This paper provides a simple method by which to estimate the cross-section stress profiles for nozzles designed according to ASME Code Section III. Further, this method validates the effectiveness of earlier work performed by the authors on standard nozzles. The method requires only the geometric information of the pressure vessel and the attached nozzle. A PWR direct vessel injection nozzle, a PWR outlet nozzle, a PWR inlet nozzle and a BWR recirculation outlet nozzle are selected based on their corresponding specific designs, e.g., a varying nozzle radius, a varying nozzle thickness and an outlet nozzle boss. A cross-section stress profile comparison shows that the estimates are in good agreement with the finite element analysis results. Differences in stress intensity factors calculated in accordance with ASME BPVC Section XI Appendix G are discussed. In addition, a change in the dimensions of an alternate nozzle design relative to the standard values is discussed, focusing on the stress concentration factors of the nozzle inside corner.
US NRC issued rulemaking of 10CFR50.55a to perform the Perservice and Inservice inspection for Reactor Vessel Head Penetration Nozzle of US Nuclaer plant. The rulemaking was required the EPRI Demonstration to verify the NDE technique performing special Ultrasonic examination. In order to meet this requirement, the UT and ECT procedures was demonstrated and the NDE personnel were qualified by EPRI. In this paper, the NDE technique and analysis method are described the Preservice inspection for the Palo Verde #1/2/3 Replacement Reactor Vessel Head Penetration Nozzle using the qualified procedures and personnel.
Kim, Jong-Sung;Seo, Jun-Min;Kang, Ju-Yeon;Jang, Youn-Young;Lee, Yun-Joo;Kim, Kyu-Wan
Nuclear Engineering and Technology
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제54권5호
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pp.1726-1746
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2022
This paper presents fracture mechanics analysis results for various cracks located at pressurized water reactor pressure vessel nozzle crotch corners taking into consideration constraint effect. Technical documents such as the ASME B&PV Code, Sec.XI were reviewed and then a fracture mechanics analysis procedure was proposed for structural integrity assessment of various nozzle crotch corner cracks under normal operation conditions considering the constraint effect. Linear elastic fracture mechanics analysis was performed by conducting finite element analysis with the proposed analysis procedure. Based on the evaluation results, elastic-plastic fracture mechanics analysis taking into account the constraint effect was performed only for the axial surface crack of the reactor pressure vessel outlet nozzle with cladding. The fracture mechanics analysis result shows that only the axial surface crack in the reactor pressure vessel outlet nozzle has the stress intensity factor exceeding the low bound of upper-shelf fracture toughness irrespectively of considering the constraint effect. It is confirmed that the J-integral for the axial crack of the outlet nozzle does not exceed the ductile crack initiation toughness. Hence, it can be ensured that the structural integrity of all the cracks is maintained during the normal operation.
The fatigue strength of the welds is affected by such factors as the weld geometry, microstructures, tensile properties and residual stresses caused by fabrication. It is very important to evaluate the structural integrity of the welds in nuclear power plant because the weldment undergoes the most of damage and failure mechanisms. In this study, the fatigue assessments for a reactor vessel outlet nozzle with the weldment to the piping system are performed considering the welding residual stresses as well as the effect of local brittle zone in the vicinity of the weld fusion line. The analytical approaches employed are the microstructure and mechanical properties prediction by semi-analytical method, the thermal and stress analysis including the welding residual stress analysis by finite element method, the fatigue life assessment by following the ASME Code rules. The calculated results of cumulative usage factors(CUF) are compared for cases of the elastic and elasto-plastic analysis, and with or without residual stress and local brittle zone effects, respectively. Finally, the fatigue life of reactor vessel outlet nozzle weld is slightly affected by the local brittle zone and welding residual stresses.
This study was performed to investigate the effect of ultrasonic nano crystal surface modification (UNSM) on residual stress mitigation after Weld Inlay repair for butt dissimilar metal weld with Alloy 82/182 in reactor vessel In/Outlet nozzle. As-welded and Weld Inlay specimens were made in accordance with design standard of ASME Code Case N-766, and two planes of their weld specimens were peened by the optimum UNSM process condition. Peening characteristics for weld specimens after UNSM treatment were evaluated by surface roughness and Vickers hardness test. And, residual stress for weld specimens developed from before and after UNSM treatment was measured and evaluated by instrumented indentation technique. Consequently, it was revealed that the mitigation of residual stress in weld metal after Weld Inlay repair of reactor vessel In/Outlet nozzle could be possible through UNSM treatment.
