金属环密封特性及N18核燃料包壳管低周疲劳研究

发布时间：2020-06-12 00:06

【摘要】： 金属密封环是广泛应用于压力容器的关键部件，其密封性能与压力容器的安全可靠性紧密相联。在反应堆压力容器中常采用Inconel718合金制造“O”形密封环和“C”形环，而对于一般工业压力容器，常用工程金属也可用作为密封环备选材料，因此对金属“O”形环密封环的力学行为和回弹特性进行系统研究有工程意义。 本文基于ANSYS和MSC.MARC软件弹塑性接触分析功能，对Inconel718合金“O”形环和“C”形环进行了密封特性的有限元分析，揭示出凹槽约束会引起“O”形环回弹性能显著降低和材料高应力区的扩大，指出了压缩比的合适范围为8％～12％，分析了弹簧刚度对“C”形环、温度对“O”形环在分布接触载荷、回弹量及应力响应等密封性能的影响效应。 对304不锈钢、2A12铝合金、42CrMo、60Si2MnA和Inconel718材料、不同截面几何尺寸的“O”形环进行了多级压扁-回弹试验，分析比较了管试样内外径、压缩比、材料单轴力学性能对“O”形环密封性能的影响。 应用ANSYS软件对“O”形环回弹量进行海量计算，获得丰富的回弹量数据库。基于量纲分析原理提出了构建“O”形环回弹量预测模型的一套无量纲分析方法；分析结果表明，当压缩比λ在4％至20％之间肘，压缩比λ与回弹比r之间以及几何构形参量γ与回弹比r之间符合线性律，进而提出了用于预测金属工程材料回弹量的TSM模型、TSM-α-Ⅰ模型和TSM-α-Ⅱ模型，三类模型均有较高的预测精度，其中TSM-α-Ⅰ为重点推荐模型。这些模型的参数可根据材料本构关系应用有限元方法确定，也可以根据“O”形环压扁试验确定。基于有限元海量计算结果，提出了用于预测广泛金属材料和各种构型“O”形环回弹量的STSM、STSM-α和CTSM模型，STSM和CTSM模型均有较好的预测精度；采用VB软件编写了集成STSM模型的回弹量预测工程应用软件，可满足任意材料的一般预测需要。 设计、优化和制作的高温疲劳试验专用夹具奠定了管材高温疲劳试验技术基础。应用于核反应堆燃料棒的N18合金包壳管，其循环与疲劳可靠性备受关注，本文根据所发展的高温试验技术，完成了N18合金包壳小管循环与疲劳行为的高温试验研究，相关研究在国内未见报道，在国外也未查到。 开展了N18合金小管在20℃、200℃、300℃和400℃下单调拉伸与循环本构关系试验，获得了各温度下N18合金小管的单轴本构模型和循环本构模型，提出了应力比λ_σ与应变幅△ε／2关系符合幂律、其系数和指数随温度的变化呈线性律的λ_σ～△ε／2关系模型；揭示出N18合金在20℃下表现为循环软化、在400℃下表现为随轴向应变幅增大材料的循环行为由硬化过渡到软化特性，在20℃、200℃、300℃、400℃下N18合金小管试样循环特性不符合Mason律。 基于N18小管的循环本构关系以及等幅疲劳加载下的半寿命循环本构关系，给出了用于预测N18合金在400℃高温下疲劳寿命的GB-半寿命和GB-MSC寿命估算模型、M-C模型，三类寿命估算模型用于N18合金疲劳寿命预测均有较高精度；N18合金的疲劳寿命温度影响因子与塑性应变幅之间的关系符合幂律，，基于这一特性，提出了用于高温疲劳寿命预测的温度效应模型。
【图文】：

一一一一一一一亘壑越达学硕全研容丰钟途齐_…曰._第羊.耍图3一10示出了“O”形环回弹量随压缩比变化的分布情况。随着压缩比增加，回弹量呈近似线性增加。两类软件计算所得回弹量数据点基本重合，最大误差约为2%。两类软件计算结果与试验结果的一致性表明，MSC.MARC软件和ANSYS软件用于分析“O”形环压缩比一分布载荷关系曲线及回弹量其结果都有相近的精度，因此分析“O”形环结构的受力状态和变形特性可根据需要任意选用MSC.MARC软件和ANSYS软件。因MSC.MARC软件设置接触体较为方便，故本章后文的分析中采用MSC.MARC软件;而ANSYS软件提供了方便的参数化分析功能(APDL)，故第四章及第五章将会采用ANSYS软件来进行分析。600—0.6—刁·，j}一ANSYSI」{---一MARC、匕艺匕0.4口:。‘艺已 XANSYS DMARC三三\之\﨎气担蒸件李叭图3一910%20%30%40%50%压缩比兄压缩比~分布载荷曲线0一0%10%20%30%409压缩比元图3一10回弹量与压缩比关系 3.3“O”形环的密封性能与变形特性在反应堆中

为了研究影响密封性能的接触压力分布情况，在“O”形环截面与上法兰接触的外表面上定义了“一45“一45“”的接触压力提取路径，如图3一16所示。图中O“线为通过“0”形环截面圆心并与法兰面垂直的中轴线，O。线的方向指向上法兰;一45。线为O“线绕“O”形环截面圆心往顺时针方向转动45“后的线;45“线为O。线绕“O”形环截面圆心往逆时针方向转动45。后的线。250一250一一司卜只=8%一查兄=8%T=20℃T=300℃nU

本文编号：2708689