核电站316L不锈钢弯头应力腐蚀行为的寿命预测
【部分图文】：
效应与冷加工变形量的影响。首次实现了国内百万千瓦大型商用堆一回路弯头的安全评价与寿命评估。13D有限元模型模拟裂纹扩展1.1裂纹形状以及网格划分本研究拟针对某核电站316L(Z2CND18.12)的90°不锈钢厚壁弯头(外径为355.6mm，内径为275.6mm)进行有限元建模，创建一系列带有不同深度裂纹的3D弯头部件，在弯头内壁上设置均匀的压力10MPa，同时在弯头两个端面上设置相应边界条件，以模拟弯头内壁表面裂纹扩展行为。其中，裂纹位置靠近弯头端口，与轴线呈45°角，深度/长度比为1/2，具有上厚下薄的半椭圆几何形状(见图1a)，与实际观察到的核电站弯头裂纹形状相符。建模过程中，在弯头内壁的同一位置处，创造出长度、深度与di均在变化的半椭圆缺陷(见图1b)，从而反映出弯头内壁上的裂纹扩展过程。裂纹从内表面萌生，扩展至外表面。本工作研究在不同附加应力下裂尖应力强度因子(K)随裂纹深度a的变化，为此取a=20、22、25、27和30mm为例进行计算，而di则通过Dugdale模型[10]计算裂尖张开位移(d)来确定。根据文献[10]中Irwin对裂纹尖端塑性区尺寸(ry)的估计，平面应变时：ry=16π(KσY)2(1)式中，σY代表屈服强度。此外，文献[10]中Dugdale认为裂纹的有效半长度是a+ry，原裂尖的张开量就是d。平面应力下，d表达式为：δ=K2EσY(其中，E为弹性模量)。写为一般式：δ=βK2EσY(2)式中，对于平面应变，系数b=0.5。忽略弯头曲率的影响(裂纹相对于弯头尺寸很小)，视为无限大中心裂纹板平板，则本研究可借助式(2)求解d。参照图2[11]，di与d之间存在比例关系：δi=(ry+lry)δ(l代表裂纹长度)，依此可求得不同裂纹长度下的di，再?
[10]计算裂尖张开位移(d)来确定。根据文献[10]中Irwin对裂纹尖端塑性区尺寸(ry)的估计，平面应变时：ry=16π(KσY)2(1)式中，σY代表屈服强度。此外，文献[10]中Dugdale认为裂纹的有效半长度是a+ry，原裂尖的张开量就是d。平面应力下，d表达式为：δ=K2EσY(其中，E为弹性模量)。写为一般式：δ=βK2EσY(2)式中，对于平面应变，系数b=0.5。忽略弯头曲率的影响(裂纹相对于弯头尺寸很小)，视为无限大中心裂纹板平板，则本研究可借助式(2)求解d。参照图2[11]，di与d之间存在比例关系：δi=(ry+lry)δ(l代表裂纹长度)，依此可求得不同裂纹长度下的di，再依据计算值在弯头内壁上做出不同图1裂纹几何形状示意图和弯头内壁上裂纹扩展示意图Fig.1Schematicgeometryofacrack(a)andsche-maticforcrackpropagationattheinnersur-faceoftheelbow(b)(a—crackdepth,di—crackopeningdisplacementatthemiddleofthecrack)图2裂纹张开位移(di)、裂尖张开位移(d)和裂纹尖端塑性区尺寸(ry)示意图[11]Fig.2Schematicfordi,dandry[11](di—crackopeningdisplacement,d—cracktipopeningdisplace-ment,ry—plasticzoneatthecracktip,l—cracklength,a—theinclinationangleofplas-ticzoneradiusry,s—stressdistributionatthecracktip)郭舒等：核电站316L不锈钢弯头应力腐蚀行为的寿命预测457
金属学报53卷尺寸的裂纹。本研究关注的是弯头内壁裂尖区域的应力分布状况，为此在远离裂纹的区域设置了粗糙网格，在裂纹周围设置了相对精细的网格以保证计算精度；在半椭圆缺陷的每条边界线上设置分布12个节点，且靠近裂尖的方向节点密度较高(见图3)。对于所创建的3D模型，使用四面体自由网格，同时设置单元类型为C3D10I(提高表面应力可视化的10节点通用二次四面体单元)。1.2316L不锈钢的力学性能本工作的研究对象是高温环境中的316L不锈钢弯头，其sY=130MPa,E=175GPa，Poisson比ν=0.34[12](320℃)。对应的真实应力-真实塑性应变曲线如图4所示，曲线所包含数据用于定义有限元计算中弯头部件的塑性属性。2裂纹张开位移(di)构建真实裂纹形状2.1裂纹尖端应力强度因子的计算方法工程构件中的裂纹和缺陷会造成结构的应力集中,导致灾难性的后果。在断裂力学的工程应用中，应力强度因子是判断含裂纹结构的断裂和计算裂纹扩展速率的重要参数。计算应力强度因子的方法主要有数学分析法、有限元法、边界配置法、柔度标定法和光弹性法等。有限元法是数值法求解应力强度因子的一种，因其不受裂纹体几何形状和所受载荷复杂性的限制而被广泛应用[13]。随着计算机技术发展，有限元法能够计算越来越复杂的问题。根据文献[13]中的Westergaard应力函数求出I型裂纹尖端区域法向方向的应力σ与K之间的关系：σ=K2πrcosθ2éù1+sinθ2sin3θ2(3)式中，r为裂纹尖端平面坐标系中任一点到裂尖的距离，q为该点对应的从裂尖逆时针方向旋转的角度，在裂纹平面的延长线面上，q=0°，式(3)简化为[13]：K=σ2πr(4)在裂纹面上裂尖附近区域内取不同节点，将节点处的s与r代入式(4)求?
【参考文献】
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本文编号：2859323
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