Tae-Song Han;Hee-Jin Kim;Nam-Su Huh;Hyeong-Yeon Lee;Changheui Jang
Nuclear Engineering and Technology
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제56권9호
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pp.3764-3774
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2024
In accordance with Regulatory Guide 1.207, Rev.1, fatigue assessments must be conducted considering the influence of primary coolant environment in nuclear reactors. Environmental fatigue, resulting from corrosion in the primary coolant, is evaluated in air fatigue life assessments through the application of an environmental fatigue correction factor. This environmental fatigue correction factor depends on sulfur content, operating temperature, dissolved oxygen, and strain rate. It remains constant for sulfur content, operating temperature, and dissolved oxygen, while strain rate introduces potential errors based on the analysis method. The current fatigue evaluation procedure for air, following ASME B&PV Code Sec.III, NB-3200, employs elastic analysis with a simplified elastic-plastic correction factor(Ke). However, Ke factor is considered excessively conservative, prompting less conservative alternatives proposed by JSME, RCC-M, ASME Code Case N-779. This study applied both ASME Ke and JSME Ke for fatigue evaluations considering environmental effects. Additionally, fatigue assessments accounting for elastic-plastic effects were conducted using Neuber and Glinka methods, compared with actual experiments. The analysis systematically examined changes in fatigue life and the environmental fatigue correction factor due to plastic effects in environmental fatigue evaluations.
Nuclear power plants applying for the continued operation over design life are required to address the effects of reactor water environment in fatigue design requirement of the ASME Code. Reactor water environmental effects are generally evaluated by calculating fatigue correction factors on fatigue usage. This paper describes the application for pressurizer surge line of environmental fatigue correction factors and the strain rate impact in the application. From this paper, the environmental fatigue correction factors resulted from the assumption of a step change in temperature are especially compared with those calculated from the data measured during plant startup. As a conclusion of this paper, the design transient conditions applied to the fatigue design may be conservative in case of the environmental fatigue evaluation.
To define the effect of strain rate variation from 0.04% to 0.004%/s on environmental fatigue of CF8M cast stainless steel, which is used as a primary piping material in nuclear power plants, low-cycle fatigue tests were conducted at operating pressure and temperature condition of a pressurized water reactor, 15 MPa and $315^{\circ}C$, respectively. A high-pressure and high-temperature autoclave and cylindrical solid fatigue specimens were used for the strain-controlled low-cycle environmental fatigue tests. It was observed that the fatigue life of CF8M stainless steel is shortened as the strain rate decreases. Due to the effect of test temperature, the fatigue data of NUREG-6909 appears a slightly shorter than that obtained by KEPRI at the same stress amplitude of $1{\times}10^3$ MPa. The environmental fatigue correction factor $F_{en}$'s calculated with inputs of the test data increases with high strain amplitude, while the $F_{en}$'s of NUREG-6909 remain constant regardless of strain amplitude.
A detailed fatigue evaluation procedure was developed to mitigate the excessive conservativeness of the conventional environmental fatigue evaluation method for the pressurizer spray line elbow of domestic new nuclear power plants. The pressurizer spray line is made of austenitic stainless steel, which is relatively sensitive to the environmentally assisted fatigue, and has a low degree of design margin in terms of environmentally assisted fatigue due to the thermal stratification phenomenon on the pipe cross section as a whole or locally. In this study, to meet the environmental fatigue design requirements of the pressurizer spray line elbow, the new environmental fatigue evaluation has been performed, which used the ASME Code NB-3200-based detailed fatigue analysis and the environmental fatigue correction factor instead of the existing NB-3600 evaluation method. As a result, the design requirements for environmentally assisted fatigue were met in all parts of the pressurizer spray line elbow including the fatigue weakened zones by thermal stratification.
