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、核電站在運行期間,核反應(yīng)堆的壓力容器和管道會承受內(nèi)壓、循環(huán)熱載荷及振動等各種復(fù)雜載荷工況,這些工況會導(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行,并為管道棘輪變形設(shè)計規(guī)范制定積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù),本文針對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等幾個方面對棘輪效應(yīng)進行了系統(tǒng)的研究。本項研究對核電

2、壓力管道的設(shè)計和運行具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。
　　利用多軸疲勞試驗機對內(nèi)壓直管、90°彎管在循環(huán)彎曲載荷作用下的棘輪效應(yīng)進行了試驗研究。試驗結(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)變相對較小,且棘輪應(yīng)變沿直管軸向向兩端擴展。對于彎管,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,無論是不同試件,還是同一試件的多載荷步試驗發(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)三點彎曲試驗裝置,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)測的準(zhǔn)確性,同時將材料的各向同向硬化準(zhǔn)則嵌入修正模型中,進一步提高了對管道棘輪變形的預(yù)測準(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,對材料和管道棘輪效應(yīng)的預(yù)測有所改善。
　　利用ANSYS

5、程序及彈塑性分析對內(nèi)壓直管與彎管在循環(huán)彎曲載荷作用下的棘輪效應(yīng)進行模擬,并比較各模型對直管、彎管棘輪應(yīng)變的預(yù)測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)Chen-Jiao-Kim模型預(yù)測結(jié)果與試驗值能夠較好地吻合。對于循環(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)范進行了比較,能夠較好地界定安定區(qū)。利用Chen-Jiao-Kim模型對含局部壁厚減薄內(nèi)壓直管和彎管在循環(huán)彎曲載荷作用下的棘輪效應(yīng)進行了預(yù)測,棘輪應(yīng)變隨

6、著局部壁厚減薄缺陷深度、軸向及環(huán)向長度的改變而變化,這說明局部壁厚減薄對承受恒定內(nèi)壓循環(huán)對稱彎曲管道的棘輪效應(yīng)影響明顯。利用Chaboche模型對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)進行了預(yù)測,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)無量綱棘輪邊界與溫度無關(guān)。另外,基于彈性補償法和下限安定定理的極限載荷乘子,提出了一種改進