熔盐堆含缺陷镍基合金模拟容器焊接结构的安全性评估

摘要

熔盐堆属于第四代核反应堆，其压力容器采用镍基哈氏合金C276制造，在熔盐堆的试验堆运行一段时间后，在其模拟容器筒体与封头的焊接结构处，会产生大量与焊缝垂直的非共面平行裂纹。由于熔盐堆的运行温度很高，而且存在高放射性，使得对于容器密封性能要求极高，裂纹的出现将可能导致结构的泄漏，进而导致环境灾难及人员伤亡，所以有必要对存在裂纹缺陷的熔盐堆模拟压力容器焊接结构的安全性进行研究。本文的主要研究内容如下:
　　试验堆的操作压力为0.4MPa，操作温度可达700℃，在运行过程中容器所受内压存在波动。通过对容器失效现象和裂纹产生原因的分析，确定熔盐堆镍基合金模拟压力容器的裂纹是由于周向工作应力、焊接残余拉应力及容器在高温下长时间运行的共同作用下产生的，疲劳失效与再热裂纹共同造成了容器的破坏。
　　本文采用有限元分析方法对熔盐堆模拟压力容器焊接结构处的工作应力和多层多道焊过程进行模拟，发现焊接结构处最大主应力为周向拉应力，此处周向拉应力值σ8=12.4MPa，焊缝纵向焊接残余应力在焊缝中心达到峰值，达243.8MPa。
　　通过有限元模拟与断裂力学理论相结合的方法，利用J积分参量来对裂纹尖端的应力场进行研究，发现当非共面平行裂纹间距在一定范围内，各裂纹尖端应力场同时存在于构件上时，裂纹尖端应力场相对于单独存在时是被削弱了的。因此对于熔盐堆模拟压力容器焊接结构处存在的裂纹群，可选择其中尺寸最大的裂纹来进行分析，这样得到的结果是偏于安全的。
　　由于容器上裂纹的长度可直接测得，深度不知，因此需要对具有最大长度的裂纹的深度进行假定，本文假定3个不同的深度值，分别对3条尺寸不同的裂纹进行疲劳评定，发现3条裂纹应力强度因子变化范围△K均小于门槛值△Kth，可免于疲劳评定。对3条裂纹的常规断裂评定结果表明，深度为3mm、6mm的裂纹是安全的，深度为9mm的裂纹则是不可接受的。最后采用失效评定图的方法确定了熔盐堆模拟容器焊接结构处不同裂纹的尺寸极限值，并提供了各尺寸裂纹的安全性判断方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．1．1 熔盐堆的提出及发展

1．1．2 课题的研究意义

1．2 焊接结构安全评定相关技术的国内外研究现状

1．2．1 结构安全性评定标准的发展

1．2．2 国内外典型评定标准与研究现状

1．2．3 非共面平行裂纹的表征及干涉

1．3 本文主要研究内容

第2章 断裂性质的研究

2．1 熔盐堆模拟容器失效现象

2．2 裂纹产生原因分析

2．2．1 裂纹宏观形貌观察

2．2．2 裂纹性质分析

2．3 本章小结

第3章 结构的应力有限元分析

3．1 熔盐堆模拟容器结构尺寸及材料参数的确定

3．1．1 熔盐堆模拟容器结构尺寸及工作参数

3．1．2 材料性能参数

3．2 有限元模型的建立

3．3 结构受力状态分析

3．3．1 筒体工作应力分析

3．3．2 焊接残余应力分析

3．4 本章小结

第4章 非共面平行裂纹干涉原则的确定

4．1 模拟思路

4．2 裂纹模型的建立

4．2．1 裂纹的模块化

4．2．2 接触面的定义

4．2．3 裂纹尖端的定义

4．2．4 积分路径的定义

4．3 模拟验证

4．3．1 结构参数及载荷情况

4．3．2 裂纹尺寸及分组的确定

4．3．3 J积分模拟运算

4．3．4 结果讨论

4．4 干涉原则的确定

4．5 本章小结

第5章 熔盐堆模拟容器的安全评定

5．1 评定方法和流程

5．2 裂纹的表征

5．3 缺陷位置处应力线性化处理

5．3．1 安全评定的应力分类规则

5．3．2 应力线性化处理

5．4 材料性能数据的确定

5．4．1 帕里斯公式中系数A与指数m的确定

5．4．2 应力强度因子变化范围门槛值ΔKth的确定

5．4．3 J积分断裂韧度J1c的确定

5．5 对A裂纹进行安全性评价

5．5．1 应力强度因子变化范围ΔK的计算

5．5．2 免于疲劳评定的判别

5．5．3 常规断裂评定

5．6 对B裂纹进行安全性评价

5．6．1 应力强度因子变化范围ΔK的计算

5．6．2 免于疲劳评定的判别

5．6．3 常规断裂评定

5．7 对C裂纹进行安全性评价

5．7．1 应力强度因子变化范围ΔK的计算

5．7．2 免于疲劳评定的判别

5．7．3 常规断裂评定

5．8 结构极限裂纹尺寸的计算

5．9 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果