循環(huán)載荷作用下壓力管道棘輪效應(yīng)及安定性研究.pdf

1、核電站在運(yùn)行期間,核反應(yīng)堆的壓力容器和管道會(huì)承受內(nèi)壓、循環(huán)熱載荷及振動(dòng)等各種復(fù)雜載荷工況,這些工況會(huì)導(dǎo)致材料或結(jié)構(gòu)發(fā)生棘輪效應(yīng),縮減材料或結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,嚴(yán)重影響壓力容器和管道的安全可靠性。為了保障核電壓力管道安全運(yùn)行,并為管道棘輪變形設(shè)計(jì)規(guī)范制定積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù),本文針對(duì)壓水堆一回路輔助管道用材Z2CND18.12N奧氏體不銹鋼,從材料循環(huán)本構(gòu)模型,數(shù)值模擬及直管和彎管部件的棘輪變形試驗(yàn)等幾個(gè)方面對(duì)棘輪效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本項(xiàng)研究對(duì)核電

2、壓力管道的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　利用多軸疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)內(nèi)壓直管、90°彎管在循環(huán)彎曲載荷作用下的棘輪效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,直管的棘輪應(yīng)變主要發(fā)生在環(huán)向,而軸向棘輪應(yīng)變相對(duì)較小,且棘輪應(yīng)變沿直管軸向向兩端擴(kuò)展。對(duì)于彎管,棘輪應(yīng)變發(fā)生在頂線、內(nèi)緣線和內(nèi)緣線與頂線的中間位置即45°位置的環(huán)向,軸向也存在一定的棘輪應(yīng)變。內(nèi)壓直管和彎管在循環(huán)彎曲載荷作用下,無(wú)論是不同試件,還是同一試件的多載荷步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

3、,在相同內(nèi)壓下,棘輪應(yīng)變率隨著循環(huán)彎曲載荷增大而增加;在相同循環(huán)彎曲載荷下,棘輪應(yīng)變率隨著內(nèi)壓增大而增加。在多載荷步加載條件下,高載荷水平下產(chǎn)生棘輪應(yīng)變后會(huì)降低后續(xù)低載荷水平的棘輪應(yīng)變速率,這種影響十分明顯。利用直管準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置,確定了內(nèi)壓直管循環(huán)彎曲的棘輪邊界。
　　根據(jù)奧氏體不銹鋼Z2CND18.12N的材料試驗(yàn)數(shù)據(jù),考察確定了ANSYS中現(xiàn)有循環(huán)塑性本構(gòu)模型和基于Chaboche模型的一系列修正模型的模型參數(shù)。將一系列

4、修正Chaboche模型通過(guò)編寫用戶子程序USERPL.F嵌入到ANSYS軟件中,很大程度上提高了材料和結(jié)構(gòu)的多軸棘輪效應(yīng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,同時(shí)將材料的各向同向硬化準(zhǔn)則嵌入修正模型中,進(jìn)一步提高了對(duì)管道棘輪變形的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。本文將材料循環(huán)硬化/軟化特性的函數(shù)和參數(shù)的演化規(guī)律引入Ohno-WangⅡ模型和Armstrong-Frederic模型的疊加模型中,提出了一種新的本構(gòu)模型,對(duì)材料和管道棘輪效應(yīng)的預(yù)測(cè)有所改善。
　　利用ANSYS

5、程序及彈塑性分析對(duì)內(nèi)壓直管與彎管在循環(huán)彎曲載荷作用下的棘輪效應(yīng)進(jìn)行模擬,并比較各模型對(duì)直管、彎管棘輪應(yīng)變的預(yù)測(cè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)Chen-Jiao-Kim模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值能夠較好地吻合。對(duì)于循環(huán)彎曲載荷作用下的內(nèi)壓直管和彎管,給出了按C-TDF方法確定的棘輪邊界線,且將直管的棘輪邊界與現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行了比較,能夠較好地界定安定區(qū)。利用Chen-Jiao-Kim模型對(duì)含局部壁厚減薄內(nèi)壓直管和彎管在循環(huán)彎曲載荷作用下的棘輪效應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè),棘輪應(yīng)變隨

6、著局部壁厚減薄缺陷深度、軸向及環(huán)向長(zhǎng)度的改變而變化,這說(shuō)明局部壁厚減薄對(duì)承受恒定內(nèi)壓循環(huán)對(duì)稱彎曲管道的棘輪效應(yīng)影響明顯。利用Chaboche模型對(duì)25℃、150℃、250℃和350℃四種溫度條件下內(nèi)壓直管和彎管在循環(huán)彎曲載荷作用下的棘輪效應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)棘輪應(yīng)變隨著溫度的升高而增大,并利用C-TDF方法確定了直管和彎管在不同溫度下的棘輪邊界,發(fā)現(xiàn)無(wú)量綱棘輪邊界與溫度無(wú)關(guān)。另外,基于彈性補(bǔ)償法和下限安定定理的極限載荷乘子,提出了一種改進(jìn)