非中心穿透裂纹对LBB技术应用的影响分析

随着LBB技术的发展和应用推广,可运用详细的裂纹扩展分析技术,通过周密的分析论证,以证明带缺陷管系在使用寿期内同样能够满足SRP3.6.3中关于LBB技术应用的、与泄漏探测能力、裂纹稳定性和载荷相关的裕量要求。在这种前提下,一些额外的分析就必不可少。其中之一即为需要考虑载荷对称中心与裂纹对称中心不重合情况,即所谓的非中心裂纹,对LBB技术应用的影响。本文以压水堆核电厂中DN150、DN350和DN550管径的核1级高能管道中非中心裂纹为研究对象,先从偏心角度对裂纹张开面积的分析着手,进而研究其对泄漏率分析与裂纹稳定性分析的影响,并对非中心裂纹对LBB技术应用的影响做了综合性的分析总结,为今后含缺陷管道应用LBB技术的分析提供参考与借鉴。     

含环向穿透裂纹管道LBB裂纹扩展稳定性计算程序开发

在管道LBB设计和评定中,J积分和裂纹扩展稳定性的计算过程复杂,为提高计算精度和效率,需采用改进的计算方法,并实现程序软件的计算。本文基于增强参考应力法(ERS法)的J积分计算和J积分稳定性评定图法,开发LBB裂纹扩展稳定性计算程序,此程序可计算含环向穿透裂纹管道的LBB失稳载荷和临界裂纹长度。所开发的程序实现了单纯拉伸载荷、弯曲载荷及拉弯复合非比例加载下的裂纹扩展稳定性计算,并提供了两种材料真应力-真应变关系参数的输入计算方法,拓宽了现有计算方法的局限性。通过有限元计算结果和文献中管线试验结果与程序计算结果的对比分析,验证了计算程序的准确性。     

两裂纹在核管道中应力强度因子的相互影响研究

随着核电站的老化,核管道安全评估变得更为重要。以往核管道的损伤容限评定通常只考虑单一裂纹问题,或只局限于研究一个主裂纹的问题,或主要集中于考虑两个裂纹满足何条件时,二者方可合并为一个裂纹的问题,对多裂纹情况下应力强度因子变化规律的研究较粗糙。在理论与方法方面,多裂纹问题一直是断裂力学不够完善的部分。本文以核管道的内表面裂纹为对象,采用有限元法分析核管道两个裂纹情况下的应力强度因子,得到其随裂纹间距、裂纹长度、裂纹深度变化的规律。又两个裂纹的现象为多裂纹现象中最基本的情况,即本研究工作可为存在多裂纹的核管道的安全评估提供方法依据。     

核级管道材料高温疲劳裂纹扩展行为实验研究

为研究核级管道材料在500℃以上的高温疲劳裂纹扩展性能,对管道母材、焊缝和热影响区材料进行了高温条件下的疲劳裂纹扩展速率试验,基于概率分析方法获得了考虑不同存活率的概率疲劳裂纹扩展曲线。研究结果表明,高温条件下,管道不同位置区域材料的疲劳裂纹扩展性能存在较为明显的差异,焊缝和热影响区的抗疲劳裂纹扩展能力明显优于母材。试验研究结果可用于核反应堆管道结构安全评估和断裂力学分析。     

管道裂纹泄漏率计算方法研究

介绍了常见的管道环向和轴向贯穿裂纹在拉伸和弯曲载荷下的张开位移计算方法,给出了基于Henry均匀非平衡流模型的管道裂纹泄漏率计算方法。将上述方法程序化,利用公开文献中的裂纹张开位移和泄漏率的试验结果与相应的计算结果进行对比研究。结果表明,利用上述计算方法能够有效预测管道裂纹张开位移和泄漏率,可用于LBB裂纹泄漏评估;但上述方法不是精确计算方法,在工程应用时需考虑一定的保守系数。     

具有内表面裂纹高压厚壁圆管的疲劳寿命分析

从KI的基本表达式出发,利用Schmitt-Keim影响系数并考虑压力介质的影响,对两支具有初始裂纹的模拟管进行了局计算.计算KI达到KIC的裂纹深度,与实验一致.本文将Paris方程作为厚壁圆管内表面裂纹扩展速率模型并给出方程系数,计算结果与实验结果相吻合.在此基础上计算了实验模拟管的疲劳寿命,给出了压力.疲劳寿命关系曲线.不失一般性,给出具有内表面裂纹高压厚壁圆管的疲劳寿命保守计算.     

