i和j）下S’12 、S’23和S’31中大**值的二分之一，σ1、σ2和σ3是主应力

S’12=（σ1i–σ1j）-（σ2i–σ2j）

S’23=（σ2i–σ2j）-（σ3i–σ3j）

​S’31=（σ3i– σ3j）-（σ1i–σ1j）

当循环中主应力方向发生变化时，需要通过先计算应力分量的差值，再通过分量差值计算主应力及应力强度。

3.7

疲劳 fatigue

疲劳是在循环加载条件下发生在结构某点处局部的、永久性的损伤递增过程，经足够的应力或应变循环后，损伤累积可使材料产生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完全断裂。

3.8

安定性 shakedown

如果几次载荷循环后变形趋于稳定且随后的结构响应是弹性的，棘轮效应终止，结构趋于安定状态。

3.9

包容边界 containment boundary

在运输过程中，用于包容放射性物品的包装部件的组合体，是防止放射性物品漏失或弥散的物理屏障。例如乏燃料运输容器的包容边界一般包括：内筒体、一次密封盖、贯穿件密封盖和连接螺栓等。

3.10

临界安全相关部件 criticality related components

在运输过程中，除包容边界以外的对容器临界安全可产生影响的部件，例如乏燃料运输容器的临界安全相关部件一般包括吊篮等。

3.11

其他安全相关部件 other safety components

除包容边界和临界安全相关部件以外，实现运输容器其他安全相关功能的所有部件，例如γ和中子屏蔽部件、二次密封结构及其螺栓、减震器及其螺栓、提升装置（提升耳轴）、栓系结构等。

3.12

货包 package

货包是提交运输的包装与其放射性内容物的统称。

3.13

包装 packaging

包装是指一个或多个容器以及容器中起到包容和其他安全功能的任何其他部件或材料。

3.14

符号 symbol

Salt——交变应力强度；

Sa——交变应力强度分量的许用幅值；

Sm——设计应力强度，取Su/3和2Sy/3中的较小者；

Sn——一次加二次应力强度；

Sy——设计温度下材料的屈服强度；

Su——设计温度下材料的抗拉强度。

A1/A2——放射性核素限值（依据GB11806中的规定）

4 载荷组合

4.1 总则

为了确保乏燃料运输容器结构的安全，在对容器进行分析时设计者应合理的将容器可能经受的载荷进行全面的分析及组合，包括运输过程中的静载荷、动载荷和热载荷。本标准将容器的载荷归纳为初始条件、正常运输条件和运输事故条件，并给出了初始条件与正常运输条件和运输事故条件载荷的组合方式，详见表1。

4.2 初始条件

初始条件下的载荷应作为正常运输条件和运输事故条件的基础，将其分别与正常运输条件和运输事故条件下的载荷进行组合，用以对容器进行结构评价。

4.2.1 初始温度

容器初始温度分布应为稳定状态。正常运输条件和运输事故条件的初始温度，应考虑环境温度-40℃无太阳曝晒和环境温度38℃有太阳曝晒两种情况。太阳曝晒应符合GB11806的要求。运输事故条件中的耐热试验工况无需考虑低温初始条件。

4.2.2 衰变热

初始条件还应考虑乏燃料组件的衰变热。大衰变热通常应在环境温度较高的情况下叠加，并应考虑GB11806中的太阳曝晒要求，低温情况下通常可不考虑衰变热。

4.2.3 容器内压

4.2.3.1 容器内压应与其他初始条件合理组合。小内压应为大气压力，对于小于大气压力的设计，内压取值应为负值。

4.2.3.2 对于商用核电站的乏燃料，应考虑乏燃料组件内所有气体释放的情况用以确定容器大内压（容器内压主要取决于以下几个因素：容器内回充惰性气体的压力，容器温度分布以及乏燃料包壳内所有气体的泄漏）。

4.2.4 装配应力

评价容器时，应考虑容器装配和安装过程（包括连接、成形、装配和校形等）中产生的应力。若未采取后续措施消除这些应力，则应在确定容器大应力时考虑这些应力。（装配是指容器主要部件的组装：包括内筒体、γ屏蔽层、外筒体等，但不包括单个部件的制造。因此，装配应力应包括由过盈配合引起的应力和铅凝固过程造成边界收缩导致的应力，但不包括由板材成形、焊接等引起的残余应力）。装配前应认为无应力状态。

4.2.5 其它

本标准给出了对结构评价产生影响的初始条件的大值和小值。如果上述条件在结构分析中并不是严苛情况，则还应合理考虑除上述大值和小值的其他初始条件。

4.3 正常运输条件下的载荷组合

正常运输条件下的载荷应依据4.2节中规定的初始条件按照表1进行组合。在对乏燃料运输容器进行结构分析时，以下载荷应单独考虑，不需相互叠加。

4.3.1 受热

应考虑容器在环境温度为38℃的静止空气和GB11806中规定的太阳曝晒的条件。如运输容器具有机械辅助冷却系统，在受热条件下结构评价时应认为该系统失效。

4.3.2 受冷

应考虑容器在环境温度为-40℃的静止空气中且无太阳曝晒的条件。同时应考虑容器无内部热载荷和小内压的情况，也应考虑冷却剂结冰的可能性及其影响。

4.3.3 外压增加