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含局部减薄缺陷安全端异种金属焊接接头极限载荷研究概要

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含局部减薄缺陷安全端极限载荷研究目录目录 (2)1 绪论 (3)1.1 研究背景及意义 (3)1.2 极限载荷的研究方法 (3)1.2.1确定极限载荷的方法 (4)1.2.2确定极限载荷的准则 (4)1.3 含缺陷安全端异种金属焊接接头极限载荷研究 (4)2 安全端极限载荷研究 (6)2.1 安全端结构与材料参数 (6)2.2安全端有限元计算模型 (7)2.3安全端应力分析 (10)2.4安全端极限载荷确定 (14)3含局部减薄缺陷安全端极限载荷研究——局部减薄缺陷位于安全端异种金属焊接接头.. 173.1 有限元模型 (17)3.2 极限载荷的确定方法 (18)3.3 应力分析 (19)3.4 极限载荷研究 (47)4含局部减薄缺陷安全端极限载荷研究——局部减薄缺陷位于安全端接管座 (56)4.1 有限元模型 (56)4.2 极限载荷的确定方法 (58)4.3 应力分析 (58)4.4 极限载荷研究 (86)5 总结 (96)1 绪论1.1 研究背景及意义随着能源供应的日益紧张，世界各国对自身的能源供应及安全问题越来越重视，核电终于打破了多年的沉寂，以其安全良好的运行业绩以及清洁环保的因素逐渐受到了广泛的重视。

从长远看，要解决我国能源长期增长需要，特别是东部沿海地区的能源问题，并从根本上改善环境，减轻交通运输负担，促进经济长期持续稳定的发展，还须利用核能发展核电。

核安全是核电发展的生命线，不能有丝毫马虎，前苏联的切尔诺贝利和美国三哩岛核电事故给人们敲响警钟。

目前关于核承压设备结构的设计及寿命和可靠性评价的理论基础和技术方法仍有许多不完善之处。

第三代API000机组容量的增大和系统简化使蒸汽发生器和反应堆压力容器等重要部件单体尺寸增加，重量增加，加工精度要求提高，并且设计寿命延长到60年。

这对国内制造业是一个挑战，所带来的影响将贯穿从材料、工装设备更新、制造工艺、精度保证、过程检验、质量评价等整个制造过程。

这种第三代API000的新设备结构，新材料及新制造工艺等对安全可靠性所带来的影响还不清楚，而且国内外还没有实际长时间运行第三代核电机组的经验，缺乏实际服役中与设备安全可靠性相关的现象和数据。

因此如何保证和评价所制造的AP1000的蒸汽发生器和反应堆压力容器等重要部件的安全可靠性并预测其服役寿命是第三代核电设备国产化中遇到的关键技术问题之一。

焊接是核承压设备制造中的关键工艺，在蒸汽发生器和反应堆压力容器中含有大量的焊接接头。

这些接头存在化学成分，组织结构和力学性能的不均匀性及残余应力，在几何上也存在不连续性，并在加工制造中容易产生各种冶金缺陷。

是结构发生破坏的薄弱环节。

尤其是核电一回路安全端异种金属焊接接头结构中的缺陷对安全构成很大威胁，如何准确评价这些缺陷的安全性，是需要研究的重要课题。

核电回路承压设备安全端异种钢焊接接头是一种特殊的焊接结构，涉及反应堆一回路压力边界，属于核安全重点关注部位。

1.2 极限载荷的研究方法对于由理想弹塑性材料制成的构件或结构，当外载达到一定值时，即使载荷不再增加，塑性变形仍可继续增长，这种状态称为极限状态，而这种状态所对应的载荷被称为极限载荷。

由于材料在进入塑性变形阶段后，其应力－应变关系是非线性的，这种非线性计算在求解时往往会遇到数学上的困难。

为了避免这些困难，在工程实践中往往采用近似的方法，即只计算结构的极限载荷而不考虑其变形过程，这种方法叫极限分析方法。

与常规计算相比，极限分析更能反映结构的性能，进一步发挥材料的潜能。

1.2.1确定极限载荷的方法目前的研究和工程应用中，确定极限载荷的方法主要有以下几种：(1) 塑性极限定理(2) 弹塑性有限元法(3) 试验法1.2.2确定极限载荷的准则极限载荷的定义是基于材料是理想塑性体前提之上的，且仅考虑小变形的情况。

