核电管道小支管插套焊棘轮行为与疲劳性能研究

发布时间：2020-07-29 07:46

【摘要】：不锈钢小支管插套焊易于现场装配,在核电机组管道系统中得到广泛的使用,然而,在核电机组运行期间,小支管插套焊接头会出现疲劳开裂,严重影响核电的安全运行。本文针对304L不锈钢及ER308L不锈钢焊丝制备的插套焊焊接接头,从材料和实际结构两个方面对棘轮行为及疲劳性能进行了系统的研究。对母材和焊缝进行了单轴循环实验,结果表明,母材为循环硬化材料,循环行为分为初始硬化、软化和二次硬化三个阶段,棘轮行为包括初始的高棘轮应变率衰减阶段、常棘轮应变率阶段和断裂前的加速棘轮应变率阶段;焊缝表现为循环软化特性,仅在循环初始的数个循环里出现轻微的循环硬化,棘轮行为分为初始的低棘轮应变率衰减阶段、常棘轮应变率阶段和加速棘轮应变率阶段。在宏观循环加载实验的基础上,针对同一加载水平下不同循环周次的试样,通过透射电子显微镜观察了应变循环和棘轮变形不同阶段时母材和焊缝内部典型的位错结构及其演化规律,对两种材料应变循环和棘轮变形的微观机理进行了定性的解释:母材中从结构简单的位错组态向结构复杂、密度较高的位错组态演变,形变孪晶、剪切带与位错墙/通道结构、位错胞之间的演变关系控制了母材的循环硬化行为及棘轮行为;而焊缝中由初始状态的密度较高、结构复杂的位错组态逐渐向低密度的位错组态演变,这也导致了焊缝的循环软化行为及其加速的棘轮变形。通过预制坡口和焊趾熔修对原始插套焊结构进行改进,利用X射线和有限元模拟技术,对插套焊的焊接残余应力分布进行了研究,研究发现,预制坡口和焊趾熔修可以有效地改善焊根和焊趾处的残余应力状态,降低焊根处的拉伸残余应力,在焊趾处形成压缩残余应力,而且降低了焊趾处的应力集中情况,从而提高疲劳性能。模拟核电管道实际承载工况,对插套焊进行了循环加载实验,结果表明,通过预制坡口和焊趾熔修两项改进措施,插套焊的疲劳寿命最大提高了70%,疲劳性能得到了很大程度的改善;结合一种新的修正W?hler曲线法(MWCM)来评估插套焊的疲劳寿命,并通过参数的改进提高了预测精度,所建立的疲劳寿命预测方法评估流程简单,能够准确地预测插套焊的低周疲劳寿命,具有工程实际意义。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG457;TM623
【图文】：

示意图,小支,疲劳失效,示意图

图 1-1 小支管插套焊示意图[1]Fig. 1-1 Schematic diagram of socket weld表 1-1 插套焊断裂的数据统计[12]Tab. 1-1 Summary of database content by degradation/damage mechanismDegradation mechanism Non through-wall Leak Structural failureVibration fatigue 55 721 118Stress corrosion cracking 815 292 0Design & construction flaws 67 267 28Thermal fatigue 64 65 3Corrosion 43 281 7Erosion-corrosion 176 532 60Other 73 0 89Total 1293 2158 305在核电疲劳失效案例中，80%的疲劳失效为小支管(2 英寸及以下口径)插套

焊脚尺寸,焊根,熔深,疲劳性能

图 1-2 不同焊脚尺寸下的焊喉尺寸ig. 1-2 Weld throat of different weld熔深对其疲劳性能也存在一定焊试样焊根熔深是最大的，焊裂的试样的焊根熔深是最小处的疲劳性能越好，因为焊根焊接缺陷，另外，大熔深试样在处的应力，因此大熔深能提高试样，焊根处出现缺陷的机率力集中更为严重，焊根萌生裂，小支管的尺寸对插套焊的

焊接顺序,焊根,焊趾,残余应力

残余应力也是影响小支管插套焊疲劳失效的一个重要原因。插焊接过程中，经受加热和冷却的循环，产生焊接残余应力，若应力达到材料的屈服强度，则会降低焊接接头的疲劳强度，较也可以作为附加的平均应力，即使构件受到较小的外加载荷，应力叠加后超过屈服强度时，材料也会发生屈服。对于焊接接是不利于其疲劳性能的，而压缩残余应力有利于提高构件的疲管插套焊焊根和焊趾处的残余应力状态和分布可以通过改变状来改变[7, 35]。图 1-3 为插套焊试样不同的焊接顺序，采用图序，其焊根和焊趾处的轴向残余应力分别是 250MPa 和-400M接顺序，其焊根和焊趾处的轴向残余应力分别是 400 MPa 和 b 多焊接一道，但疲劳实验结果显示方法 a 的疲劳性能要好

【参考文献】