中華人民共和國國家生態環境標準

HJ1201—2021

放射性物品運輸容器防脆性斷裂的安全

設計指南

Guidelinesforthesafedesignofpackagingforradioactivematerialagainst

brittlefracture

本電子版為正式標準文本，由生態環境部環境標準研究所審校排版。

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前言

為貫徹《中華人民共和國環境保護法》《中華人民共和國放射性污染防治法》《中華人民共和國核安

全法》，防治放射性污染，保障人體健康，保護生態環境，規范放射性物品運輸容器防脆性斷裂的安全

設計工作，制定本標準。

本標準規定了放射性物品運輸容器的防脆性斷裂安全設計評價方法，是與《放射性物品安全運輸規

程》（GB11806）相配套的標準。

本標準為首次發布。

本標準由生態環境部輻射源安全監管司、法規與標準司組織制訂。

本標準起草單位：中機生產力促進中心、中國核電工程有限公司。

本標準由生態環境部2021年11月13日批準。

本標準自2021年12月1日起實施。

本標準由生態環境部解釋。

ii

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放射性物品運輸容器防脆性斷裂的安全設計指南

1適用范圍

本標準規定了放射性物品運輸容器防脆性斷裂的安全設計評價方法。

本標準適用于鐵素體鋼、奧氏體不銹鋼、球墨鑄鐵等金屬材料制造的放射性物品運輸容器包容系統

的防脆性斷裂設計，非包容系統的防脆性斷裂設計可參照執行。

2規范性引用文件

本標準引用了下列文件或其中的條款。凡是注明日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本標準。

凡是未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本標準。

GB11806放射性物品安全運輸規程

GB150壓力容器

GB/T229金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法

GB/T4161金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法

GB/T5482金屬材料動態撕裂試驗方法

GB/T6803鐵素體鋼的無塑性轉變溫度落錘試驗方法

GB/T8363鋼材落錘撕裂試驗方法

GB/T21143金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法

3術語和定義

下列術語和定義適用于本標準。

3.1

無塑性轉變溫度nil-ductilitytransitiontemperature

按照落錘試驗標準方法進行試驗時，落錘試樣斷裂時的最高溫度，用TNDT表示。

3.2

斷裂韌度fracturetoughness

通常指準靜態單一加載條件下的裂紋擴展阻力的通用術語，用KIc表示。

3.3

動態斷裂韌度dynamicfracturetoughness

表征材料抵抗裂紋擴展的能力，是度量材料在動態加載下韌性好壞的一個定量指標，用KId表示。

3.4

應力強度因子stressintensityfactor

均勻線彈性體在特定的裂紋擴展類型下理想裂紋尖端應力場的幅值，用K表示。

3.5

屈服強度yieldstrength

當金屬材料呈現屈服現象時，在試驗期間發生塑性變形而力不增加時的應力。應區分上屈服強度和

1

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下屈服強度。上屈服強度用ReL表示，下屈服強度用ReH表示。屈服強度通常是指準靜態加載速率下測

