Forschungsvorhaben zu Untersuchungen von Ermüdungsbewertungen an Komponenten in LWR

Abstract

Der vorliegende Abschlussbericht zum Vorhaben 4723R01255 befasst sich mit der Ermüdungsbewertung von Komponenten gemäß des deutschen (KTA), US-amerikanischen (ASME) und französischen (RCC-M) Regelwerkes. Die Ermüdung wird dabei als lokaler, zyklisch-plastischer Verformungsprozess mit einer Komponentenlebensdauer bis zur Anrissbildung betrachtet. Der Fortschritt der Ermüdung wird als Erschöpfungsgrad nach der Palmgren-Miner-Regel erfasst. Ein Wert unter Eins kennzeichnet hierbei eine anrissfreie Komponente. Ein zentraler Aspekt der Untersuchung ist der Einfluss der Umwelt auf die Materialermüdung. Während sich alle drei Regelwerke bei der Berechnung des Umwelteinflussfaktors grundsätzlich auf den US-amerikanischen Bericht NUREG/CR-6909 stützen, unterscheiden sie sich in der regulatorischen Umsetzung. Das deutsche KTA-Regelwerk definiert eine Aufmerksamkeitsschwelle des Erschöpfungsgrades von 0,4, ab der zusätzliche Überwachungsmaßnahmen greifen und Umwelteinflussfaktoren zu berücksichtigen sind. Dagegen bezieht das US-amerikanische Regelwerk und das französische RCC-MRegelwerk den Umwelteinflussfaktor direkt in die Erschöpfungsberechnung ein, wobei im französischen Regelwerk der Umwelteinflussfaktor erst nach einem Schwellenwert von 3 in der Erschöpfungsberechnung berücksichtigt wird. Die Berechnung des Erschöpfungsgrades gemäß dieser drei untersuchten Regelwerke auf einen Rohrbogen der Hilfssprühleitung im Kernkraftwerk Neckarwestheim (GKN-2) zeigt Unterschiede des Erschöpfungsgrades: Die Bewertung nach dem ASME-Code fällt durch die Berücksichtigung des Umwelteinflussfaktors am konservativsten aus, gefolgt vom KTA- und dem RCC-M- Regelwerk. Ab der Aufmerksamkeitsschwelle des Erschöpfungsgrades von 0,4 ist jedoch für die Auswertung nach KTA der konservativste Erschöpfungsgrad infolge der Berücksichtigung des Umwelteinflussfaktors zu erwarten. Die Auswertung des Berechnungsbeispiels verdeutlicht, dass thermische Lasten mit etwa 84 % den Hauptanteil der Erschöpfung ausmachen. Eine Abweichung von 16 % beim CUF-Faktor zwischen normbasierten Berechnungen und der FEM-Analyse des Beitrags zum thermischen Lastbeitrag bestätigt den konservativen, sicherheitsorientierten Charakter der untersuchten Normen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Regelwerke trotz identischer Methodik den Medieneinfluss unterschiedlich gewichten, was zu voneinander abweichenden, aber stets konservativen Ergebnissen führt. This report of the project 4723R01255 presents a comparative fatigue assessment of components performed in accordance with German (KTA), US (ASME), and French (RCC-M) regulatory standards. Fatigue is regarded here as a local, cyclic-plastic deformation process with a component service life extending up to the formation of cracks. The progression of fatigue is recorded as the cumulative usage factor CUF, according to the Palmgren-Miner rule; a value below one indicates a crack-free component. A central aspect of this investigation is the influence of the environment on material fatigue. Whilst all three codes fundamentally rely on the US report NUREG/CR-6909 for the calculation of the environmental influence factor, they differ in their regulatory implementation. The German KTA code sets a CUF threshold of 0.4 for implementing monitoring and environmental factors. In contrast, the US code integrates environmental influences directly into the fatigue calculation, while the French RCC-M code only does so once a threshold of 3 is exceeded. Fatigue calculations performed on an auxiliary spray line elbow at the Neckarwestheim nuclear power plant (GKN-2) reveal distinct levels of cumulative usage factors across the three codes. Due to the immediate integration of environmental influence factors, the ASME Code initially yields the most conservative results, followed by KTA- and RCC-Mregulation. However, once the awareness threshold of 0.4 is reached, the KTA is expected to become the most conservative, as the subsequent inclusion of environmental factors significantly increases the calculated fatigue usage. A 16% deviation in the CUF factor between code-based calculations and FEM analysis of the thermal load contribution confirms the conservative, safety-oriented nature of the investigated codes. In summary, it can be stated that, despite using identical methods, the codes weigh the influence of the medium differently, leading to results that differ from one another.