事实上，由于材料的应变硬化效应和几何的强化及弱化效应，理想的极限状态是很少发生的。

为此，确定真实结构的极限载荷采用什么样的准则成为工程界十分关心的问题，并提出了许多准则。

WRC Bulletin 254对极限载荷的力学概念进行了阐述，并总结了求取极限载荷的若干准则如下：(1) 切线交点准则(2) 塑性模量准则(3) 0.2%残余应变准则(4) 两倍弹性变形准则(5) Demir-Drucker准则(6) 两倍弹性斜率准则(7) 三倍δ准则(8) 塑性功准则(9) 零曲率准则1.3 含缺陷安全端异种金属焊接接头极限载荷研究在美国ASME标准第XI卷，涉及核电设备缺陷评定的附录C中，提出了基于允许缺陷深度的核电管道的缺陷评定方法。

在这一方法中，将安全端异种金属焊接接头中的缺陷简化为直管处理。

与均匀单一材料制造的直管相比，安全端具有复杂的几何结构和焊接坡口；由包括两种母材、两种焊缝及其热影响区和界面的复杂材料所构成；并工作在一回路的高温高压含氧水介质中，承受包括内压、弯曲、自重、热应力、残余应力、温度和压力波动引起的交变应力、地震动载等复杂载荷。

简化为直管的评定未能充分考虑这些复杂性，给评定结果可能带来变数。

目前还没有用于安全端接管这种特定复杂结构和材料的专用缺陷评定方法。

对含局部减薄缺陷安全端结构的研究工作目前也并没有提及，因此考虑内压，弯矩组合载荷下的极限载荷研究十分有必要。

本研究对AP1000核电压力容器安全端结构建立三维有限元分析模型，通过对假想存在于焊缝中不同尺寸的内表面局部减薄缺陷进行有限元分析，对安全端异种金属焊接接头区开展缺陷评定研究。

拟构建与安全端复杂结构几何、异种金属接头区复杂材料及缺陷尺寸相关的评定方法。

2 安全端极限载荷研究2.1 安全端结构与材料参数安全端异种钢焊接接头是一种特殊的焊接结构，涉及反应堆一回路压力边界，是核安全重点关注部位。

图2.1为典型的核反应压力容器安全端及异种金属焊接区示意图，安全端由接管嘴与安全端通过异种金属的焊接而构成，其下端与承压容器相连，上端与一回路主管道相连。

因此，承压容器、安全端与一回路主管道共同构成一回路压力边界，其设计工作压力17MPa左右，温度为288~340 o C。

根据设计及使用要求，安全端焊接接头一般是在低合金高强钢焊接坡口面上先预堆焊一层镍基合金后，再用镍基合金焊材将之与奥氏体不锈钢焊接在一起而得到焊接接头，如图2.1所示。

整个接头由四种材料构成，即A508，308L(309L)，316L。

图2.1核反应堆压力容器安全端结构图根据API000核电安全端实际结构尺寸进行三维建模，安全端结构如图2.1所示。

图中四个不同颜色分别表示不同材料。

即：A-316L，B-309L，C-308L，D-A508。

其中A508内壁为308L，焊缝材料为309L。

根据材料单轴拉伸实验结果获得4种材料的力学计算参数：弹性模量E均为180000MPa，泊松比入均为0.3，核电服役温度(340o C)下四种材料的应力-应变曲线如图2.2所示。

其中308L和309L材料力学参数一致。

0.0000.0050.0100.0150.020050100150200250300350400450500550600 A508308L(309L) 316L真应力σ（M P a ）真应变ε图2.2安全端3种材料真应力-应变曲线2.2安全端有限元计算模型由于对称性，为了减少计算量，选取实际安全端结构的二分之一建立三维有限元模型。

