核電站316L不銹鋼彎頭應(yīng)力腐蝕行為的壽命預(yù)測
【部分圖文】：
效應(yīng)與冷加工變形量的影響。首次實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)百萬千瓦大型商用堆一回路彎頭的安全評(píng)價(jià)與壽命評(píng)估。13D有限元模型模擬裂紋擴(kuò)展1.1裂紋形狀以及網(wǎng)格劃分本研究擬針對(duì)某核電站316L(Z2CND18.12)的90°不銹鋼厚壁彎頭(外徑為355.6mm，內(nèi)徑為275.6mm)進(jìn)行有限元建模，創(chuàng)建一系列帶有不同深度裂紋的3D彎頭部件，在彎頭內(nèi)壁上設(shè)置均勻的壓力10MPa，同時(shí)在彎頭兩個(gè)端面上設(shè)置相應(yīng)邊界條件，以模擬彎頭內(nèi)壁表面裂紋擴(kuò)展行為。其中，裂紋位置靠近彎頭端口，與軸線呈45°角，深度/長度比為1/2，具有上厚下薄的半橢圓幾何形狀(見圖1a)，與實(shí)際觀察到的核電站彎頭裂紋形狀相符。建模過程中，在彎頭內(nèi)壁的同一位置處，創(chuàng)造出長度、深度與di均在變化的半橢圓缺陷(見圖1b)，從而反映出彎頭內(nèi)壁上的裂紋擴(kuò)展過程。裂紋從內(nèi)表面萌生，擴(kuò)展至外表面。本工作研究在不同附加應(yīng)力下裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)隨裂紋深度a的變化，為此取a=20、22、25、27和30mm為例進(jìn)行計(jì)算，而di則通過Dugdale模型[10]計(jì)算裂尖張開位移(d)來確定。根據(jù)文獻(xiàn)[10]中Irwin對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)尺寸(ry)的估計(jì)，平面應(yīng)變時(shí)：ry=16π(KσY)2(1)式中，σY代表屈服強(qiáng)度。此外，文獻(xiàn)[10]中Dugdale認(rèn)為裂紋的有效半長度是a+ry，原裂尖的張開量就是d。平面應(yīng)力下，d表達(dá)式為：δ=K2EσY(其中，E為彈性模量)。寫為一般式：δ=βK2EσY(2)式中，對(duì)于平面應(yīng)變，系數(shù)b=0.5。忽略彎頭曲率的影響(裂紋相對(duì)于彎頭尺寸很小)，視為無限大中心裂紋板平板，則本研究可借助式(2)求解d。參照?qǐng)D2[11]，di與d之間存在比例關(guān)系：δi=(ry+lry)δ(l代表裂紋長度)，依此可求得不同裂紋長度下的di，再?
[10]計(jì)算裂尖張開位移(d)來確定。根據(jù)文獻(xiàn)[10]中Irwin對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)尺寸(ry)的估計(jì)，平面應(yīng)變時(shí)：ry=16π(KσY)2(1)式中，σY代表屈服強(qiáng)度。此外，文獻(xiàn)[10]中Dugdale認(rèn)為裂紋的有效半長度是a+ry，原裂尖的張開量就是d。平面應(yīng)力下，d表達(dá)式為：δ=K2EσY(其中，E為彈性模量)。寫為一般式：δ=βK2EσY(2)式中，對(duì)于平面應(yīng)變，系數(shù)b=0.5。忽略彎頭曲率的影響(裂紋相對(duì)于彎頭尺寸很小)，視為無限大中心裂紋板平板，則本研究可借助式(2)求解d。參照?qǐng)D2[11]，di與d之間存在比例關(guān)系：δi=(ry+lry)δ(l代表裂紋長度)，依此可求得不同裂紋長度下的di，再依據(jù)計(jì)算值在彎頭內(nèi)壁上做出不同圖1裂紋幾何形狀示意圖和彎頭內(nèi)壁上裂紋擴(kuò)展示意圖Fig.1Schematicgeometryofacrack(a)andsche-maticforcrackpropagationattheinnersur-faceoftheelbow(b)(a—crackdepth,di—crackopeningdisplacementatthemiddleofthecrack)圖2裂紋張開位移(di)、裂尖張開位移(d)和裂紋尖端塑性區(qū)尺寸(ry)示意圖[11]Fig.2Schematicfordi,dandry[11](di—crackopeningdisplacement,d—cracktipopeningdisplace-ment,ry—plasticzoneatthecracktip,l—cracklength,a—theinclinationangleofplas-ticzoneradiusry,s—stressdistributionatthecracktip)郭舒等：核電站316L不銹鋼彎頭應(yīng)力腐蝕行為的壽命預(yù)測457
金屬學(xué)報(bào)53卷尺寸的裂紋。本研究關(guān)注的是彎頭內(nèi)壁裂尖區(qū)域的應(yīng)力分布狀況，為此在遠(yuǎn)離裂紋的區(qū)域設(shè)置了粗糙網(wǎng)格，在裂紋周圍設(shè)置了相對(duì)精細(xì)的網(wǎng)格以保證計(jì)算精度；在半橢圓缺陷的每條邊界線上設(shè)置分布12個(gè)節(jié)點(diǎn)，且靠近裂尖的方向節(jié)點(diǎn)密度較高(見圖3)。對(duì)于所創(chuàng)建的3D模型，使用四面體自由網(wǎng)格，同時(shí)設(shè)置單元類型為C3D10I(提高表面應(yīng)力可視化的10節(jié)點(diǎn)通用二次四面體單元)。1.2316L不銹鋼的力學(xué)性能本工作的研究對(duì)象是高溫環(huán)境中的316L不銹鋼彎頭，其sY=130MPa,E=175GPa，Poisson比ν=0.34[12](320℃)。對(duì)應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)塑性應(yīng)變曲線如圖4所示，曲線所包含數(shù)據(jù)用于定義有限元計(jì)算中彎頭部件的塑性屬性。2裂紋張開位移(di)構(gòu)建真實(shí)裂紋形狀2.1裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算方法工程構(gòu)件中的裂紋和缺陷會(huì)造成結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中,導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。在斷裂力學(xué)的工程應(yīng)用中，應(yīng)力強(qiáng)度因子是判斷含裂紋結(jié)構(gòu)的斷裂和計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率的重要參數(shù)。計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法主要有數(shù)學(xué)分析法、有限元法、邊界配置法、柔度標(biāo)定法和光彈性法等。有限元法是數(shù)值法求解應(yīng)力強(qiáng)度因子的一種，因其不受裂紋體幾何形狀和所受載荷復(fù)雜性的限制而被廣泛應(yīng)用[13]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，有限元法能夠計(jì)算越來越復(fù)雜的問題。根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的Westergaard應(yīng)力函數(shù)求出I型裂紋尖端區(qū)域法向方向的應(yīng)力σ與K之間的關(guān)系：σ=K2πrcosθ2éù1+sinθ2sin3θ2(3)式中，r為裂紋尖端平面坐標(biāo)系中任一點(diǎn)到裂尖的距離，q為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的從裂尖逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的角度，在裂紋平面的延長線面上，q=0°，式(3)簡化為[13]：K=σ2πr(4)在裂紋面上裂尖附近區(qū)域內(nèi)取不同節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)處的s與r代入式(4)求?
【參考文獻(xiàn)】
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【共引文獻(xiàn)】
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【二級(jí)參考文獻(xiàn)】
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