| 标准编号 | HJ 1201-2021 (HJ1201-2021) | | 中文名称 | | | 英文名称 | (Safety Design Guidelines for the Prevention of Brittle Fracture in the Transport Containers of Radioactive Materials) | | 行业 | 环保行业标准 | | 字数估计 | 12,158 | | 发布机构 | 生态环境部 | HJ 1201-2021: 放射性物品运输容器防脆性断裂的安全设计指南
HJ 1201-2021 英文名称: (Safety Design Guidelines for the Prevention of Brittle Fracture in the Transport Containers of Radioactive Materials)
中华人民共和国国家生态环境标准
放射性物品运输容器防脆性断裂的安全
设计指南
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
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。
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。
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：
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 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(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 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 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。
7.4.1 一般步骤
评价过程按照以下步骤开展：
a） 在运输容器关键部位和垂直于最大主应力的方向假设一个参考缺陷；
b） 计算 GB 11806 中规定的正常运输条件和运输事故条件下力学试验中的运输容器应力，并确保
已考虑要求的各种载荷组合；
c） 计算参考裂纹尖端的应力强度因子；
d） 确定在运输容器可能承受的加载速率下材料断裂韧度的下限值；
e） 在相关的载荷条件下，计算所施加的净截面应力与屈服强度的比值；
f） 应力强度因子和材料断裂韧度之间的安全裕度，以及所受应力和屈服强度之间的安全裕度，应
确保不会因 GB 11806 中规定的力学试验而导致不稳定的裂纹扩展或脆性断裂。
步骤 b）与步骤 f）也可采用力学试验的方法进行验证。
7.4.2 考虑因素
7.4.2.1 缺陷假设
本标准中提到了三种不同的缺陷尺寸：“参考缺陷尺寸”是用于分析的假定缺陷尺寸；“拒收缺陷尺
寸”是在役前检查中发现不满足质量控制要求的缺陷尺寸；“临界缺陷尺寸”是指在设计基准载荷条件
下将造成潜在不稳定扩展的缺陷尺寸。
无论是分析论证，还是试验验证，参考缺陷都应设置在运输容器包容系统的表面，该处应力在整个
包容系统上最大。如果运输容器承受循环载荷或脉动载荷，则应考虑在役疲劳裂纹扩展的可能性。当最
大应力的位置不确定时，需要多重论证。参考缺陷的方位应使通过计算或试验测试确定表面应力的最大
分量垂直于缺陷所在平面。参考缺陷尺寸应与体积检验灵敏度、检测不确定度、拒收缺陷尺寸以及临界
缺陷尺寸相适应。
参考缺陷形状应为半椭圆形，纵横比（即长度与深度之比）应为 6:1 或更大。参考缺陷在最大应力
方向的投影面积应大于役前检查时容器壁内典型缺陷拒收或修理的限值。当采用人造缺陷进行试验验证
时，人造缺陷的尖端应尽可能呈类裂纹状，并且具有被运输容器设计者证实且被主管部门接受的参考裂
纹尖端锐度。对于球墨铸铁，推荐裂纹尖端的圆角半径不大于 0.1 mm。
铁素体钢的参考缺陷尺寸见表 6。在确保缺陷可检出并保证一定安全裕度的前提下可以假定更小的
缺陷尺寸用于评价。
7.4.2.2 无损检验
运输容器设计时应选择适当的无损检验方法，按照标准的程序进行表面检验和体积检验。表面检验
可采用磁粉检验、液体渗透检验或涡流检验；体积检验可采用射线检验或超声波检验。如果使用参考缺
陷概念和基于断裂力学的方法，则运输容器的设计者必须证明规定的无损检验方法具有足够的灵敏度，
以保证能够检测到任何此类缺陷。
设计者应考虑缺陷萌生或扩展的可能性和可能的在役材料退化，以确定定期无损检验的要求。
7.4.2.3 应力计算或测试
参考缺陷尖端的应力强度因子的计算都应基于关键部件中的最大拉应力。应力应通过对无缺陷运输
容器的计算来确定。该应力是无缺陷运输容器中缺陷位置处由于外力作用所引起的应力，称为名义应力。
如果采用有限元分析方法，有限元模型必须调整到关键区域的每个检测点和姿态都能给出精确的结果。
当应力场是从表面应变测试（比例模型或全尺寸运输容器的性能试验）中推断所得，则推断出的应力场
也应该证明是合理的。当应变测试仪用于应力集中区域时，应考虑到测点布置误差或应变计长度影响可
能造成的测量误差。
使用动力学有限元分析应满足以下条件：
a） 计算机程序能够分析冲击事件；
b） 使用可靠或保守的力学性能参数；
c） 模型精确或经过保守的简化。
从测试结果推导应力时，应考虑测试仪特性、测试位置和数据转换的合理性。
应力评价还需考虑材料的动态特性和结构特性。
7.4.2.4 断裂韧度的确定
材料断裂韧度的确定方法应从图 4 所示的三个选项中选择。
选项 1 应是通过测试-40 ℃下特定材料断裂韧度确定的最小值。它代表了从材料供应商提供有限数
量的试样并在适当的加载速率和几何约束条件下获取一组有统计意义的数据。对特定运输容器，试样应
当具有代表性。
选项 2 应根据材料断裂韧度的下限值确定。作为一种极限情况，该选项包含标准中规定的铁素体钢
断裂韧度的测试。下限值可以建立在静态、动态和止裂断裂韧度合成数据的基础上。可以通过参考下限
（或接近下限）曲线来简化材料的测试程序。适量的......
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