The purpose of this paper is to determine a two dimensional axisymmetric model through a comparative study between a three dimensional and an axisymmetric finite element analysis of the reactor coolant piping nozzle subject to internal pressure. The finite element analysis results show that the stress adopting the axisymmetric model with the radius of equivalent spherical vessel are well agree with that adopting the three dimensional model. The the radii of equivalent spherical vessel are 3.5 times and 7.3 times of the radius of the reactor coolant piping for the safety injection nozzle and for the residual heat removal nozzle, respectively.
Actual stress distributions in the nozzle of a pressure vessel may not be in plane strain condition, implying that the crack-tip constraint condition may be relaxed in the nozzle. In this paper, a methodology for evaluating the fracture toughness of the ASME Code is presented considering the relaxation of the constraint effect in the nozzle of the reactor pressure vessel. The crack-tip constraint effect is quantified by the T-stress. The equation, which represent the relation between the fracture toughness in the lower constraint condition and the plane strain fracture toughness, is derived using the T-stress. This equation is similar to the method for evaluating the fracture toughness of the Master Curve for low constraint conditions. As a result of evaluating the fracture toughness considering the constraint effect in the reactor inlet, outlet and direct injection nozzles using the proposed equation, it was confirmed that the fracture toughness in the nozzles is higher than the plane strain fracture toughness. Applying the proposed evaluation methodology, it is possible to reflect the relaxation of the constraint effect in the nozzles of the reactor pressure vessel, therefore, the safe operation area on the pressure-temperature limit curve can be prevented from being excessively limited.
Jeong, Si-Hwa;Chung, Kyung-Seok;Ma, Wan-Jun;Yang, Jun-Seog;Choi, Jae-Boong;Kim, Moon Ki
Nuclear Engineering and Technology
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제54권6호
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pp.2188-2197
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2022
To ensure the safety margin of a reactor pressure vessel (RPV) under normal operating conditions, it is regulated through the pressure-temperature (P-T) limit curve. The stress intensity factor (SIF) obtained by the internal pressure and thermal load should be obtained through crack analysis of the nozzle corner crack in advance to generate the P-T limit curve for the nozzle. In the ASME code Section XI, Appendix G, the SIF via the internal pressure for the nozzle corner crack is expressed as a function of the cooling or heating rate, and the wall thickness, however, the SIF via the thermal load is presented as a polynomial format based on the stress linearization analysis results. Inevitably, the SIF can only be obtained through finite element (FE) analysis. In this paper, simple prediction equations of the SIF via the thermal load under, cool-down and heat-up conditions are presented. For the Korean standard nuclear power plant, three geometric variables were set and 72 cases of RPV models were made, and then the heat transfer analysis and thermal stress analysis were performed sequentially. Based on the FE results, simple engineering solutions predicting the value of thermal SIF under cool-down and heat-up conditions are suggested.
Direct safety injection into the reactor vessel downcomer annulus(DVI) is a fundamental feature of the KNGR(Korean Next Generation Reactor) four-train safety injection system. The numerical analysis of thermal mixing of ECC(Emergency Core Cooling) water through DVI with the water in the RVDC(Reactor Vessel Downcomer) annulus has been performed, in order to study the impact of nozzle location on the pressurized thermal shock and safety analysis. The results of this study show that the thermal mixing due to the natural circulation induced by the limiting accident conditions is sufficient to prevent temperature in the RVDC from dropping to the level of concern for PTS. When the DVI nozzle is located right above the cold leg, the temperature distribution at the outlet of flow field is most uniform. The tool used for numerical analysis is CFDS-FLOW3D.
This study addresses cracks and fracture problems in engineering structures that may cause significant challenges and safety concerns, with a focus on pressure vessels in nuclear power plants. Comprehensive parametric three-dimensional mixed mode fracture analyses for inclined and deflected nozzle corner cracks with various crack shape aspect ratios and depth ratios in nuclear reactor pressure vessels are carried out. Stress intensity factor (SIF) solutions are obtained using FRAC3D, which is part of Fracture and Crack Propagation Analysis System (FCPAS), employing enriched finite elements along the crack front. Also, improved empirical equations are developed to allow the determination of mixed mode SIFs, KI, KII, and KIII, for any values of the parameters considered in the study. This study provides practical solutions to assess the remaining life and fail-safe conditions of nuclear reactors by providing accurate SIF determination.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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