设置的边界条件及施加的相应载荷如图2.3所示。

边界条件的设定，在反应堆压力容器右端设置固定约束。

对称面上设置的是对称约束。

载荷方面，设置核电一回路管道内压17MPa 。

在压力容器左端施加等效轴向载荷-67.092MPa 。

在安全端右侧与一回路管道连接处利用藕合方法在参考点上施加弯矩以及等效轴向载荷-39.907MPa 。

模型选取三维单元类型为C3D20R ，典型结构网格单元总数为7188个，节点总数为34628个，边界条件及整体模型网格如图2.3所示。

(a) 载荷与边界条件(b) 模型整体网格划分(c) 安全端网格图2.3 安全端三维结构FEM模型有限元结果精度进行简单的验证。

为了验证有限元网格无关性，取三个不同数量网格的有限元模型做分析比较。

分析结果见图2.4以及表2.1。

有限元结果说明，研究所取的网格疏密对结果没有影响。

2468100.00.20.40.60.81.01.21.41.6 31493个节点 34628个节点 40949个节点当量载荷位移/mm图2.4 有限元网格无关性验证表2.1 有限元网格无关性验证节点数31493 3462840949 极限载荷（KN·m ）7769 7769 77702.3安全端应力分析由于安全端受载及结构的复杂性，安全端处各位置所受到的应力是不同的。

为了研究不同位置的应力情况，可以在有限元模型上定义三条不同方向的路径，路径为焊缝缺陷所在的位置。

路径如图2.5所示。

另外不同弯矩载荷下的Mises 应力云图如图2.6所示。

三条路径上的应力分布结果如图2.7所示。

路径1-壁厚方向 路径2-轴向 路径3-环向图2.5 安全端结构应力路径图(a) M=0 KN·m(b) M=2000 KN·m(c) M=4000 KN·m(d) M=6000 KN·m图2.6 安全端结构在不同弯矩组合下的Mises应力云图020*********406080100120140160 0KNm 2000KNm 4000KNm 6000KNmM i s e s 应力/M P a距离/mm(a)51015202530708090100110120130140 0KNm 2000KNm 4000KNm 6000KNmM i s e s 应力/M P a距离/mm(b)20040060080010001200140060708090100110120130140 0KNm 2000KNm 4000KNm 6000KNmM i s e s 应力/M P a距离/mm(c)图2.7不同弯矩作用下安全端的Mises 应力分布：(a) 路径1 (b) 路径2 (c) 路径3根据图2.7中的结果可以看出以下应力分布规律：沿着安全端壁厚方向，弯矩为0时应力分布是从内壁到外壁逐渐变小的趋势，随着弯矩的增加，应力分布逐渐呈现相反的趋势，从内壁到外壁应力值逐渐变大，随着弯矩的增加，应力值整体增大，整个路径的应力值也是随着弯矩的增加而不断增加的。

沿安全端内壁轴线方向，弯矩为0时应力分布几乎是一致均匀的，随着弯矩的增加，应力分布不再是均匀的，呈现出微小的先增后降的规律，整个路径的应力结果随着弯矩的增加不断增加。

沿着安全端焊缝处环向方向，应力分布规律稍微复杂些，当弯矩为0纯内压载荷时，应力值沿着环向路径先减小后增加，变化幅度很小，呈现对称性，这可能是因为与筒体相交部分的局部应力集中效应对这一区域的影响，导致这一部分结果略偏大，随着施加弯矩的增加，受拉的一边应力值逐渐变大，受压的一边应力呈现幅度很小的衰减，两边的应力值差距不断增加，这反映了弯矩载荷和内压载荷分别作用时安全端结构处应力分布规律差异性比较显著，因此出现这种应力再分布特点。

