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AP1000核电安全端结构几何和异种金属材料性能失配对安全评定的影响

龚怒  
【摘要】:核反应堆压力容器和一回路主管道是核电站核岛的关键设备,其接管安全端的异种金属焊接接头是发生失效的薄弱环节,对核电设备的安全运行产生严重影响。目前,国内外还没有适用于核电接管安全端的专用缺陷评定方法,关于裂纹位置、管嘴几何结构和材料性能失配对其安全评定的影响也缺乏理解和研究。本文建立了AP1000核反应堆压力容器接管安全端的三维有限元模型,构建与安全端裂纹位置、复杂结构几何及异种金属焊接接头区复杂材料相关的专用失效评定图,分析裂纹位置、管嘴几何和接头材料性能失配对安全评定的影响。对位于接头性能最薄弱处的界面裂纹,构建了LBB评定图,分析了外加载荷和材料韧性对LBB评定的影响。研究得到的主要结果如下: (1)含裂纹的安全端结构的极限载荷主要由屈服强度最低的316L材料的塑性失效控制,裂纹位置对极限载荷的影响不大。当裂纹位于接头区不同位置时,裂尖区材料性能的不同及其失配影响失效评定曲线;当裂纹位置靠近管嘴时,管嘴几何结构对裂纹的屏蔽作用,也使失效评定曲线上移。 (2)当未穿透裂纹远离管嘴几何变化处时,接管安全端的失效评定曲线与简化的直管的失效评定曲线相差不大;而当裂纹靠近管嘴几何变化处时,简化的直管评定将过于保守。对于大尺寸裂纹或者穿透裂纹,简化的直管评定会得到过于保守的结果。 (3)焊接接头的材料性能失配对失效评定曲线有较大的影响,对于焊缝区的裂纹,失效评定曲线不仅与裂纹尖端焊缝材料性能有关,还与母材性能有关。改变裂纹周围的材料性能,将使失效评定曲线发生移动。在实际的缺陷安全评定中,需要考虑接头区不同的材料性能及裂纹位置,通过有限元分析的方法建立准确的失效评定曲线。 (4)通过延性裂纹扩展的稳定性分析,确定了韧带失稳线和临界裂纹长度线,构建了LBB评定图。通过评定点的位置和裂纹扩展形态分析可以评定和预测裂纹的LBB行为。随外加弯矩载荷的增大和材料JR裂纹扩展阻力的降低,韧带失稳线下移,临界裂纹尺寸减小,LBB的安全裕度降低。


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