Low cycle fatigue behaviors of SA508-3 low-alloy steel were investigated in room-temperature air, high-temperature air and in light water reactor (LWR) water environments. The fatigue mean curve and design curve for the low-alloy steel are developed based on the fatigue data in room-temperature and high-temperature air. The environmental fatigue model for low-alloy steel is developed by the environmental fatigue correction factor (Fen) methodology based on the fatigue data in LWR water environments with the consideration of effects of strain rate, temperature, and dissolved oxygen concentration on the fatigue life.
If there is a water flow with a range of temperature inside a pipe, the wanner water tends to float on top of the cooler water because it is lighter, resulting in the upper portion of the pipe being hotter than the lower portion. Under these conditions, such thermal stratification can play an important role in the aging of nuclear power plant piping because of the stress caused by the temperature difference and the cyclic temperature changes. This stress can limit the lifetime of the piping, even leading to penetrating cracks. Investigated in this study is the effect of thermal stratification on the structural integrity of the pressurizer surge line, which is reported to be one of the pipes most severely affected. Finite element models of the surge line are developed using several element types available in a general purpose structural analysis program and stress analyses are performed to determine the response characteristics for the various types of top-to-bottom temperature differentials due to thermal stratification. Fatigue analyses are also performed and an allowable environmental correction factor is suggested.
Misaligned wind-wave and seismic loading render offshore wind turbines suffering from excessive bi-directional vibration. However, most of existing research in this field focused on unidirectional vibration mitigation, which is insufficient for research and real application. Based on the authors' previous work (Sun and Jahangiri 2018), the present study uses a three dimensional pendulum tuned mass damper (3d-PTMD) to mitigate the nacelle structural response in the fore-aft and side-side directions under wind, wave and near-fault ground motions. An analytical model of the offshore wind turbine coupled with the 3d-PTMD is established wherein the interaction between the blades and the tower is modelled. Aerodynamic loading is computed using the Blade Element Momentum (BEM) method where the Prandtl's tip loss factor and the Glauert correction are considered. Wave loading is computed using Morison equation in collaboration with the strip theory. Performance of the 3d-PTMD is examined on a National Renewable Energy Lab (NREL) monopile 5 MW baseline wind turbine under misaligned wind-wave and near-fault ground motions. The robustness of the mitigation performance of the 3d-PTMD under system variations is studied. Dual linear TMDs are used for comparison. Research results show that the 3d-PTMD responds more rapidly and provides better mitigation of the bi-directional response caused by misaligned wind, wave and near-fault ground motions. Under system variations, the 3d-PTMD is found to be more robust than the dual linear TMDs to overcome the detuning effect. Moreover, the 3d-PTMD with a mass ratio of 2% can mitigate the short-term fatigue damage of the offshore wind turbine tower by up to 90%.
파형강판은 보강재 없이 높은 전단 저항력을 가지며, 보강재를 생략함으로써 상부구조의 용접을 최소화하고 피로 성능을 향상시킨다. 이러한 장점으로 인하여 최근에 파형강판을 I-거더의 복부판으로 사용하려는 연구가 여러 연구자들에 의하여 수행되었다. 횡-비틂 좌굴은 I-거더를 설계함에 있어 주요한 설계인자이지만 불균일 모멘트와 같은 실제 하중이 작용하는 파형강판 I-거더의 횡-비틂 좌굴에 관한 연구는 현재 미흡한 실정이므로 이에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 파형강판 I-거더의 횡-비틂 좌굴 강도에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 선형 모멘트 구배가 작용하는 파형강판 I-거더의 탄성 횡-비틂좌굴 거동에 관한 연구를 유한요소해석을 통하여 수행하였다. 본 연구 결과, 파형강판 I-거의 탄성 횡-비틂 좌굴 거동은 파형강판의 파형 주기수에 따라 달라지는 것을 알 수 있었으며, 선형 모멘트 구배가 작용하는 파형강판 I-거더에 대한 모멘트 구배 수정 계수를 제안하였다. 이 후 비탄성 유한요소해석 결과와 일반 I-거더의 설계 방법을 이용하여 파형강판 I-거더의 비탄성 좌굴 강도에 관하여 연구를 수행하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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