ICS 27.120.10 F 61 DB34 安 徽 省 地 方 标 准 DB 34/T 3574.5—2019 聚变装置铁磁性系统结构设计准则 第 5 部分：3Sm 规则 Structural design criteria of ferromagnetic system for fusion device Part 5: 3Sm rule 文稿版次选择 2019 - 12 - 25 发布 安徽省市场监督管理局 2020 - 01 - 25 实施 发 布 DB34/T 3574.5—2019 前 言 《聚变装置铁磁性系统结构设计准则》分为以下 8 个部分： ——第1部分：总体设计； ——第2部分：包层系统； ——第3部分：偏滤器系统； ——第4部分：管林系统； ——第5部分：3Sm规则； ——第6部分：疲劳寿命评判方法； ——第7部分：制造与检测； ——第8部分：辐射屏蔽。 本部分为第5部分。 本部分按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。 本部分由中国科学院等离子体物理研究所提出。 本部分由安徽省核聚变工程技术及应用标准化技术委员会归口。 本部分起草单位：中国科学院等离子体物理研究所、深圳大学、安徽省质量和标准化研究院。 本部分主要起草人：卯鑫、雷明准、徐淑玲、马学斌、尹洲、赵平辉、李纯元、汪键、陈洁鹤。 I DB34/T 3574.5—2019 聚变装置铁磁性系统结构设计准则 第 5 部分：3Sm 规则 1 范围 本部分规定了聚变装置铁磁性系统结构设计 3Sm 规则的术语和定义、基本功能以及判定规则等。 本部分适用于评价聚变装置铁磁性部件在弹性分析时的最大应力是否满足要求。 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，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 228.1-2010 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法 GB/T 4960.2-1996 核科学技术术语 第2部分：裂变反应堆 3 术语和定义 GB/T 228.1-2010 和 GB/T 4960.2-1996 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。为了便于使用， 以下重复列出 GB/T 228.1-2010 和 GB/T 4960.2-1996 中的一些术语和定义。 3.1 弹性分析法 elastic analysis method 在结构分析中应用连续、均匀和各向同性假设，视构件为理想弹性体，完全不考虑材料的塑性，计 算直接采用结构力学的方法进行，通过最不利荷载组合下弯矩和剪力包络图的绘制，获取结构控制截面 最大内力进行截面设计。 3.2 屈服强度 yield strength 当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。应区分上屈服强 度和下屈服强度。 3.2.1 上屈服强度 upper yield strength 试样发生屈服应力首次下降前的最大应力。 3.2.2 下屈服强度 lower yield strength 在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力。 1 DB34/T 3574.5—2019 [GB/T 228.1-2010，定义3.10.2] 3.3 棘轮效应 ratchetting 由于反应堆功率升降的反复，包壳的变形因燃料芯体反复膨胀而逐渐增大的现象。 [GB/T 4960.2-1996，定义3.178] 3.4 中子通量密度 neutron flux density 单位时间内进入以空间某点为中心的适当小球体的中子数除以该球体的最大截面积所得的商。 [GB/T 4960.2-1996，定义3.74] 3.5 许用一次薄膜应力强度 allowable primary membrane stress intensity ( S m ) 与温度 T 和中子通量密度 t 有关的一次薄膜应力强度，其值为表1 中除螺栓外金属材料特性的 最小值。 表1 辐照下不同材料的 Sm 值 除退火奥氏体不锈钢材料的其他材料 退火奥氏体不锈钢 1 Su ,min  RT , 0  3 1 Su ,min T , 0  2.7 1 Su ,min T , t  2.7 2 S y,min  RT , 0  3 2 S y,min T , 0  3 2 S y,min T , t  3 1 Su ,min  RT , 0  3 1 Su ,min T , 0  3 1 Su ,min T , t  3 2 S y,min  RT , 0  3 0.90 S y,min T , 0  0.90 S y,min T , t  材料在辐照和未辐照条件下上表中的值是不同的。 