镍基合金环形焊接模拟及其在结构失效评估中的应用

发布时间：2020-11-05 12:49

　　 核反应堆承压设备的设计应有足够裕度,保证压力边界在任何正常运行工况和预计运行事件下不致被破坏,其结构完整性直接影响到核电厂的安全运行。焊接又是核承压设备制造中的关键工艺,焊接残余应力的存在使得焊接部位极易产生裂纹,从而发生失效。中国科学院上海应用物理研究所正在设计、建造的钍基熔盐堆系统中包含众多高温机械设备,针对高温设备服役安全问题,需采用合适有效的方法对设备服役期间的结构完整性进行分析与评估,判断含缺陷设备是否安全,为设备设计及运行维护提供建议。在此工程背景下本文以镍基合金焊接为研究对象,使用ABAQUS软件,采用有限元数值模拟方法进行镍基合金环形焊缝焊接数值模拟,焊后热处理模拟,并结合BS7910-2013《Guide to methods for assessing the acceptability of flows in metallic structures》进行压力容器结构失效评估研究。主要研究内容与成果如下:1)镍基合金管道环形焊缝残余应力数值模拟研究。以中国科学院上海应用物理研究所正在建造的钍基熔盐缩比仿真堆(TMSR-SF0)中的回路管道为研究对象,对管道焊接过程进行了数值模拟。首先对环形焊接模拟结果可靠性进行了验证;之后考察随内径厚度比D/B变化时,轴向与周向焊接残余应力以及变形量的变化趋势。发现内径厚度比影响焊接残余应力以及变形量的大小。2)管道环焊焊后热处理模拟。选取D/B=1环形焊接模型,依据Norton蠕变准则,在保温温度为650℃时,进行不同保温时间的焊后热处理残余应力的分析;然后选取合适的蠕变激活能,获取760℃时的Norton方程参数,进行相应的焊接后处理模拟,考察相同保温时间下,不同保温温度对降低焊接残余应力的影响趋势。进而对镍基合金焊接后处理工艺的优化提供有意义的参考,选择合适的保温温度,可在短时间内有效降低残余应力。3)含缺陷结构失效应力分析方法研究。根据英国结构完整性评估标准BS7910:2013,考虑焊接残余应力影响,采用FAD(Failure Assessment Diagram)失效评估方法对镍基合金压力容器筒体上含内表面裂纹焊接部位进行安全评估。首先采用有限元(FEA)方法,对压力容器V型、X型坡口环焊缝多层多道对接焊进行数值模拟,获取焊接残余应力分布,并将V型坡口对接焊焊接残余应力曲线与BS7910:2013标准残余应力分布进行了对比。其次,对BS7910:2013 1级-FAC(Failure Assessment Curve)曲线进行公式推导,在焊接位置考虑残余应力、应力集中、塑性失效因子三因素的影响,对轴向内部半椭圆裂纹进行了失效应力预测。残余应力分布直接影响失效应力的值,且结合有限元模拟方法得到的焊缝中心线处失效应力是偏保守的,更能保证工程参考的安全性。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL353;TG457
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景与研究意义
    1.2 焊接模拟发展现状
        1.2.1 国内焊接模拟研究现状
        1.2.2 国外焊接模拟研究现状
        1.2.3 焊后热处理模拟现状
    1.3 缺陷评估方法应用研究国内外研究现状
        1.3.1 国内缺陷评估方法应用研究现状
        1.3.2 国外缺陷评估方法应用研究现状
    1.4 本文主要研究内容
第2章 管道环形焊接模拟
    2.1 焊接过程基本形式与理论
        2.1.1 焊接传热本构方程
        2.1.2 应力场
    2.2 ABAQUS焊接模拟方法
    2.3 环形对接焊数值模拟
        2.3.1 环形对接焊模型参数
        2.3.2 材料属性
        2.3.3 网格无关性分析
        2.3.4 焊接过程瞬时温度场
        2.3.5 不同焊道时刻应力场变化
        2.3.6 模型验证
    2.4 不同D/B下变形与应力场结果分析
        2.4.1 不同D/B下变形量结果
        2.4.2 不同D/B时焊接残余应力结果
    2.5 本章小结
第3章 管道环焊焊后热处理模拟
    3.1 焊接后热处理模拟理论
        3.1.1 本构方程
        3.1.2 镍基合金蠕变激活能
        3.1.3 模型验证
    3.2 管道V型坡口环焊焊接后热处理模型
    3.3 管道V型坡口环焊焊后热处理结果
        3.3.1 相同保温温度不同保温时间焊后热处理结果分析
        3.3.2 不同保温温度焊后热处理结果分析
    3.4 本章小结
第4章 压力容器环形焊缝结构失效应力分析
    4.1 BS7910简介
    4.2 模型与参数
        4.2.1 结构模型与缺陷参数
        4.2.2 环形对接焊模拟有限元模型
        4.2.3 材料参数
    4.3 V型坡口环形对接焊残余应力
        4.3.1 周向残余应力
        4.3.2 轴向焊接残余应力
    4.4 X型坡口焊接残余应力
    4.5 依据FAD失效评定图失效应力计算
        4.5.1 FAC失效评定曲线化简
        4.5.2 失效应力计算结果
    4.6 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 创新性
    5.3 展望
参考文献
附录
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果作者简历

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本文编号：2871658