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1、章节内容章节内容1 23 4 5焊接接头工作应力数值模拟绪论焊接接头应力腐蚀开裂实验研究结论致谢第1页/共27页第第1 1章章 绪论绪论研究研究背景背景异种金属焊接在世界上广泛应用在压水堆核电站中。意义意义异种金属焊接件存在成分和性能剧烈变化的过渡区，在核电站一回路环境下存在不稳定性，会有腐蚀疲劳敏感和应力腐蚀开裂。这些异种金属接头的部位都是非常关键的部位，因此对异种金属焊接接头的高温环境断裂性能研究是非常必要且重要的。奥氏体不锈钢和镍基合金以高耐蚀性等优点用于制造管道、控制棒驱动机构和仪表管等。低合金钢以强度高、价格低廉等优点用于制造反应堆压力容器、蒸汽发生器的壳体和加压器等。第2页/共27
2、页第第1 1章章 绪论绪论压力容器接管一般和容器一起铸造，其材料和压力容器相同，是低合金钢。安全端的材料与管道相同，是不锈钢接头结构先在低合金钢侧进行预堆边焊，然后进行对接焊。为了防止低合金钢的硼酸腐蚀，压力容器接管表面堆焊309L/308L不锈钢。合金钢/不锈钢异种钢焊接的应用第3页/共27页第第1 1章章 绪论绪论反应堆压力容器、稳压器的容器和蒸汽发生器本体都是低合金钢，而主冷却剂管道、喷淋管、波动管、稳压器泄压管线等管道都是奥氏体不锈钢，因此这些容器与管道的连接都存在异种金属焊接的接头。典型的PWR主冷却剂回路第4页/共27页第第1 1章章 绪论绪论异种金属接头的特征异种金属接头的特征1
3、 1、碳迁移碳迁移2、焊后热处理的影响焊后热处理的影响3、热热膨膨胀胀系系数数的的差差异异导导致焊接残余应力致焊接残余应力4、腐蚀问题腐蚀问题5、焊焊缝缝金金属属对对接接头头性性能能的影响的影响第5页/共27页对异种钢接头在核电站的使用情况调研，确定主要材料类型和使用环境参数 运用ANSYS建立焊接接头模型，并确定接头在设备使用期间典型的边界条件高温下，对异种钢接头进行应力腐蚀开裂慢拉伸实验，通过改变温度和C1一浓度，确定接头在各种环境下的断裂规律针对异种钢焊接接头在各工况下的受力状态，确定其应力分布情况和接头区域危险界面通过慢拉伸实验和有限元计算，确定异种钢焊接接头在模拟核电一回路水环境下的
4、高温性能。2 25 53 34 41 1研究研究内容内容第1章 绪论第6页/共27页第2章 焊接接头工作应力数值模拟焊焊接接技技术术简简介介焊接技术，又称连接工程（Materials Joining Engineering），是一种重要的材料加工工艺。它广泛地应用于石油、电力、航天航空、海洋工程、核动力工程、桥梁、船舶，以及各种金属结构等工业部门。但焊接是一个涉及到电弧物理、冶金、传热和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、焊接应力和变形、冷却时的相变等。其中焊接变形预测方法大多基于有限元分析。第7页/共27页简化的接头模型采用简化的二维焊接接头模型来分析其力学
5、性能实体模型选选用用ANSYS作作分分析析工工具具，并并选选其其中中的的耦耦合合场场分分析析单单元元PLANEl3，来来计计算算异异种种钢钢接接头头的的温温度度场和热应力场场和热应力场实体模型选选用用ANSYS作作分分析析工工具具，并并选选其其中中的的耦耦合合场场分分析析单单元元PLANEl3，来来计计算算异异种种钢钢接接头头的的温温度度场和热应力场场和热应力场第2章 焊接接头工作应力数值模拟第8页/共27页第第2 2章章 焊接接头工作应力数值模拟焊接接头工作应力数值模拟C Mn pS SiMo Fe0.19 1.26 0.009 0.006 0.22 0.6 剩余部分剩余部分CMn P S
6、Si Cr Ni Fe0.202.00.045 0.03 0.7522.0-24.012.0-15.0剩余部分剩余部分A508的化学成分的化学成分309L的化学成分的化学成分第9页/共27页第第2 2章章 焊接接头工作应力数值模拟焊接接头工作应力数值模拟A508的物理参数的物理参数温度温度t 比热比热c J/(kgK)导导热热系数系数 W/mK线膨胀系数线膨胀系数 10-6/20 262.79 30.4 8.31 100274.74 29.210.99 200 298.63 27.3 12.31 300317.74 25.1 13.22 400 346.4 22.6 13.71合金合金密度 K
7、g/m3导热系数导热系数 W/mK比热比热c J/KgK热膨胀系数热膨胀系数 10-6/弹性模量弹性模量MPa308L80008.62931.7118.21.93E309L80008.83931.7117.32E 309L/308L的物理参数的物理参数第10页/共27页三三大大强强度度理论理论第一强度理论第三强度理论第四强度理论最大拉应力理论理论强度条件为：1最大切应力理论理论强度条件为：(1-3)形状改变比能理论理论强度条件为：第2章 焊接接头工作应力数值模拟第11页/共27页RCS工况下温度场及应力场工况下温度场及应力场从图可知：1）接头的温度场成层状分布，并且有下到上逐渐升高。2）按照强
