HJ 1201-2021 放射性物品运输容器防脆性断裂的安全设计指南

中华人民共和国国家生态环境标准HJ1201—2021放射性物品运输容器防脆性断裂的安全设计指南Guidelinesforthesafedesignofpackagingforradioactivematerialagainstbrittlefracture本电子版为正式标准文本，由生态环境部环境标准研究所审校排版。2021-11-13发布2021-12-01实施生态环境部发布HJ1201—2021i目次前言.................................................................................................................................................................ii1适用范围........................................................................................................................................................12规范性引用文件.............................................................................................................................................13术语和定义....................................................................................................................................................14防脆性断裂设计方法的选取.........................................................................................................................25防脆性断裂评价免除条件.............................................................................................................................26用无塑性转变温度等材料韧性指标评价铁素体钢的方法.........................................................................27利用断裂力学理论评价抗断裂性能的方法.................................................................................................6HJ1201—2021ii前言为贯彻《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国放射性污染防治法》《中华人民共和国核安全法》，防治放射性污染，保障人体健康，保护生态环境，规范放射性物品运输容器防脆性断裂的安全设计工作，制定本标准。本标准规定了放射性物品运输容器的防脆性断裂安全设计评价方法，是与《放射性物品安全运输规程》（GB11806）相配套的标准。本标准为首次发布。本标准由生态环境部辐射源安全监管司、法规与标准司组织制订。本标准起草单位：中机生产力促进中心、中国核电工程有限公司。本标准由生态环境部2021年11月13日批准。本标准自2021年12月1日起实施。本标准由生态环境部解释。HJ1201—20211放射性物品运输容器防脆性断裂的安全设计指南1适用范围本标准规定了放射性物品运输容器防脆性断裂的安全设计评价方法。本标准适用于铁素体钢、奥氏体不锈钢、球墨铸铁等金属材料制造的放射性物品运输容器包容系统的防脆性断裂设计，非包容系统的防脆性断裂设计可参照执行。2规范性引用文件本标准引用了下列文件或其中的条款。凡是注明日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本标准。凡是未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。GB11806放射性物品安全运输规程GB150压力容器GB/T229金属材料夏比摆锤冲击试验方法GB/T4161金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法GB/T5482金属材料动态撕裂试验方法GB/T6803铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法GB/T8363钢材落锤撕裂试验方法GB/T21143金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。3.1无塑性转变温度nil-ductilitytransitiontemperature按照落锤试验标准方法进行试验时，落锤试样断裂时的最高温度，用TNDT表示。3.2断裂韧度fracturetoughness通常指准静态单一加载条件下的裂纹扩展阻力的通用术语，用KIc表示。3.3动态断裂韧度dynamicfracturetoughness表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是度量材料在动态加载下韧性好坏的一个定量指标，用KId表示。3.4应力强度因子stressintensityfactor均匀线弹性体在特定的裂纹扩展类型下理想裂纹尖端应力场的幅值，用K表示。3.5屈服强度yieldstrength当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间发生塑性变形而力不增加时的应力。应区分上屈服强度和HJ1201—20212下屈服强度。