【摘要】：不銹鋼小支管插套焊易于現(xiàn)場(chǎng)裝配,在核電機(jī)組管道系統(tǒng)中得到廣泛的使用,然而,在核電機(jī)組運(yùn)行期間,小支管插套焊接頭會(huì)出現(xiàn)疲勞開裂,嚴(yán)重影響核電的安全運(yùn)行。本文針對(duì)304L不銹鋼及ER308L不銹鋼焊絲制備的插套焊焊接接頭,從材料和實(shí)際結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)棘輪行為及疲勞性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對(duì)母材和焊縫進(jìn)行了單軸循環(huán)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,母材為循環(huán)硬化材料,循環(huán)行為分為初始硬化、軟化和二次硬化三個(gè)階段,棘輪行為包括初始的高棘輪應(yīng)變率衰減階段、常棘輪應(yīng)變率階段和斷裂前的加速棘輪應(yīng)變率階段;焊縫表現(xiàn)為循環(huán)軟化特性,僅在循環(huán)初始的數(shù)個(gè)循環(huán)里出現(xiàn)輕微的循環(huán)硬化,棘輪行為分為初始的低棘輪應(yīng)變率衰減階段、常棘輪應(yīng)變率階段和加速棘輪應(yīng)變率階段。在宏觀循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)同一加載水平下不同循環(huán)周次的試樣,通過(guò)透射電子顯微鏡觀察了應(yīng)變循環(huán)和棘輪變形不同階段時(shí)母材和焊縫內(nèi)部典型的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律,對(duì)兩種材料應(yīng)變循環(huán)和棘輪變形的微觀機(jī)理進(jìn)行了定性的解釋:母材中從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的位錯(cuò)組態(tài)向結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密度較高的位錯(cuò)組態(tài)演變,形變孿晶、剪切帶與位錯(cuò)墻/通道結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)胞之間的演變關(guān)系控制了母材的循環(huán)硬化行為及棘輪行為;而焊縫中由初始狀態(tài)的密度較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的位錯(cuò)組態(tài)逐漸向低密度的位錯(cuò)組態(tài)演變,這也導(dǎo)致了焊縫的循環(huán)軟化行為及其加速的棘輪變形。通過(guò)預(yù)制坡口和焊趾熔修對(duì)原始插套焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),利用X射線和有限元模擬技術(shù),對(duì)插套焊的焊接殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn),預(yù)制坡口和焊趾熔修可以有效地改善焊根和焊趾處的殘余應(yīng)力狀態(tài),降低焊根處的拉伸殘余應(yīng)力,在焊趾處形成壓縮殘余應(yīng)力,而且降低了焊趾處的應(yīng)力集中情況,從而提高疲勞性能。模擬核電管道實(shí)際承載工況,對(duì)插套焊進(jìn)行了循環(huán)加載實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,通過(guò)預(yù)制坡口和焊趾熔修兩項(xiàng)改進(jìn)措施,插套焊的疲勞壽命最大提高了70%,疲勞性能得到了很大程度的改善;結(jié)合一種新的修正W?hler曲線法(MWCM)來(lái)評(píng)估插套焊的疲勞壽命,并通過(guò)參數(shù)的改進(jìn)提高了預(yù)測(cè)精度,所建立的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法評(píng)估流程簡(jiǎn)單,能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)插套焊的低周疲勞壽命,具有工程實(shí)際意義。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG457;TM623
【圖文】：

圖 1-1 小支管插套焊示意圖[1]Fig. 1-1 Schematic diagram of socket weld表 1-1 插套焊斷裂的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[12]Tab. 1-1 Summary of database content by degradation/damage mechanismDegradation mechanism Non through-wall Leak Structural failureVibration fatigue 55 721 118Stress corrosion cracking 815 292 0Design & construction flaws 67 267 28Thermal fatigue 64 65 3Corrosion 43 281 7Erosion-corrosion 176 532 60Other 73 0 89Total 1293 2158 305在核電疲勞失效案例中，80%的疲勞失效為小支管(2 英寸及以下口徑)插套

圖 1-2 不同焊腳尺寸下的焊喉尺寸ig. 1-2 Weld throat of different weld熔深對(duì)其疲勞性能也存在一定焊試樣焊根熔深是最大的，焊裂的試樣的焊根熔深是最小處的疲勞性能越好，因?yàn)楹父附尤毕�，另外，大熔深試樣在處的�?yīng)力，因此大熔深能提高試樣，焊根處出現(xiàn)缺陷的機(jī)率力集中更為嚴(yán)重，焊根萌生裂，小支管的尺寸對(duì)插套焊的

殘余應(yīng)力也是影響小支管插套焊疲勞失效的一個(gè)重要原因。插焊接過(guò)程中，經(jīng)受加熱和冷卻的循環(huán)，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，若應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，則會(huì)降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，較也可以作為附加的平均應(yīng)力，即使構(gòu)件受到較小的外加載荷，應(yīng)力疊加后超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料也會(huì)發(fā)生屈服。對(duì)于焊接接是不利于其疲勞性能的，而壓縮殘余應(yīng)力有利于提高構(gòu)件的疲管插套焊焊根和焊趾處的殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布可以通過(guò)改變狀來(lái)改變[7, 35]。圖 1-3 為插套焊試樣不同的焊接順序，采用圖序，其焊根和焊趾處的軸向殘余應(yīng)力分別是 250MPa 和-400M接順序，其焊根和焊趾處的軸向殘余應(yīng)力分別是 400 MPa 和 b 多焊接一道，但疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示方法 a 的疲勞性能要好

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2773647