8、度理论判断，A508与309L的界面处属于应力集中容易发生的部位，一旦工作应力继续增大，这里就很容易产生裂纹，在后续分析中将在这里预制一条裂纹来分析当有裂纹出现时，结构的安全性。第2章 焊接接头工作应力数值模拟第12页/共27页NS/RRANS/RRA工况下温度场及应力场工况下温度场及应力场从从图图可可知知：1)1)接接头头的的温温度度场场成成层层状状分分布布，并并且且有有下下到到上上逐逐渐渐升升高高，且且内内外外壁壁温温差差为为33左左右右。2)2)根根据据强强度度理理论论可可以以发发现现，A508与与309L的的界界面面处处容容易易产产生生应应力力集集中中，一一旦旦工工作作应应力力继继续续
9、增增大大，这这里里就就很很容容易易产产生生裂裂纹纹，最最后后导导致致失失效效。而而且且当当结结构构出出现现裂裂纹纹时时，传传统统的的强强度度理理论论将将不不再再适适用用，必必须须采采用用断断裂裂力力学学的的校校核核标标准。准。第2章 焊接接头工作应力数值模拟第13页/共27页第2章 焊接接头工作应力数值模拟 通过有限元软件对异种钢焊接接头在两种主要运行工况下的运行结果可知，接头温度场变化不大，利用直接法对接头在这两种工况下的应力计算发现：接头上不同金属的界面是最危险的，也是最容易失效的。例如低合金钢A508与不锈钢309L焊缝处产生应力集中，故焊接接头此部位处断裂敏感性最高。第14页/共27页
10、第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验研究影响因素定义机理应力腐应力腐蚀裂纹蚀裂纹焊接结构一般都存在不同程度的残余应力，在腐蚀介质条件下工作极易 产 生 应 力 腐 蚀 裂 纹(Stress Corrosion Cracking，简称SCC)1）电化学应力腐蚀开裂机理（活性通道）2）膜破裂应力腐蚀开裂机理1）组装2）焊接材料的选择3）焊接工艺 4）焊后消除应力处理5）表面改质第15页/共27页第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验研究 将拉伸试样放在特定的腐蚀介质中。通过慢拉伸速率拉伸实验机，用一个恒定而缓慢的应变速率进行抽伸实验，直到试样断
11、裂。慢应变速率实验法通常采用圆柱形试样，也可以采用板状或丝状试样。最大的特点是：因为实验机本身的构成特点，故保持应变速率恒定不变。由于慢应变速率拉伸实验机是通过拉杆上升而使试样伸长，实验机设计时能保证机器的刚度远比试样的刚度要大，而且夹具和试样之间没有相对滑动。第16页/共27页第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验研究 实验内容a、试样制备：加工材料是低合金钢A508，填充金属为 309L/308L不 锈 钢 与304L，采用的焊接方法为埋弧自动焊，U型全焊透坡口，在590-620进行焊后热处理消除残余应力。试试样样标标距距部部分分取取在在A508309L/308L
12、界面处界面处第17页/共27页第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验研究 实验内容b、实验溶液：实验溶液模拟核电一回路高纯冷却水，在超纯水中添加2000ppm硼酸，2ppm氢氧化锂，同时在研究不同氯离子浓度应力腐蚀开裂实验中，添加不同含量的NaCl。第18页/共27页第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验研究 实验过程1 1）测量试样的原始尺寸，并作记录测量试样的原始尺寸，并作记录2 2）配置溶液，模拟一回路水，模拟一回路水3）实验温度：200、250、3004 4）实验步骤（步骤（6 6步）步）5 5）清洗试样，观察断口形貌）清洗试样，观察
13、断口形貌第19页/共27页第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验研究 实验结果 温度温度 （）Cl （ppm）最大应力最大应力（MPa）时间时间 （h）延伸率延伸率（）（）断裂位置断裂位置 断裂类型断裂类型 2000.14309233.7L低合金钢侧低合金钢侧机械拉伸机械拉伸104769634.5 5L机械拉伸机械拉伸100473797926.6 6L应力腐蚀应力腐蚀 2500.14129937.5L机械拉伸机械拉伸1047611040.5L应力腐蚀应力腐蚀1004468229.2L应力腐蚀应力腐蚀3000.142510135.0L机械拉伸机械拉伸104659434.