得的下屈服強度。

3.6

動態屈服強度dynamicyieldstrength

動態加載速率（如沖擊）下測得的屈服強度，用σyd表示。

3.7

凈截面應力netsectionstress

凈截面上的平均應力。凈截面等于總體截面（毛截面）減去截面中孔洞面積。

4防脆性斷裂設計方法的選取

4.1為滿足運輸容器在GB11806規定的正常運輸條件和運輸事故條件下放射性物品運輸的安全要求，

限制外部輻射，確保對放射性物品的包容，并防止核臨界，放射性物品運輸容器在貨包設計時應防止脆

性斷裂。

4.2設計者可選用下述任何一種方法進行防脆性斷裂設計評價：

第一種方法為通過選用材料免除防脆性斷裂評價，其免除條件為選用在要求的使用溫度范圍內（包

括低至-40℃）能夠保持延性和韌性比較高的材料。

第二種方法為通過測試無塑性轉變溫度等材料韌性指標評價鐵素體鋼的抗斷裂性能。

第三種方法為利用斷裂力學理論評價結構的抗斷裂性能。

前兩種方法是僅基于材料試驗要求的準則，需證明某些材料參數（如沖擊吸收能量）若不低于其許

用值，則該材料具有良好的韌性。第三種方法基于斷裂力學方法，適用于所有材料，需證明計算的運輸

容器包容系統的應力強度因子與測定的材料斷裂韌度之間存在足夠的裕度。

4.3在實際工作中可以采用其他的替代方法，但應論證其合理性。

5防脆性斷裂評價免除條件

5.1設計選用材料時，選用在GB11806規定的正常運輸條件和運輸事故條件下，在要求的使用溫度范

圍內（包括低至-40℃）能夠保持較高延性和韌性的材料，例如奧氏體不銹鋼，可免除防脆性斷裂評價。

5.2對鑄造奧氏體不銹鋼，不能免除其防脆性斷裂評價，需通過6.2所述的力學試驗證明其具有足夠

的延性和斷裂韌性。

6用無塑性轉變溫度等材料韌性指標評價鐵素體鋼的方法

6.1概述

確定無塑性轉變溫度的基礎是確定某一溫度，在此溫度下進行標準落錘試驗時，焊接接頭處不會出

現脆性斷裂。6.2提供了基于沖擊吸收能量或側膨脹值評價鐵素體鋼的方法，6.3提供了基于無塑性轉變

溫度評價鐵素體鋼的方法，可采用任意一種。本方法適用于運輸容器用母材的評價，也適用于焊縫和熱

影響區的評價。

6.2用沖擊吸收能量或側膨脹值作為驗收指標的評價方法

對于鐵素體鋼（含螺栓），已建立大量的沖擊吸收能量（夏比V型缺口沖擊試驗）與斷裂韌度關系

的數據庫，沖擊吸收能量可作為材料韌性的間接指標。其基礎是確定無塑性轉變溫度方法，驗收準則是

2

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在規定溫度下夏比V型缺口沖擊試驗測得的沖擊吸收能量(或者側膨脹值)大于標準規定的限值。在低溫