上屈服强度用ReL表示，下屈服强度用ReH表示。屈服强度通常是指准静态加载速率下测得的下屈服强度。3.6动态屈服强度dynamicyieldstrength动态加载速率（如冲击）下测得的屈服强度，用σyd表示。3.7净截面应力netsectionstress净截面上的平均应力。净截面等于总体截面（毛截面）减去截面中孔洞面积。4防脆性断裂设计方法的选取4.1为满足运输容器在GB11806规定的正常运输条件和运输事故条件下放射性物品运输的安全要求，限制外部辐射，确保对放射性物品的包容，并防止核临界，放射性物品运输容器在货包设计时应防止脆性断裂。4.2设计者可选用下述任何一种方法进行防脆性断裂设计评价：第一种方法为通过选用材料免除防脆性断裂评价，其免除条件为选用在要求的使用温度范围内（包括低至-40℃）能够保持延性和韧性比较高的材料。第二种方法为通过测试无塑性转变温度等材料韧性指标评价铁素体钢的抗断裂性能。第三种方法为利用断裂力学理论评价结构的抗断裂性能。前两种方法是仅基于材料试验要求的准则，需证明某些材料参数（如冲击吸收能量）若不低于其许用值，则该材料具有良好的韧性。第三种方法基于断裂力学方法，适用于所有材料，需证明计算的运输容器包容系统的应力强度因子与测定的材料断裂韧度之间存在足够的裕度。4.3在实际工作中可以采用其他的替代方法，但应论证其合理性。5防脆性断裂评价免除条件5.1设计选用材料时，选用在GB11806规定的正常运输条件和运输事故条件下，在要求的使用温度范围内（包括低至-40℃）能够保持较高延性和韧性的材料，例如奥氏体不锈钢，可免除防脆性断裂评价。5.2对铸造奥氏体不锈钢，不能免除其防脆性断裂评价，需通过6.2所述的力学试验证明其具有足够的延性和断裂韧性。6用无塑性转变温度等材料韧性指标评价铁素体钢的方法6.1概述确定无塑性转变温度的基础是确定某一温度，在此温度下进行标准落锤试验时，焊接接头处不会出现脆性断裂。6.2提供了基于冲击吸收能量或侧膨胀值评价铁素体钢的方法，6.3提供了基于无塑性转变温度评价铁素体钢的方法，可采用任意一种。本方法适用于运输容器用母材的评价，也适用于焊缝和热影响区的评价。6.2用冲击吸收能量或侧膨胀值作为验收指标的评价方法对于铁素体钢（含螺栓），已建立大量的冲击吸收能量（夏比V型缺口冲击试验）与断裂韧度关系的数据库，冲击吸收能量可作为材料韧性的间接指标。其基础是确定无塑性转变温度方法，验收准则是HJ1201—20213在规定温度下夏比V型缺口冲击试验测得的冲击吸收能量(或者侧膨胀值)大于标准规定的限值。在低温下的冲击吸收能量限值可参考相应的标准，温度应至少包括要求的使用温度范围（包括低至-40℃）。6.3用无塑性转变温度作为验收指标的评价方法6.3.1评价基础本章规定了不同货包级别和不同截面厚度铁素体钢应满足的断裂韧性评价准则。准则要求材料的无塑性转变温度与事故条件下最低使用温度（-40℃）的最小温度差是截面厚度的函数。该温度差是以无塑性转变温度与断裂韧度的关系为基础。6.3适用于B型货包包容系统的防脆性断裂评价，C型货包可参照B型货包Ⅰ级进行评价，B型或C型货包之外的其他货包可参照B型货包Ⅲ级进行评价，也可按照GB150等其他标准评价。B型货包Ⅰ级包容系统对组合应力采用的失效理论是最大剪应力理论，控制应力是应力强度；B型货包Ⅱ级、Ⅲ级包容系统对组合应力采用的失效理论是最大应力理论，控制应力是第一主应力。第7章中应力分析可参照本条执行。6.3.2公称壁厚小于100mm的铁素体钢评价准则根据货包装载放射性内容物活度水平的不同对B型货包进行了分级，分级原则见表1。Ⅰ级需要对包容系统的每个试样进行断裂韧性试验，评价结果应满足Ⅰ级的评价准则，参见表2；Ⅱ级和Ⅲ级可以进行试验或者参考相应标准数据，评价结果应满足相应级别的评价准则，参见表3、表4。关键部件是指因断裂失效而导致运输容器包容系统穿透或破裂的部件。表1B型货包分级内容物形式Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级低比活度—超过1000TBq或超过3000A1或3000A2低于1000TBq并且低于3000A1或3000A2特殊形式超过3000A1或者超过1000TBq在30A1和3000A1之间并且不超过1000TBq低于30A1并且低于1000TBq一般形式超过3000A2或者超过1000TBq在30A2和3000A2之间并且不超过1000TBq低于30A2并且低于1000TBq注：A1为对特殊形式放射性物品的活度限值；A2为对所有其他放射性物品的活度限值。表2I级的评价准则壁厚B/mm断裂韧性验收准则16≤B＜100依据GB/T6803测得的无塑性转变温度TNDT必须低于图1中确定的TNDT限值；此外，如果材料的屈服强度Rp0.2≥485MPa，还需满足以下要求：试样厚度16mm，在上平台温度下，动态撕裂试验（GB/T5482）结果应满足：动态撕裂能DT＞540J；或在上平台温度下，夏比V型缺口冲击试验（GB/T229）结果应满足：冲击吸收能量KV8＞61J。5≤B＜16在最低使用温度（LST）下，动态撕裂试验（GB/T5482）结果应满足：纤维断面率≥80%；或在最低使用温度（LST）下，落锤撕裂试验（GB/T8363）结果应满足：剪切面积百分数SA%≥80%。注：LST为最低使用温度（-40℃），是运输容器用金属的最低温度，下文所涉及的LST与此相同。HJ1201—20214表3Ⅱ级的评价准则壁厚B/mm断裂韧性验收准则16≤B＜100全速加载下，依据GB/T6803测得的无塑性转变温度TNDT必须低于图2中曲线1或图3中KⅠD/σyd-A曲线1确定的TNDT限值；减速加载下，依据GB/T6803测得的无塑性转变温度TNDT必须低于图2中曲线2、曲线3或图3中曲线2、曲线3确定的TNDT限值。5≤B＜16在最低使用温度（LST）下，动态撕裂试验（GB/T5482）结果应满足：纤维断面率≥50%；或在最低使用温度（LST）下，落锤撕裂试验（GB/T8363）结果应满足：剪切面积百分数SA%≥50%；或使用细晶正火钢或韧性更好的钢材，无需进行断裂韧性测试。B＜5B小于5mm时，无要求。注：全速加载即为不使用减震装置(如减震器)情况下的加载；减速加载即为使用减震装置降低加载