14、5L应力腐蚀应力腐蚀1004468733.4L应力腐蚀应力腐蚀第20页/共27页第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验研究 实验结果分析异种钢焊接接头显异种钢焊接接头显微微组织组织用用金金相相显显微微镜镜观观察察接接头头原原始始组组织织，在在低低合合金金钢钢与与不不锈锈钢钢焊焊缝缝熔熔合合线线附附近近存存在在一一个个窄窄小小但但显显微微组组织织和和成成份显著变化的过渡区份显著变化的过渡区。第21页/共27页第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验研究 实验温度200时 200200时时clcl-浓度为浓度为0.1ppm0.1ppm时扫描电镜分析
15、时扫描电镜分析200200时，时，clcl-浓度为浓度为10ppm10ppm时时SEMSEM分析分析 cI cI-浓度为浓度为1OOppm1OOppm时时SEMSEM分析分析第22页/共27页第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验研究 实验结果250250时时ClCl浓度为浓度为0.1ppm0.1ppm时时SEMSEM分析分析250250时时CICI浓度为浓度为10ppm10ppm时时SEMSEM分析分析250250时时CICI浓度为浓度为100ppm100ppm时时SEMSEM分析分析第23页/共27页第第3 3章章 焊接接头力腐蚀开裂实验研究焊接接头力腐蚀开裂实验
16、研究 实验结果300300时，时，CICI浓度为浓度为10ppm10ppm时时SEMSEM分析分析 CI CI浓度为浓度为lOOppmlOOppm时时SEMSEM分析分析300300时时CICI浓度为浓度为0.1ppm0.1ppm时时SEMSEM分析分析第24页/共27页第4章 结论1)根据有限元分析结果，由于两种材料热物理性质的差异，低合金钢A508与不锈钢焊缝309L熔合区在设备运行RCS工况下容易产生应力集中，是危险部位，容易失效；2)通过慢应变速率实验对低合金钢与不锈钢焊接接头在模拟设备运行环境下的实验结果表明，低合金钢和不锈钢焊接接头的焊缝熔合区靠近低合金钢侧组织对应力腐蚀开裂比较敏
17、感，试样均在熔合区靠低合金钢侧断裂，且断裂机制属于沿晶应力腐蚀开裂；3)在除氧的高温水溶液中，当温度低于250时，断裂机理以韧性断裂为主，断口以韧窝形貌为主，但随着氯离子浓度增加，断口脆性区也会有所增加；4)当实验温度高于250时，低合金钢与不锈钢焊接接头随着溶液中氯离子浓度的增加，应力腐蚀开裂敏感性明显加强，当氯离子浓度达到100ppm时，试样发生明显的沿晶应力腐蚀开裂，说明氯离子浓度可以增加焊接接头的应力腐蚀开裂敏感性；5)通过对实验结果综合对比，表明当实验温度低于250时，氯离子浓度小于l00ppm时，断口主要以韧性断裂为主，所以在设备运行时，严格控制溶液中的氯离子含量有利于设备的安全运行。第25页/共27页THANK YOU向各位老师致谢向各位老师致谢第26页/共27页感谢您的观看！第27页/共27页