基于模拟件-产品件方法研究反应堆压力容器顶盖与多个CRDM管座焊接残余应力

提出模拟件-产品件有限元数值计算方法研究反应堆压力容器(RPV)顶盖与多个控制棒驱动机构(CRDM)管座焊接的残余应力分布。进行模型件制造和试验测试,获得温度循环、残余应力等数据,针对模拟件残余应力进行数值计算,以试验数据标定模拟件模型和算法并进行优化,最后将优化算法和模型应用于产品件的数值计算。将该方法用于包含2个非中心孔位置J型焊缝的RPV顶盖产品件焊接残余应力算。结果表明:模拟件-产品件的研究方法可应用于核电大型焊接结构的残余应力高效数值分析,CRDM管座焊缝之间的应力叠加效果不明显。     

焊接残余应力有限元分析技术研究

本文以岭澳核电站控制棒驱动机构(CRDM)耐压壳Ω焊接为例,应用ANSYS有限元生死单元技术模拟焊接流程,并计算焊接后残余应力的分布,绘制残余应力分布曲线并进行计算结果分析.通过本项目的研究,掌握了焊接残余应力的分析技术,达到了研究目的.     

焊接结构中的残余应力

本文讨论了焊接结构中残余应力的性质,包括其大小、方向性、空间分布、范围和种类。以下因素均会对残余应力产生影响：材料性能、材料制造、焊接构件的几何形状和加工工艺、焊接工艺、焊后处理工艺和服役条件。本文给出了板对接焊缝、管对接环焊缝以及表面堆焊中的残余应力分布实例。这些实例表明,不同几何形状的焊接接头,其残余应力的大小和分布是不同的。本文验证了各构件材料的力学性能、热学性能和相组成对残余应力的影响,以及在焊接过程中残余应力对焊道顺序和焊接中所使用约束的敏感性,并采用管材和压力容器的对接环焊缝的一般范例来进一步阐明测量点到焊缝的距离及焊后热处理对残余应力的影响。残余应力的实测值或模拟计算值存在大的分散性和不确定性。这种分散性可能是由测量点或材料性能的差异等系统因素造成的,或者是由所测数据的实验误差、模拟分析时的错误假定,或者是由预先存在的残余应力、记录不全的焊接或制造工艺和未记录的局部修复等未知因素导致的。为了提高残余应力的预测准确度和降低不确定性,需要更好地记录焊接结构及其零部件材料的制造过程、服役史,并更好地理解和分析许多可能影响残余应力的工艺过程。     

焊接残余应力有限元分析技术研究

以岭澳核电站控制棒驱动机构耐压壳Ω环焊接修复为例,应用ANSYS有限元生死单元技术模拟焊接流程,计算出焊接后残余应力的分布,绘制出残余应力分布曲线,并与美国WSI公司的计算结果进行对比分析.结果表明,本课题的计算结果与美国焊接公司(WSI公司)一致.因此,焊接残余应力有限元分析技术可以用于反应堆耐压壳焊接修复评价.     

核电厂反应堆压力容器和主管道焊缝残余应力分析

综述了现有的反应堆压力容器和主管道焊缝残余应力的测试结果和残余应力选取的实践经验。对于反应堆压力容器环焊缝,残余应力沿壁厚呈余弦分布,其最大值可取为60MPa。对于主管道对接环焊缝,最大残余应力区域通常位于在焊缝中心线且靠近管道外表面,而运行过程中的缺陷常出现在内表面区域,在进行安全性评价时焊缝最大残余应力可取为100MPa。     

CRDM管座多道焊焊接残余应力计算方法研究

使用有限元方法,预先分析控制棒驱动机构（CRDM）管座区域过盈配合产生的预应力场,再通过依次模拟多道焊加热和冷却的过程,开展CRDM管座坡口的焊接残余应力数值模拟研究,分析冷装工艺和多道焊焊接残余应力对CRDM管座的共同作用,分析焊道之间的冷却时间的影响,为工程设计和修复提供支持。     

压力容器CRDM及BMI贯穿件J型焊缝超声波检验技术

1000 MW级反应堆压力容器(RPV)控制棒驱动机构套管以及下底圆中子通量仪表检测管贯穿件(BMI)J型坡口焊缝,由于其结构的特殊性,常规手工超声波检验方法不能对管子与焊缝熔合界面进行检验。通过研究提出了A+B+C扫描自动超声波检测系统的技术指标并对相关要求进行了规定。通过该系统在J型焊缝检验中的实际运用,解决了J型焊缝中对缺陷的定性、定量、定位及伪缺陷识别问题。     