对于螺栓、双头螺柱、螺钉、垫圈、铆钉以及密封接头垫圈等，辐照下许用应力强度 Sm 是下列值的最小值： ——室温下最小屈服强度的 1/3； ——该温度下最小屈服强度的 1/3。 附录A 中为紧固件在未受辐照时的Sm值，同时假设聚变装置中的紧固件处于中子通量很低、屈服强度受辐射影响很 小的地方。如果在使用寿命的最后阶段由预期的中子通量造成的屈服强度的降低大于 5％，Sm的值也要相应的减小。 注1： S y --材料的屈服强度； 2 DB34/T 3574.5—2019 注2： Su --材料的极限抗拉强度； 注3： T --温度； 注4： RT --室温； 注5： t --中子通量。 3.6 3Sm 规则 3Sm rule 忽略热蠕变、辐照、初始及残余应力时的弹性分析中，内部部件结构最大应力应满足的规则。 4 基本功能 根据最大热应力判断第一壁铁磁性材料部件在承受循环载荷时是否发生棘轮效应。 5 5.1 判定规则 在每个运行阶段，适用下列公式评估解耦所有点的渐进变形。 Max( PL  Pb )  [ P  Q] max  3S m (Tm ,  tm ) ........................... (1) 式中： PL —— 局部一次薄膜应力强度，单位为 MPa； Pb —— 一次弯曲应力强度,单位为 MPa； [ P  Q ]max —— 5.2 循环一次应力与二次应力强度之和的最大值，单位为 MPa。 在一次应力为常量时，上述公式又可表述为： Max( PL  Pb )   Q max  3S m (Tm ,  tm ) ............................. (2) 式中： Q max ——厚度方向上二次应力强度的最大值，单位为 MPa。 Sm —— 许用一次薄膜应力强度，单位为 MPa。 注：遵循该规则，即经过若干装置循环工况，整体永久塑性应变是恒定的，应力保持在弹性范围内。该规则应用起 来简单,但如果预期的负载循环次数很低，那么它就过于保守，因为它不考虑（非棘轮）循环塑性的可能性。 5.3 循环塑性准则，由下列公式表述为： 1  0  X  0.5 Y  .................................. (3) X  Y  4 1  X  0.5  X  1  式中： X —— 一次应力参数； 3 DB34/T 3574.5—2019 Y —— 二次应力参数。  P PL  b  K X   S y ...................................... (4)   Q  Y Sy  式中： PL : 一次薄膜应力强度，单位为 MPa； Pb : 一次弯曲应力强度，单位为 MPa； K : 弯曲形状因子； Q : 循环二次应力强度，单位为 MPa； Sy : 屈服强度，单位为 MPa。 注：该规则保证结构在材料的循环塑性以内，表明结构材料可继续使用，参见附录B。 4 DB34/T 3574.5—2019 AA 附 录 A （资料性附录） 紧固件在未受辐照时的 S m 值 A.1 用于密封接头的紧固件规则 在任何温度下的设计应力强 Sm是下表A.1中的最小值。 表A.1 用于密封接头的 Sm 值 除退火奥氏体不锈钢材料的其他材料 退火奥氏体不锈钢 1 S y,min  RT , 0  3 1 S y,min T , 0  3 1 S y,min  RT , 0  3 1 S y,min T , 0  3 注1： S y ——材料的屈服强度； 注2： T ——温度； 注3： RT ——室温。 A.2 用于结构接头的紧固件规则 在任何温度下的设计应力强度 Sm 是下表A.2中的最小值。 表A.2 用于结构接头的 Sm 值 除退火奥氏体不锈钢材料的其他材料 退火奥氏体不锈钢 1 Su ,min  RT , 0  3 1 Su ,min T , 0  2.7 2 S y,min  RT , 0  3 2 S y,min T , 0  3 1 Su ,min  RT , 0  3 1 Su ,min T , 0  3 2 S y,min  RT , 0  3 2 S y,min T , 0  3 注1： Su ——材料的极限抗拉强度； 注2： S y ——材料的屈服强度； 注3： T ——温度； 注4： RT ——室温。 5 DB34/T 3574.5—2019 BB 附 录 B （资料性附录） 材料拉伸分区图 图中： E —— 弹性区域； S1 —— 弹性崩塌1区； S2 —— 弹性崩塌2区； P —— 循环塑性区域； R1 —— 棘轮效应1区； R2 —— 棘轮效应2区。 图B.1 材料拉伸分区图 _________________________________ 6