下的沖擊吸收能量限值可參考相應的標準，溫度應至少包括要求的使用溫度范圍（包括低至-40℃）。

6.3用無塑性轉變溫度作為驗收指標的評價方法

6.3.1評價基礎

本章規定了不同貨包級別和不同截面厚度鐵素體鋼應滿足的斷裂韌性評價準則。準則要求材料的無

塑性轉變溫度與事故條件下最低使用溫度（-40℃）的最小溫度差是截面厚度的函數。該溫度差是以無

塑性轉變溫度與斷裂韌度的關系為基礎。6.3適用于B型貨包包容系統的防脆性斷裂評價，C型貨包可

參照B型貨包Ⅰ級進行評價，B型或C型貨包之外的其他貨包可參照B型貨包Ⅲ級進行評價，也可按

照GB150等其他標準評價。B型貨包Ⅰ級包容系統對組合應力采用的失效理論是最大剪應力理論，控

制應力是應力強度；B型貨包Ⅱ級、Ⅲ級包容系統對組合應力采用的失效理論是最大應力理論，控制應

力是第一主應力。第7章中應力分析可參照本條執行。

6.3.2公稱壁厚小于100mm的鐵素體鋼評價準則

根據貨包裝載放射性內容物活度水平的不同對B型貨包進行了分級，分級原則見表1。Ⅰ級需要對

包容系統的每個試樣進行斷裂韌性試驗，評價結果應滿足Ⅰ級的評價準則，參見表2；Ⅱ級和Ⅲ級可以

進行試驗或者參考相應標準數據，評價結果應滿足相應級別的評價準則，參見表3、表4。關鍵部件是

指因斷裂失效而導致運輸容器包容系統穿透或破裂的部件。

表1B型貨包分級

內容物形式Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級

低于1000TBq并且低于3000A1

低比活度—超過1000TBq或超過3000A1或3000A2

或3000A2

超過3000A或者超過在30A和3000A之間并且不超過1000

特殊形式111低于30A并且低于1000TBq

1000TBqTBq1

超過3000A或者超過在30A和3000A之間并且不超過1000

一般形式222低于30A并且低于1000TBq

1000TBqTBq2

注：A1為對特殊形式放射性物品的活度限值；A2為對所有其他放射性物品的活度限值。

表2I級的評價準則

壁厚B/mm斷裂韌性驗收準則

依據GB/T6803測得的無塑性轉變溫度TNDT必須低于圖1中確定的TNDT限值；

此外，如果材料的屈服強度Rp0.2≥485MPa，還需滿足以下要求：

試樣厚度16mm，在上平臺溫度下，動態撕裂試驗（GB/T5482）結果應滿足：動態撕

16≤B＜100

裂能DT＞540J；

或在上平臺溫度下，夏比V型缺口沖擊試驗（GB/T229）結果應滿足：沖擊吸收能量

KV8＞61J。

在最低使用溫度（LST）下，動態撕裂試驗（GB/T5482）結果應滿足：纖維斷面率≥

80%；

5≤B＜16

或在最低使用溫度（LST）下，落錘撕裂試驗（GB/T8363）結果應滿足：剪切面積百

分數SA%≥80%。

注：LST為最低使用溫度（-40℃），是運輸容器用金屬的最低溫度，下文所涉及的LST與此相同。

3

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表3Ⅱ級的評價準則

壁厚B/mm斷裂韌性驗收準則

全速加載下，依據GB/T6803測得的無塑性轉變溫度TNDT必須低于圖2中曲線1或圖

3中K/σ-A曲線1確定的T限值；

16≤B＜100ⅠDydNDT

減速加載下，依據GB/T6803測得的無塑性轉變溫度TNDT必須低于圖2中曲線2、曲

線3或圖3中曲線2、曲線3確定的TNDT限值。

在最低使用溫度（LST）下，動態撕裂試驗（GB/T5482）結果應滿足：纖維斷面率≥

50%；

5≤B＜16或在最低使用溫度（LST）下，落錘撕裂試驗（GB/T8363）結果應滿足：剪切面積百

分數SA%≥50%；

或使用細晶正火鋼或韌性更好的鋼材，無需進行斷裂韌性測試。

B＜5B小于5mm時，無要求。

注：全速加載即為不使用減震裝置(如減震器)情況下的加載；減速加載即為使用減震裝置降低加載速率。

表4Ⅲ級的評價準則

壁厚B/mm斷裂韌性驗收準則

B≥16mm時，依據GB/T6803測得的TNDT應滿足：TNDT≤-13℃；

或使用厚度16mm的試樣時，在-13℃下動態撕裂試驗（GB/T5482）結果應滿足：動

態撕裂能DT≥68J；

10≤B＜100

或在-13℃下，夏比V型缺口沖擊試驗（GB/T229）結果應滿足：KV8≥20J；

或使用細晶粒正火鋼或韌性更好的鋼材，或使用軋制鋼，假定焊縫殘余應力已去除，

且滿足無損檢驗驗收準則。這兩種情況下，無需進行斷裂韌性測試。

B＜10B小于10mm時，無要求。

KId/σyd0.35σ/σyd

適用于薄壁部件1.0

0.3

TNDT=LST-A0.8

0.250.6

0.4

0.2

0.2

0.15

0.1

0.15

0

-30-20-10010203040506001620406080100

A,℃壁厚B，mm

注1：σ為基于線彈性分析的計算應力或試驗測得應變通過廣義虎克定律算出的應力，單位：MPa。

注2：σyd為動態屈服強度，單位：MPa；當Rp0.2≤415MPa時，σyd=Rp0.2+205MPa；415MPa＜Rp0.2＜485MPa時，

σyd=Rp0.2+140MPa；Rp0.2≥485MPa時，σyd=Rp0.2+100MPa；Rp0.2為材料標準室溫0.2%非比例延伸強度。

注3：KⅠd為動態斷裂韌度，單位：MPa?√m。

注4：A為LST與TNDT的溫度差，A=LST-TNDT，單位：℃，下同。

注5：KⅠd/σyd為動態斷裂韌度與動態屈服強度的比值，單位：√m，下同。

圖1I級的關鍵部件斷裂設計圖

4

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A，℃50

40

17℃

1

30

39℃

202

10

3

0

-10

-20

01620406080100

壁厚B，mm

注1：曲線1是屈服應力水平下全速加載時的基本KId/σyd曲線。

注2：當有效載荷小于約100g時，曲線2由曲線1平移17℃得到，可用于415MPa≤Rp0.2≤690MPa范圍內的鋼；

曲線3由曲線1平移39℃得到，可用于Rp0.2＜415MPa的鋼，其中g為重力加速度。

圖2Ⅱ級的關鍵部件斷裂設計圖

KId/σyd0.35

39℃

17℃

T=LST-A適用于薄壁部件

0.3NDT

3

0.25

2

0.2

1

0.15

0.1

0.05

0

-20-10010203040506001620406080100

A，℃壁厚B，mm

注1：曲線1是屈服應力水平下全速加載時的基本KId/σyd曲線。

注2：對于低于100g的減速加載情況：曲線2是由曲線1平移17℃得到的，可用于415MPa≤Rp0.2≤690MPa范

圍內的鋼；曲線3是由曲線1平移39℃得到的，可用于Rp0.2＜415MPa的鋼，其中g為重力加速度。

注3：加裝減載裝置時，加載速率使貨包關鍵部件的材料產生0.1/s量級的應變速率。

圖3Ⅱ級的關鍵部件斷裂設計圖

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6.3.3公稱壁厚為100mm～300mm的鐵素體鋼評價準則

