采用數值模擬方法對核電站316L不銹鋼彎頭的應力腐蝕裂紋擴展行為進行了研究。首先針對不銹鋼厚壁彎頭(外徑355.6 mm,內徑275.6 mm)進行有限元建模,在彎頭內壁上創(chuàng)建出與實際裂紋相符的半橢圓狀3D缺陷作為裂紋形狀,其裂紋張開位移(δ_i)由Dugdale模型計算確定;然后根據有限元計算結果,建立裂紋應力強度因子(K)隨裂紋深度(a)及附加應力(P)變化的擬合公式,結合實驗數據得到管材在2種冷變形量下的應力腐蝕裂紋擴展速率(da/dt)擬合公式,利用迭代方法計算了裂紋穿透管壁所需的時間,為核電站安全評估提供了有效依據。研究顯示,當彎頭部位的冷變形量較小(硬度為230~245 HV)且在理想情況下(無初始附加應力),彎頭被應力腐蝕裂紋穿透耗時最長(約57 a);當初始附加應力增加至200 MPa,此失效時間約縮減至前者的1/5(無應力釋放)、2/7(應力釋放一半)以及3/7(應力完全釋放);保持初始附加應力不變(200 MPa)并提高彎頭部位冷加工變形量(由硬度為230~245 HV提高到275~300 HV),彎頭的大變形部位被穿透時間約縮短至小變形部位失效時間的2/5(無應力釋放)、3/8(應力釋放一半)以及1/3(應力完全釋放),由此可見應力釋放程度的降低和冷加工變形量的增加均導致了核電站316L不銹鋼彎頭剩余壽命的縮短。
【部分圖文】：

效應與冷加工變形量的影響。首次實現了國內百萬千瓦大型商用堆一回路彎頭的安全評價與壽命評估。13D有限元模型模擬裂紋擴展1.1裂紋形狀以及網格劃分本研究擬針對某核電站316L(Z2CND18.12)的90°不銹鋼厚壁彎頭(外徑為355.6mm，內徑為275.6mm)進行有限元建模，創(chuàng)建一系列帶有不同深度裂紋的3D彎頭部件，在彎頭內壁上設置均勻的壓力10MPa，同時在彎頭兩個端面上設置相應邊界條件，以模擬彎頭內壁表面裂紋擴展行為。其中，裂紋位置靠近彎頭端口，與軸線呈45°角，深度/長度比為1/2，具有上厚下薄的半橢圓幾何形狀(見圖1a)，與實際觀察到的核電站彎頭裂紋形狀相符。建模過程中，在彎頭內壁的同一位置處，創(chuàng)造出長度、深度與di均在變化的半橢圓缺陷(見圖1b)，從而反映出彎頭內壁上的裂紋擴展過程。裂紋從內表面萌生，擴展至外表面。本工作研究在不同附加應力下裂尖應力強度因子(K)隨裂紋深度a的變化，為此取a=20、22、25、27和30mm為例進行計算，而di則通過Dugdale模型[10]計算裂尖張開位移(d)來確定。根據文獻[10]中Irwin對裂紋尖端塑性區(qū)尺寸(ry)的估計，平面應變時：ry=16π(KσY)2(1)式中，σY代表屈服強度。此外，文獻[10]中Dugdale認為裂紋的有效半長度是a+ry，原裂尖的張開量就是d。平面應力下，d表達式為：δ=K2EσY(其中，E為彈性模量)。寫為一般式：δ=βK2EσY(2)式中，對于平面應變，系數b=0.5。忽略彎頭曲率的影響(裂紋相對于彎頭尺寸很小)，視為無限大中心裂紋板平板，則本研究可借助式(2)求解d。參照圖2[11]，di與d之間存在比例關系：δi=(ry+lry)δ(l代表裂紋長度)，依此可求得不同裂紋長度下的di，再?

