标准集团解读HJ 1201-2021 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，其新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。

GB 11806 放射性物品安全运输规程

GB 150 压力容器

GB/T 229 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法

GB/T 4161 金属材料 平面应变断裂韧度 KIC 试验方法

GB/T 5482金属材料动态撕裂试验方法

GB/T 6803铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法

GB/T 8363钢材 落锤撕裂试验方法

GB/T 21143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-ductility transition temperature

按照落锤试验标准方法进行试验时，落锤试样断裂时的高温度，用 TNDT 表示。

3.2

断裂韧度 fracture toughness

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 dynamic fracture toughness

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 stress intensity factor

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 yield strength

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 dynamic yield strength

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 net section stress

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GB 11806 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：

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 GB 11806 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低使用温度（-40 ℃）的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 GB 150 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大应力理论，控制应力是主应力。第 7 章中应力分析可参照本条执行。

6.3.2 公称壁厚小于 100 mm 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。

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