在要求的使用溫度（包括低至-40℃）下，依據GB/T6803測得的鐵素體鋼無塑性轉變溫度TNDT

應不高于表5中確定的限值。

表5無塑性轉變溫度限值

壁厚B/mmTNDT/℃

100-97

200-104

300-107

注：對于其他壁厚，可以利用線性插值法來確定TNDT。

7利用斷裂力學理論評價抗斷裂性能的方法

7.1概述

該方法基于線彈性斷裂力學，適用于所有工程材料。線彈性斷裂力學是用彈性力學的線性理論對含

裂紋的零部件進行力學分析，并由此求得應力強度因子等特征參量作為評價指標判斷構件是否失效。

7.2應力強度因子計算

基于線彈性斷裂力學的應力強度因子計算式為：

??=??√??（1）

式中：

KI——應力強度因子，MPa?√m；

Y——形狀因子，是與缺陷和結構的尺寸、取向以及幾何形狀等有關的常數，無量綱參數；

——名義應力，是運輸容器無缺陷時算出的運輸容器包容系統的應力，MPa；

a——裂紋深度，m。

7.3防脆性斷裂準則

基于線彈性斷裂力學的防脆性斷裂準則為：

KI≤KI(mat)（2）

式中：

KI——應力強度因子，MPa?√m；

KI(mat)——貨包在將要承受的加載速率下試驗測得的斷裂韌度，MPa?√m。

使用公式（2）中的安全系數時，應考慮應力計算、缺陷檢測、斷裂韌度測試時產生的不確定度。

在正常運輸條件下，安全系數宜取√10；在運輸事故條件下，安全系數宜取√2。公式（2）中的最小安

全系數應使用載荷參數和假設缺陷尺寸的上限和斷裂韌度的下限。安全系數應由貨包設計者選擇和證明

是合理的，同時貨包設計者應考慮確認應力分析方法（如有限元分析程序）的置信度、材料性能的分散

性以及無損檢驗法檢出缺陷及其尺寸的不確定度，該安全系數應為主管部門所接受。

7.4評價過程

7.4.1一般步驟

評價過程按照以下步驟開展：

6

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a）在運輸容器關鍵部位和垂直于最大主應力的方向假設一個參考缺陷；