[10]計算裂尖張開位移(d)來確定。根據文獻[10]中Irwin對裂紋尖端塑性區(qū)尺寸(ry)的估計，平面應變時：ry=16π(KσY)2(1)式中，σY代表屈服強度。此外，文獻[10]中Dugdale認為裂紋的有效半長度是a+ry，原裂尖的張開量就是d。平面應力下，d表達式為：δ=K2EσY(其中，E為彈性模量)。寫為一般式：δ=βK2EσY(2)式中，對于平面應變，系數b=0.5。忽略彎頭曲率的影響(裂紋相對于彎頭尺寸很小)，視為無限大中心裂紋板平板，則本研究可借助式(2)求解d。參照圖2[11]，di與d之間存在比例關系：δi=(ry+lry)δ(l代表裂紋長度)，依此可求得不同裂紋長度下的di，再依據計算值在彎頭內壁上做出不同圖1裂紋幾何形狀示意圖和彎頭內壁上裂紋擴展示意圖Fig.1Schematicgeometryofacrack(a)andsche-maticforcrackpropagationattheinnersur-faceoftheelbow(b)(a—crackdepth,di—crackopeningdisplacementatthemiddleofthecrack)圖2裂紋張開位移(di)、裂尖張開位移(d)和裂紋尖端塑性區(qū)尺寸(ry)示意圖[11]Fig.2Schematicfordi,dandry[11](di—crackopeningdisplacement,d—cracktipopeningdisplace-ment,ry—plasticzoneatthecracktip,l—cracklength,a—theinclinationangleofplas-ticzoneradiusry,s—stressdistributionatthecracktip)郭舒等：核電站316L不銹鋼彎頭應力腐蝕行為的壽命預測457

金屬學報53卷尺寸的裂紋。本研究關注的是彎頭內壁裂尖區(qū)域的應力分布狀況，為此在遠離裂紋的區(qū)域設置了粗糙網格，在裂紋周圍設置了相對精細的網格以保證計算精度；在半橢圓缺陷的每條邊界線上設置分布12個節(jié)點，且靠近裂尖的方向節(jié)點密度較高(見圖3)。對于所創(chuàng)建的3D模型，使用四面體自由網格，同時設置單元類型為C3D10I(提高表面應力可視化的10節(jié)點通用二次四面體單元)。1.2316L不銹鋼的力學性能本工作的研究對象是高溫環(huán)境中的316L不銹鋼彎頭，其sY=130MPa,E=175GPa，Poisson比ν=0.34[12](320℃)。對應的真實應力-真實塑性應變曲線如圖4所示，曲線所包含數據用于定義有限元計算中彎頭部件的塑性屬性。2裂紋張開位移(di)構建真實裂紋形狀2.1裂紋尖端應力強度因子的計算方法工程構件中的裂紋和缺陷會造成結構的應力集中,導致災難性的后果。在斷裂力學的工程應用中，應力強度因子是判斷含裂紋結構的斷裂和計算裂紋擴展速率的重要參數。計算應力強度因子的方法主要有數學分析法、有限元法、邊界配置法、柔度標定法和光彈性法等。有限元法是數值法求解應力強度因子的一種，因其不受裂紋體幾何形狀和所受載荷復雜性的限制而被廣泛應用[13]。隨著計算機技術發(fā)展，有限元法能夠計算越來越復雜的問題。根據文獻[13]中的Westergaard應力函數求出I型裂紋尖端區(qū)域法向方向的應力σ與K之間的關系：σ=K2πrcosθ2éù1+sinθ2sin3θ2(3)式中，r為裂紋尖端平面坐標系中任一點到裂尖的距離，q為該點對應的從裂尖逆時針方向旋轉的角度，在裂紋平面的延長線面上，q=0°，式(3)簡化為[13]：K=σ2πr(4)在裂紋面上裂尖附近區(qū)域內取不同節(jié)點，將節(jié)點處的s與r代入式(4)求?
【參考文獻】

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本文編號：2859323