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含局部减薄缺陷压力管道承载能力研究

含局部减薄缺陷压力管道承载能力研究

机械设计与制造
第3期
224
酝葬糟澡蚤灶藻则赠 阅藻泽蚤早灶 驭 酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻
圆园20 年 3 月
含局部减薄缺陷压力管道承载能力研究
代 巧 1，彭 剑 2，3，刘浩浩 2
（1.江苏理工学院机械工程学院，江苏 常州 213001；2.常州大学机械工程学院，江苏 常州 213164； 3.江苏省绿色过程装备重点实验室，江苏 常州 213164）
粤遭泽贼则葬糟贼：The local wall thinning defect will reduce the load carrying capacity of pressure pipe，and affect its safe operation. Based on stress strength assessment，limit load analysis and safety assessment standard，the load carrying capacity of pipe with local wall thinning defect was systematically studied. The effects of defect sizes（the relative axial length，the relative circumferential angle and the relative depth）on allowable load，limit load and safety assessment load were discussed. The results show that the most critical factor on the load carrying capacity is the relative depth，and the second one is the relative axial length. The least influence factor is the relative circumferential angle. Based on the comparisons among three methods， the allowable load agrees with the safety assessment load，and the limit load is higher than the allowable load about 34.92%. The ratio of the allowable load and the safety assessment load fluctuates within a certain range，which is related with the defect’s size. The ratio of the limit load and the allowable load is independent of the defect’s size. The allowable load and the safety assessment load are conservative with respect to the limit load，which meets the requirement of engineering application. Key Words：Local Wall Thinning Defects；Pressure Pipe；Load Capacity；Allowable Load；Limit Load；Safety Assessment Load
异种钢（不锈钢与低合金钢）焊接接头力学性能研究

异种钢（不锈钢与低合金钢）焊接接头力学性能研究

异种钢（不锈钢与低合金钢）焊接接头力学性能研究发布时间：2022-08-17T07:42:51.433Z 来源：《科学与技术》2022年第4月第7期作者：常康[导读] 利用拉伸及冲击材料试验机等通过手工钨极氩弧焊对异种钢（不锈钢与低合金钢）焊接接头的力学性能进行了研究。

常康一重集团大连核电石化有限公司摘要：利用拉伸及冲击材料试验机等通过手工钨极氩弧焊对异种钢（不锈钢与低合金钢）焊接接头的力学性能进行了研究。

结果表明：异种钢焊接接头（手工钨极氩弧焊）室温最小抗拉强度为540MPa，焊接接头弯曲试验结果无裂纹，热影响区冲击功≥134J，金相检验未发现焊接缺陷，基本能够满足中国自主设计的三代核电容器的不锈钢堆焊层上的附件焊接需求；关键词：三代核电；异种钢焊接接头；手工钨极氩弧焊引言手工钨极氩弧焊以其操作灵活的特点在核岛一回路上有广泛应用，主要包括稳压器、蒸发器、主管道等产品的堆焊、封根焊、组焊。

本文通过采用手工钨极氩弧焊异种钢对接焊试验，对核电容器上普遍采用的异种钢（不锈钢与低合金钢）焊接接头的力学性能进行研究[1]。

1、试验方法[2]对接焊试板材质为316不锈钢与Mn-Ni-Mo低合金钢，接头简图如图1所示，即通过在低合金钢侧堆焊不锈钢隔离层，然后再与不锈钢完成对接焊。

焊接方法为手工钨极氩弧焊，使用焊材见表1，焊接规范见表2。

2.2冲击性能焊接接头冲击试验结果见表4。

共五组试样：1#~5#；每组三个v型缺口冲击试样。

由表可知，焊接接头的整体冲击性能良好，能够满足三代核电技术普遍要求的冲击功≥60J。

由1#~2#试样结果可知，在试验温度相同情况下，隔离层与焊缝的冲击性能相近。

由3#~4#试样结果可知，低合金钢侧距离熔合线1mm的冲击性能略高于距离熔合线4mm的冲击性能。

由5#试样结果可知，不锈钢侧热区冲击功更高，更接近不锈钢本身的冲击性能。

试验满足RCC-M 2007 MC1221要求。

3、结论（1）异种钢（不锈钢与低合金钢）焊接接头强度最小抗拉强度为540MPa；（2）焊接接头0℃最小冲击功为134J；（3）焊接接头抗弯能力强；（4）宏观及微观金相未发现焊接缺陷；基于上述四点表明，这种带有隔离层的异种钢焊接接头基本能够满足中国自主设计的三代核电容器的不锈钢堆焊层上的附件焊接需求。