不同材料的核电厂主管道LBB评估对比研究

我国核电厂主管道的材料主要有铸造奥氏体不锈钢(CASS)和锻造不锈钢(WSS)。针对CASS和WSS两种材料的主管道,依据美国核管会的SRP3.6.3进行主管道硬前漏(LBB)评估的对比研究。考虑热老化效应获取可信的材料性能数据,根据材料性能差异采用极限载荷法或J积分撕裂模量汇交法计算临界裂纹尺寸。根据Henry均匀非平衡双相流模型计算泄漏裂纹尺寸,并通过环向表面裂纹和贯穿裂纹的扩展分析论证了裂纹疲劳扩展不会导致管道的突然断裂。研究结果表明,WSS材料和CASS材料相比具有更好的LBB性能。     

核压力容器异种金属焊接接头延性断裂行为数值研究

使用GTN损伤模型与有限元计算相结合的方法,对核电安全端异种金属焊接接头试样裂纹扩展路径及J-R阻力曲线进行数值研究.结果表明:异种金属接头中的堆焊层及焊缝中心裂纹扩展路径和均质材料基本相同,而界面及近界面裂纹的扩展路径显著地偏离初始裂纹位置.界面裂纹及近界面裂纹倾向于向屈服强度低的软材料一侧扩展,这是由裂尖前区域不同材料的强度失配所致.不同初始位置和不同尺寸的裂纹具有不同的材料拘束和几何拘束,其J-R裂纹扩展阻力曲线不同.宏观断裂力学无法预测这种裂纹的扩展路径和扩展阻力,基于GTN损伤模型的数值计算方法可以预测这种裂纹的扩展路径及扩展阻力,可望用于安全端焊接结构的完整性评定和破前漏分析.     

最佳自增强下厚壁圆筒表面轴向裂纹研究

基于有限元软件ANSYS分析了厚壁圆筒的最佳自增强压力.计算了在相应工作压力下自增强圆筒内表面轴向裂纹Ι型应力强度因子.考虑了裂纹的几何形状、深度等影响因素,对圆筒内外两侧同时存在裂纹的情况进行了研究.结果表明:最佳自增强压力随工作压力而变化;自增强后应力强度因子的减少量随裂纹加深而降低;外部裂纹可使内裂纹应力强度因子降低1%左右.     

热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹疲劳扩展的数值模拟

介绍了应用三维断裂分析软件FRANC3D(Fracture Analysis Code in 3Dimensions)进行疲劳裂纹扩展分析的相关原理,利用该程序对热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹在疲劳载荷作用下的扩展进行了数值分析;将数值模拟结果和相关试验结果进行了对比.结果表明:数值模拟和实际表面裂纹扩展路径基本相似;在加氢反应器使用寿命范围内,用FRANC3D程序预测的裂纹扩展速率比实验值保守.     

含缺陷承压管道裂纹扩展计算及程序开发

通过对某核电厂承压设备在役检查发现缺陷后的处理计算,阐述了基于线弹性断裂力学机理的裂纹扩展的计算分析和评定方法,计算方法中考虑了缺陷深度和长度的耦合作用。并在此基础上,运用Visual C++语言,开发裂纹扩展计算程序。程序内全面考虑了反应堆冷却剂系统(RCS)一次侧设计瞬态、反应堆冷却剂系统二次侧设计瞬态的交变载荷及缺陷初始形状、方位分类等问题,适用范围广泛。本文的计算方法及评定方法为电厂管道在役检修和能否继续运行提供重要依据。     

核电52M镍基合金异种金属焊接接头的局部断裂行为

异种金属焊接接头是核电系统内部易损部件,为保证其安全使用,需要对其进行准确的完整性分析。为了理解含缺陷异种金属焊接接头的断裂表现,确定现有程序对异种金属接头评定的适用性。本文对镍基合金52M异种金属接头不同位置裂纹的三点弯曲试样进行了断裂试验。发现试样的裂纹扩展阻力及路径不同,且裂纹路径总是向低屈服强度材料侧偏转。得出裂纹路径的偏转主要由裂尖材料强度失配控制,而非韧性失配控制。对于扩展路径有偏斜的裂纹,其J-R阻力曲线反映的是沿裂纹扩展区材料的表观断裂阻力,而非初始裂纹尖端区材料的本质断裂阻力。在不考虑焊接热影响区、界面区及内部影响区断裂阻力的情况下,采用现有程序去评定含缺陷异种金属接头,将产生非保守或过于保守的评定结果,且在多数情况下,得到非保守的评价结果。     

管道贯穿裂纹泄漏率预测

充分考虑入口为过冷水、两相和过热蒸汽等情况下的临界和非临界流动,对摩擦压降、拐角压降以及临界流模型Henry-Fauske中的相变起始点进行了修正,开发出破前泄漏(LBB)的管道贯穿裂纹泄漏率计算程序。与目前通用的裂纹泄漏率程序(PICEP和SQUIRT)分别就常规直管道、人工裂纹以及自然形成裂纹的泄漏率实验数据进行了对比。计算分析表明,该程序计算结果与实验结果吻合较好且精度高于PICEP和SQUIRT。此外,通过计算分析研究,获得了背压和滞止焓以及裂纹形貌(包括局部粗糙度、全局粗糙度及裂纹开口位移、裂纹拐角数目等)对泄漏率的影响规律。     

碳纤维复合材料缠绕修复的压力管道断裂分析

采用耦合的有限元-无网格Galerkin数值算法,计算了碳纤维增强型复合材料缠绕修复的压力管道横向贯穿裂纹以及横向椭圆型表面裂纹前沿应力强度因子,据此分析了碳纤维增强型复合材料套袖长度对压力管道裂纹应力强度因子的影响.结果表明,本文所提算法能有效计算三维问题应力强度因子;含裂纹压力管道采用碳纤维增强型复合材料缠绕修复后...     