镍基合金压力容器环形焊缝残余应力数值模拟与失效应力分析

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,采用失效评估图(Failure Assessment Diagram,FAD)方法对镍基合金压力容器焊接部位内表面裂纹进行安全评估。首先采用有限元分析(Finite Element Analysis,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曲线进行公式化简,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。结果表明:残余应力的分布直接影响计算结果,残余拉应力越大,相应失效应力越小;残余应力值和裂纹深度a保持不变,失效应力计算结果随c/a(c为裂纹半长)增大而减小;当c/a比值不变,失效应力值随着a增大而减小。本文焊接残余应力模拟即及失效应力预测方法为以后含缺陷压力容器及管道失效应力计算(寿命预测)提供一定的参考。     

中子衍射残余应力分析技术及其应用

中子衍射方法可以用来测量材料内部的三维残余应力分布,是一种重要的无损检测分析手段。本文概述了中子衍射残余应力分析的基本原理、特点和发展现状,并简要介绍了其在工程和材料科学领域的应用情况与前景。     

STE460钢厚焊缝残余应力的中子衍射研究

管道焊接残余应力是影响管道安全和使用寿命的关键因素。中子衍射是唯一无损检测厚钢焊缝结构完整性的方法。本文主要采用中子衍射谱仪,辅以显微镜和硬度分析仪研究40 mm厚STE460钢管钨极惰性气体保护焊得的焊缝的残余应力分布、微观形貌、维氏硬度等。研究结果表明,焊缝的残余应力最高达670 MPa,非常接近STE460钢抗拉强度极限,而热影响区内的残余应力很小。全峰半高宽分析表明,焊缝区域塑性形变程度较低。整个焊缝不同区域的晶体显微照片表明其皆是均匀细晶。沿着焊缝方向和垂直焊缝方向的维氏硬度几乎一致,均在（200~250）HV02范围内。分析测试结果不仅满足工业应用里的电站基础结构建设和其他非破坏性残余应力评估装置校准的需求,并能增加对STE460钢厚截面焊缝的认知。     

残余应力作用下的不锈钢管道环向穿壁裂纹闭合效应研究

管道环向穿壁裂纹在不同载荷水平作用下的张开位移预测值是破前漏技术应用的关键核心参数。针对具有代表性几何尺寸的奥氏体不锈钢管道,采用数值分析和对比验证相结合的方法,基于工程中实际测得的材料性能曲线研究了典型焊接残余应力作用下穿壁裂纹临界闭合应力的变化规律。分析结果表明,目前的通用电气有限公司/美国电力研究院（GE/RPRI）方法和美国核管会技术报告NUREG/CR-6837修正方法均低估了由美国机械工程师协会（ASME）规范工作小组推荐的简化残余应力场所导致的管道环向穿壁裂纹闭合效应。此外,分析了环向穿壁裂纹闭合状态下管道的失效模式,在此基础上进一步讨论了裂纹闭合效应对破前漏技术应用的影响,为后续工程实践提供了可借鉴的技术观点。     

反应堆压力容器内部大尺寸环形异种金属焊缝残余应力分布研究

获得反应堆压力容器内部大尺寸环形异种金属焊缝残余应力分布可为反应堆压力容器结构设计和制造工艺优化提供指导,通过设计和制造能够代表产品焊接结构形式的镍基合金和低合金钢异种金属焊接结构模拟件,采用轮廓法测试焊接结构模拟件内部纵向残余应力,采用有限元法模拟计算焊接结构模拟件横向和纵向残余应力,获得了整个异种金属焊接接头残余应力分布特征。结果表明：焊缝区域内部纵向残余应力为拉伸应力,峰值应力达到500 MPa左右,并且表层应力大于内部应力,峰值应力出现在距下表面3 mm和24 mm位置;横向残余应力在焊缝区域从上表面到下表面的分布为拉应力-压应力-拉应力,压缩横向残余应力峰值达到−300 MPa,出现在距下表面约18 mm位置。本文研究可为焊接结构设计提供理论指导。     

Simulation of two regime sodium flows in a parallel plate channel during buoyancy-driven flow

Due to the remaining decay heat, the reactor core has yet to be cooled after shutdown. As the reactor power is low, the core can be sufficiently cooled by natural convection. The coolant flow is driven by buoyancy, as the heated fluid decreases its density. During buoyancy-driven flow, a reverse flow may take place when a heat sink exists close to the heat source, such as in a wall (edge) or corner subchannels. For simplicity in applying boundary condition, the reverse flow is simulated by two parallel plates, one as a heat source having positive heat flux and the other as heat sink with negative heat flux.     

