基于三材料模型的含HAZ裂纹非匹配焊接接头的断裂评定方法

发布时间：2020-10-22 17:48

　　 焊接结构广泛用于石油、化工、电力及核能等行业的关键设备中,由于生产工艺的需要,许多关键设备长期在极端和苛刻条件下服役,因焊接接头失效引发的设备事故常有报道。由于焊接结构存在材料及几何上的不连续性,加之焊接本身是一个复杂的热物理化学冶金过程,造成焊接接头的组织和力学性能上不均匀性及不同几何尺寸,给焊接结构的生产、加工和实际应用造成很大困难。目前,解决焊接接头的失效问题,主要是将焊接接头简化成焊缝和母材的“双材料”模型,未考虑热影响区的影响,比较计入热影响区性能和不考虑热影响区性能对非匹配焊接接头热影响区裂纹断裂的影响,发现目前还没有很好解决关于性能不均匀(力学性能不均匀性及不同几何尺寸)对焊接接头热影响区裂纹断裂的影响。本文在对近年焊接接头断裂行为研究进展与缺陷评定理论研究进行了回顾和综述的基础上,增设计入热影响区的影响,分析性能不均匀对非匹配焊接接头热影响区裂纹断裂行为的影响规律,研究性能不均匀对非匹配焊接接头热影响区裂纹在启裂前的影响,为试图在生产实践中通过工艺阻止裂纹扩展提供理论基础,同时找出性能不均匀对失效评定点及失效评定曲线的影响规律,将与性能不均匀相关的失效评定图技术应用于压力容器,进行焊接接头热影响区裂纹结构完整性评定。论文在以下几个方面开展了研究：(1)建立表征含裂纹的非匹配焊接接头断裂力学分析模型。通过增设计入热影响区的影响,针对非匹配焊接接头力学性能不均匀及不同的几何尺寸,借鉴双材料等效材料模型理论,建立非匹配焊接接头“理想三材料”结构的等效模型及当量关系,并进行有限元和试验验证,为准确把握非匹配焊接接头的断裂行为、为开展非匹配接头裂纹的安全评估,建立可表征非匹配焊接接头断裂的力学分析模型。(2)获得计入性能不均匀影响的非匹配焊接接头极限载荷解。根据建立的非匹配焊接接头“理想三材料”的简化模型,运用非线性有限元方法,分析非匹配焊接接头热影响区裂纹在性能不均匀影响下的塑性变形,获得非匹配焊接接头热影响区中心裂纹试样的极限载荷计算公式,讨论计入热影响区力学性能及几何尺寸对非匹配焊接接头热影响区裂纹极限载荷的影响,揭示焊缝强度匹配比MW,热影响区强度匹配比MH、热影响区不同宽度h对含热影响区裂纹非匹配焊接接头极限载荷的作用。(3)得到性能不均匀对非匹配焊接接头热影响区裂纹驱动力的影响规律。通过“理想三材料”的力学分析模型,依赖非匹配焊接接头热影响区裂纹等效模型的失效评定曲线,构建非匹配焊接接头的,J积分方程,获得了非匹配焊接接头热影响区中心裂纹驱动力在性能不均匀影响下的计算公式。通过研究力学性能及几何尺寸对非匹配焊接接头热影响区中心裂纹驱动力的影响,总结在性能不均匀因素影响下热影响区中心裂纹驱动力的变化规律。(4)构建适用于非匹配焊接接头热影响区裂纹断裂评定的失效评定方法。在含缺陷结构完整性评定标准(R6)的基础上,以非匹配焊接接头简化模型及等效材料力学分析模型为基础,并计入热影响区的力学性能及几何尺寸等影响因素,综合研究性能不均匀因素对非匹配焊接接头的无因次应力强度因子Kr、无因次载荷Lr及非匹配焊接接头当量应力一应变曲线的影响规律,构建出与性能不均匀相关的非匹配焊接接头热影响区中心裂纹失效评定曲线,找出含热影响区裂纹非匹配焊接接头的工程通用失效评定曲线,并由此建立非匹配焊接接头热影响区裂纹断裂的评定方法。综合上述计算和分析结果,通过对含热影响区裂纹压力容器非匹配焊接结构的案例分析,参照R6的缺陷评定程序,根据不同材料组配和几何尺寸变化时对非匹配焊接接头热影响区裂纹断裂的影响,将与性能不均匀相关的失效评定曲线应用到压力容器焊接接头断裂评定中,得出了压力容器非匹配焊接接头热影响区裂纹评定方法,应用该方法到工程实际的压力容器非匹配焊接接头热影响区裂纹中,开展结构完整性评定,完善了非匹配焊接接头的结构完整性评定技术。
【学位单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TG407
【部分图文】：

２．２．３试验试样加工??拉伸试样按照国家标准《金属拉伸试验方法》要求制作在热影响区中也预制??４．８ｍｍ裂纹，试样的结构简图如图２．１所示。??２．３试验设备及试验过程??２．?３．１试验设备??采用国家标准ＧＢ?／?Ｔ２２８—２０１０?＂金属材料室溢拉伸试验方法＂，在万能程序试验机??上进行对试样进行拉伸试验，其拉伸速度为２ｍｍ／ｍｉｎ，试验环境温度为室温，如图２．２??所示。??纖峡—??ｍｉ％?ｉｓ??ａ?．?Ｔｅｎｓｉｏｎ?ｔ；ｅｓｔ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ?ｂ．?Ｔｅｎｓｉｏｎ?ｓａｍｐｌｅ??图２．?２拉伸试验设备及试样图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｔｈｅ?ｔｅｎｓｉｏｎ?ｔｅｓｔ?ｅｑ山ｐｍｅｎｔ?ａｎｄ?比ｅ?ｓａｍｐｉｅ??试样的几何尺寸及试验初始条件见表２．４所示。??表２．?４试样的几何尺寸及试验初始条件??Ｔａｂｌｅ?２．４?Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ?出ｍｅ打ｓｉｏｎｓ?ｏｆ?ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ?ａｎｄ?ｔｅｓｔｉｎｇ?ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ??＾?－ｈ?了ａ＾?广??（ｍｍ）?（ｍｍ）?（ｍｍ）?（ＧＰａ）??ＭＴＡ－１?０．９６?６．３?４．７８?０．２９９?１６?２１０??ＭＴＡ－２?０．９６?４

第２１页??２．３．２试验过程??拉伸试样和硬度试样的取样方式及几何尺寸如图２．１所示，焊缝处于试样的中间，??试样厚度取钢板原始厚度，试样的宽度取２５ｍｍ，试样的标距为５０ｍｍ。记录载荷－位移??记录曲线。??（１）

ｇ．２．８ＦｉｎＵｅ?ｅｌｅｍｅｎｔ?ｍｏｄｅｌｆｏｒｅ?ｃｒａｃｋｔｉｐ．??３００?夕??Ｉ?．??１２。。－?．．矣＾??１?．??１００－《??１００?２００?３００??了础?Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ?／ＫＮ??图２．９有限元分析结果和实验结果的比较??Ｆｉｇ．?２．９?Ｃｏｍｐａｒｅ?ｏｆ?ＦＥ?ａｎａｌｙｓｉｓ?ｗｉｔｈ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ??
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本文编号：2851911