1Cr18Ni9Ti管道焊缝金属疲劳短裂纹萌生与早期扩展

复型研究了1Cr8N9Ti管道焊缝金属的疲劳短裂纹萌生与早期扩展特点，结果表明，有效短裂纹萌生于与管道内外表面一致的试样表面局部区域中delta铁素体与基质的界面，早期扩展具有显著微观结构效应特征，最大障碍尺度约为40μm，与焊缝金属特征微观组织结构――柱状晶中富delta铁素体带距离一致，该尺度范围。由于强微观结构约束，短裂纹密度较高并逐渐增加；尺度不规则扩展，直到若干较长短裂纹发生合并形成导致试样失效的主导短裂纹。这一过程通常称为“微观结构短裂纹（MSC）“阶段，主导短裂纹及其发路径上的短裂纹对疲劳损伤做出直接贡献，可分别称为“主导有效短裂纹（DESFC）“和“有效短裂纹（ESFCs）“，为描述该阶段不规则行为，有必要引入尺度等于ESFCs尺度均值的虚裂纹即MSC阶段DESFC的概念，该阶段DESFC尺度恒定增加，扩展率恒减小。     

余热排出系统管道热疲劳裂纹萌生方向的理论和数值研究

在压水堆核电站余热排出系统冷热水混合区管道发现了由热疲劳导致的不同方向的浅裂纹群,疲劳裂纹的萌生方向可根据临界面方向进行预测。本文对临界面方向进行了理论推导,得出了双轴疲劳载荷作用下临界面方向的解析解。基于C++语言开发了临界面方向的分析程序,同时采用C++开发的分析程序和有限元软件Code_Aster计算了临界面方向,并将计算结果与理论解析解进行了对比验证。临界面方向分析结果与余热排出系统管道中发现的热疲劳裂纹方向吻合。研究表明,余热排出系统管道焊接残余应力对热疲劳裂纹萌生方向具有决定性的作用。     

基于微焦点CT的三维裂纹扩展分析

采用高频疲劳试验机进行了2A50锻铝缺口试样三点弯曲试验,对不同扩展阶段的表面裂纹进行了SEM对比分析。通过微焦点CT对裂纹进行了三维重建,三维可视化结果直观显示了裂纹的尺寸、位置和形态分布。通过相邻两个阶段二维CT图像的灰度、裂纹前沿位置分析裂纹扩展行为特征,结果表明,裂纹扩展不规则。分别将两个阶段的裂纹体进行投影得到了投影图像,对比后可观察到新的裂纹扩展区域,并得到了两个阶段的裂纹扩展前沿分布曲线。通过两个阶段的裂纹体三维分析得到了裂纹前沿扩展增量三维分布。     

含裂纹悬臂流管道稳定性分析

基于适用于含非材料体系统的Lagrange方程,推导出了含裂纹的悬臂输流管道的线性运动方程,方程考虑了流体在自由端以及在裂纹处对系统所做的功,含裂纹梁在裂纹处转角不连续.本文通过在无裂纹悬臂梁的模态函数中加入分段立方多项式构造了适合裂纹粱的模态函数.基于得到的方程,计算含裂纹悬臂输流管道的前三阶频率,并与已有的模型的计...     

含内表面裂纹核级管道的初始塑性失效分析

我国在役和新建的大部分核电厂在主管道上应用了破前漏技术,针对该技术ASME采用净截面屈服准则对完全塑性断裂进行缺陷评定,大量研究表明,净截面屈服准则高估了结构的承载能力。本文采用有限元方法模拟了含内表面裂纹的核级管道在内压作用下的变形过程,并利用裂纹前沿J积分随内压变化的曲线特征确定了含裂纹管道的初始塑性失效载荷。随后,将初始失效载荷的计算值与ASME规范定义的理论值相比较,结果表明理论解高估了结构的承载能力。最后,评价了ASME-BPVC-XI规范中A级使用限制对应的允许薄膜应力的适用性。     

LBB在蠕变温度以上核级管道设计中的应用

LBB（Leak-Before-Break）技术是保证核反应堆结构安全和可靠的一种重要分析方法。对于在蠕变温度以上高温堆（如快堆）的核级管道,运用LBB分析时应考虑疲劳和蠕变对裂纹扩展的影响。本工作以法国规范RCC-MR的A16为基础、以快堆余热排放系统的一段管道为研究对象进行LBB分析,总结出一套运用于蠕变温度以上核级管道安全分析的LBB方法。经计算得到,在蠕变温度以上,蠕变对裂纹扩展的影响较大。经验证,该管道符合LBB技术对于裂纹稳定性及泄漏量可探测性的条件,满足从开始泄漏到裂纹失稳的时间要求。