b）計算GB11806中規定的正常運輸條件和運輸事故條件下力學試驗中的運輸容器應力，并確保

已考慮要求的各種載荷組合；

c）計算參考裂紋尖端的應力強度因子；

d）確定在運輸容器可能承受的加載速率下材料斷裂韌度的下限值；

e）在相關的載荷條件下，計算所施加的凈截面應力與屈服強度的比值；

f）應力強度因子和材料斷裂韌度之間的安全裕度，以及所受應力和屈服強度之間的安全裕度，應

確保不會因GB11806中規定的力學試驗而導致不穩定的裂紋擴展或脆性斷裂。

步驟b）與步驟f）也可采用力學試驗的方法進行驗證。

7.4.2考慮因素

7.4.2.1缺陷假設

本標準中提到了三種不同的缺陷尺寸：“參考缺陷尺寸”是用于分析的假定缺陷尺寸；“拒收缺陷尺

寸”是在役前檢查中發現不滿足質量控制要求的缺陷尺寸；“臨界缺陷尺寸”是指在設計基準載荷條件

下將造成潛在不穩定擴展的缺陷尺寸。

無論是分析論證，還是試驗驗證，參考缺陷都應設置在運輸容器包容系統的表面，該處應力在整個

包容系統上最大。如果運輸容器承受循環載荷或脈動載荷，則應考慮在役疲勞裂紋擴展的可能性。當最

大應力的位置不確定時，需要多重論證。參考缺陷的方位應使通過計算或試驗測試確定表面應力的最大

分量垂直于缺陷所在平面。參考缺陷尺寸應與體積檢驗靈敏度、檢測不確定度、拒收缺陷尺寸以及臨界

缺陷尺寸相適應。

參考缺陷形狀應為半橢圓形，縱橫比（即長度與深度之比）應為6:1或更大。參考缺陷在最大應力

方向的投影面積應大于役前檢查時容器壁內典型缺陷拒收或修理的限值。當采用人造缺陷進行試驗驗證

時，人造缺陷的尖端應盡可能呈類裂紋狀，并且具有被運輸容器設計者證實且被主管部門接受的參考裂

紋尖端銳度。對于球墨鑄鐵，推薦裂紋尖端的圓角半徑不大于0.1mm。

鐵素體鋼的參考缺陷尺寸見表6。在確保缺陷可檢出并保證一定安全裕度的前提下可以假定更小的

缺陷尺寸用于評價。

表6參考缺陷尺寸

壁厚B/mm缺陷深度a/mm缺陷長度l/mm

B≤40min(B/2，10)6min(B/2，10)

40＜B≤10025150

100＜B≤300B/41.5B

B＞30075450

7.4.2.2無損檢驗

運輸容器設計時應選擇適當的無損檢驗方法，按照標準的程序進行表面檢驗和體積檢驗。表面檢驗

可采用磁粉檢驗、液體滲透檢驗或渦流檢驗；體積檢驗可采用射線檢驗或超聲波檢驗。如果使用參考缺

陷概念和基于斷裂力學的方法，則運輸容器的設計者必須證明規定的無損檢驗方法具有足夠的靈敏度，

以保證能夠檢測到任何此類缺陷。

設計者應考慮缺陷萌生或擴展的可能性和可能的在役材料退化，以確定定期無損檢驗的要求。

7.4.2.3應力計算或測試

參考缺陷尖端的應力強度因子的計算都應基于關鍵部件中的最大拉應力。應力應通過對無缺陷運輸

7

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容器的計算來確定。該應力是無缺陷運輸容器中缺陷位置處由于外力作用所引起的應力，稱為名義應力。

如果采用有限元分析方法，有限元模型必須調整到關鍵區域的每個檢測點和姿態都能給出精確的結果。

當應力場是從表面應變測試（比例模型或全尺寸運輸容器的性能試驗）中推斷所得，則推斷出的應力場

也應該證明是合理的。當應變測試儀用于應力集中區域時，應考慮到測點布置誤差或應變計長度影響可

能造成的測量誤差。

使用動力學有限元分析應滿足以下條件：

a）計算機程序能夠分析沖擊事件；

b）使用可靠或保守的力學性能參數；

c）模型精確或經過保守的簡化。

從測試結果推導應力時，應考慮測試儀特性、測試位置和數據轉換的合理性。

應力評價還需考慮材料的動態特性和結構特性。

7.4.2.4斷裂韌度的確定

材料斷裂韌度的確定方法應從圖4所示的三個選項中選擇。

選項1應是通過測試-40℃下特定材料斷裂韌度確定的最小值。它代表了從材料供應商提供有限數

量的試樣并在適當的加載速率和幾何約束條件下獲取一組有統計意義的數據。對特定運輸容器，試樣應

當具有代表性。

選項2應根據材料斷裂韌度的下限值確定。作為一種極限情況，該選項包含標準中規定的鐵素體鋼

斷裂韌度的測試。下限值可以建立在靜態、動態和止裂斷裂韌度合成數據的基礎上。可以通過參考下限

（或接近下限）曲線來簡化材料的測試程序。適量的數據點應足以證明該曲線對于材料的牌號、特定爐

批號的適用性。

選項3應是基于滿足GB/T4161標準要求的靜態加載速率和裂紋尖端約束的統計斷裂韌度數據的最

小值，或者基于彈塑性方法測試斷裂韌度（可采用GB/T21143）。根據GB/T4161進行的線彈性斷裂力

學測試的試驗溫度應至少低至-40℃，但也可以選擇更低的溫度以滿足GB/T4161的試驗條件。使用彈

塑性斷裂力學進行的斷裂韌性測試應在最低的使用溫度下進行。

前兩個選項應包括代表實際運輸貨包應用的加載速率或應變率、溫度和約束條件（如厚度）的材料

斷裂韌度。對于平面應變條件，靜態加載時測斷裂韌度KIC或JIC適用于許多大厚度的B型貨包。此外，

在高加載速率或沖擊條件下的動態斷裂韌度KId，對于某些材料來說，可能明顯低于相同溫度下對應的

靜態斷裂韌度KIC。

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KI(mat)

特定測試程序和材料的數據集

選項1

通用數據集的下限

選項2

選項3

-40溫度，℃

注：KI(mat)單位：MPa?√m。

圖4基于選項1、2、3選擇的斷裂韌度的相對值

9