核电厂不锈钢覆面焊接模拟件腐蚀行为研究

对3种核电厂乏燃料水池不锈钢覆面材料S32205、S32101和S30403的焊接模拟件,在H₃BO₃浓度2500 mg/L、SO₄²⁻浓度1500 mg/L、Cl⁻浓度5%、pH值5.0、温度80℃、饱和氧的条件下浸泡6个月,对比研究其腐蚀行为。结果发现：S30403焊接模拟件在焊接节点和缝隙附近出现了大量的氯致应力腐蚀裂纹;S32101焊接模拟件出现了腐蚀坑,在焊接节点和缝隙附近腐蚀尤其严重;S32205焊接模拟件腐蚀最轻,试件表面未发现腐蚀坑及裂纹。研究表明：3种材料模拟件的耐腐蚀性规律为：S32205>S32101>S30403。S32205具有良好的综合力学性能和耐腐蚀性能,是一种理想的改进型水池覆面材料。     

不锈钢管道焊缝金属随机循环应力幅的良好统计模型

与现有确定性分析方法不同,考虑材料循环变形的分散性,应用确定不锈钢管道焊缝金属随机循环应力幅统计模型的方法研究了1Cr18Ni9Ti不锈钢焊缝金属循环应力幅的良好统计模型。综合考虑了总体拟合效果、与疲劳失效机制的一致性和分析结果的安全性三要素,分析比较了三参数Weibull、两参数Weibull、极小值、极大值、正态、对数正态和指数分布对试验数据的拟合效果。结果表明,极小值、极大值、正态和对数正态分布可作为良好假设分布,以极小值和正态分布最好。其余分布因不符合三要素之二或三项,不适于表征循环应力幅数据。     

泰勒涡对间隙流体传热的影响

核电主泵上飞轮外侧狭窄流道中的间隙流体受高速旋转的飞轮影响可能会产生泰勒涡的流动现象,从而加速了间隙处流体的热量交换。主泵结构温度场分析需要通过对上飞轮处的流体分析来提供设计输入。本文使用CFX程序对环形间隙中滞流流体的流场及温度场等进行了分析,还探讨了转速和间隙大小对泰勒涡流动形态的影响。得到了等效导热系数和热源等结果。转速和径向间隙的大小可调节上飞轮温度场的分布。     

Long-Term Integrity of Waste Package Final Closure for HLW Geological Disposal, (III)

Overpack, a high-level radioactive waste package for Japan's geological disposal program, is required to isolate the sealed vitrified waste from contact with groundwater for 1,000 years. In this study, EBW (Electron Beam Welding), a typical application of high energy density beams widely used in various industries, was examined for its applicability to sealing a carbon steel overpack lid with a thickness of 190 mm. Welding conditions and welding parameters were examined for single-pass welding in a narrow area for three different penetration depths. Weld joint tests including macro- and microstructure, and mechanical properties were conducted and assessed within tentatively applied criteria for weld joints. Measurement and numerical calculation for residual stress were also conducted and the tendency of residual stress distribution was discussed. These test results were compared with the basic requirements of the welding method for overpack, which were pointed out in our first report. The induced void and cold shut inside the weld joint and surface roughness were also discussed for their improvement and evaluation, which need to be established to assure the long-term integrity of overpack lid closure.     

聚乙烯膜对样品残余应力测试的影响

采用X2001应力分析仪测试了α-Fe和铍样品表面分别覆盖聚乙烯膜前后的残余应力,探讨了残余应力测试值变化的原因及其规律。样品表面覆盖聚乙烯膜后,由于校准距离D的增大,使得衍射峰向低角度方向偏移,从而引起应力实测值发生了改变。通过对应力实测值进行修正,可获得样品内的真实应力。