基于极限载荷与断裂强度的5A06铝合金焊接缺 陷安全性评定的数值方法研究

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2.2. 有限元模型
针对图 2 所示的平板对焊工艺为：首先是激光自熔焊接区，然后是激光填丝焊。设模型中间位置存 在穿透型平面裂纹，可将计算模型简化为二维带裂纹模型。 由于模型具有对称性，故可取 1/4 模型进行计算，使用四边形八节点单元(plane183)，为保证计算精 度，对于裂纹前沿做网格的局部细化，模型共 39675 个单元，划分网格及约束如图 3 所示。
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1. 引言
焊接工艺已广泛运用于机械制造中，焊接接头作为结构构件中的薄弱环节，其安全性很大程度上影 响到结构整体的安全程度。 虽然现在焊接工艺越来越成熟， 但焊接结构构件中要获得无缺陷的焊接接头， 在技术上是相当困难的，也是不经济的，故焊接构件避免不了存在残余应力与焊接缺陷(孔洞、裂纹)。因 此研究焊接结构构件满足使用要求下，将缺陷限制在多大的范围之内，使其对焊接结构构件的运行不致 产生危害成为了一个重大课题。 自从 Dowling 和 Townley 基于“合于使用原则”提出失效评估图(FAD)技术[1]以后，因其同时考虑 塑性破坏与脆性断裂而得到了广泛认可并迅速的得到发展，之后围绕着 FAD 技术的研究工作从未间断。 如考虑循坏加载[2]和混合加载[3]、高温和蠕变[4]、概率与可靠性[5] [6]、多裂纹[7]和韧性断裂[8]等的 FAD 评估。一些知名机构也基于 FAD 建立起了规范与标准，如 API 579，BS 7910，CEGB R6，JEME 和 SINTAP。并后续有基于规范进行比较验证与改进的研究工作。如基于应变的 FAD 评估[9] [10]、针对 三维面裂纹提出的统一约束参数的 FAD 评估[11]。现失效评估图(FAD)技术可应用于管道与压力容器 [12]-[21]等众多领域的安全性评估当中。 虽然 FAD 技术应用广泛，然而针对焊接构件的 FAD 评估还有待进一步深入，当前很多的研究工作 都是围绕着规范进行，如潘建宾[22]等运用 R6 规范讨论了裂纹位置对承载能力的影响，王元清[23]等人 介绍 SINTAP 的 FAD 评估步骤，并与断裂判据 KIC 进行了对比。Yun-Jae Kim 等人[24]阐述了欧洲工业结 构完整性评定方法(SINTAP)中对于焊接接头强度不匹配的缺陷评定方法，给出了该方法的有限元和实验 验证。其众多研究说明了标准的可靠性，然而规范的评价体系是同时满足多数材料的 FAD 评估，故针对 部分材料的安全性评估十分保守，经济性差。故探究一种灵活的、针对各种材料的安全评估方式是十分
含局部减薄缺陷弯管的极限载荷研究毕业论文

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Key words:limit load;elbow;local wall thinning;torque;finite element analysis
第一章绪论
1.1引言
压力管道在石油、化工等工业领域担负着输送易燃、易爆、高温、腐蚀、有毒等介质的重要任务，它是油气储运装置中不可缺少的重要组成部分。弯管是用于管线改向的常用管道部件，与直管相比，往往存在壁厚不均匀及截面椭圆化等缺陷，而且弯管不仅承受内压载荷，还承受轴向力、弯矩及扭矩等多种载荷的作用，这些均增加了弯管发生塑性破坏的机会，使其成为管道中的薄弱环节。在众多的管道事故中，有相当多的事故是由弯管引起的。
WalБайду номын сангаас Thinning Defects
ABSTRACT
Elbows are often considered to be the critical components in a pipe system, which have to bear the complex loads and become the weakest part of the pressure piping system. Local thinned area is one of common defects in elbows. Many of literatures on research of LTA primarily addresses to application in straight pipe and less work relates to elbow. And at present, local wall-thinning pipeline researchisalsolimited tobeingunderthe action ofinternal pressure, bendingmoment. For local wall-thinningpressure pipingunder the action oftorque load,the limit load and failure assessment is less studied,resulting inthe lack of theoretical basis on thefailureassessmentof pressurepipewith localwallthinningdefectunder the action oftorqueloadin the practical engineering application.