與L異種鋼焊接接頭性能分析

章節(jié)內(nèi)容1

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5焊接接頭工作應(yīng)力數(shù)值模擬緒論焊接接頭應(yīng)力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論致謝第1頁/共27頁第一頁，共28頁。第1章緒論研究背景異種金屬焊接在世界上廣泛應(yīng)用在壓水堆核電站中。意義異種金屬焊接件存在成分和性能劇烈變化的過渡區(qū)，在核電站一回路環(huán)境下存在不穩(wěn)定性，會(huì)有腐蝕疲勞敏感和應(yīng)力腐蝕開裂。這些異種金屬接頭的部位都是非常關(guān)鍵的部位，因此對(duì)異種金屬焊接接頭的高溫環(huán)境斷裂性能研究是非常必要且重要的。奧氏體不銹鋼和鎳基合金以高耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)用于制造管道、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和儀表管等。低合金鋼以強(qiáng)度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)用于制造反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器的殼體和加壓器等。第2頁/共27頁第二頁，共28頁。第1章緒論壓力容器接管一般和容器一起鑄造，其材料和壓力容器相同，是低合金鋼。安全端的材料與管道相同，是不銹鋼接頭結(jié)構(gòu)先在低合金鋼側(cè)進(jìn)行預(yù)堆邊焊，然后進(jìn)行對(duì)接焊。為了防止低合金鋼的硼酸腐蝕，壓力容器接管表面堆焊309L/308L不銹鋼。

合金鋼/不銹鋼異種鋼焊接的應(yīng)用第3頁/共27頁第三頁，共28頁。第1章緒論反應(yīng)堆壓力容器、穩(wěn)壓器的容器和蒸汽發(fā)生器本體都是低合金鋼，而主冷卻劑管道、噴淋管、波動(dòng)管、穩(wěn)壓器泄壓管線等管道都是奧氏體不銹鋼，因此這些容器與管道的連接都存在異種金屬焊接的接頭。

典型的PWR主冷卻劑回路第4頁/共27頁第四頁，共28頁。第1章緒論異種金屬接頭的特征1、碳遷移2、焊后熱處理的影響3、熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力4、腐蝕問題5、焊縫金屬對(duì)接頭性能的影響第5頁/共27頁第五頁，共28頁。對(duì)異種鋼接頭在核電站的使用情況調(diào)研，確定主要材料類型和使用環(huán)境參數(shù)

運(yùn)用ANSYS建立焊接接頭模型，并確定接頭在設(shè)備使用期間典型的邊界條件高溫下，對(duì)異種鋼接頭進(jìn)行應(yīng)力腐蝕開裂慢拉伸實(shí)驗(yàn)，通過改變溫度和C1一濃度，確定接頭在各種環(huán)境下的斷裂規(guī)律針對(duì)異種鋼焊接接頭在各工況下的受力狀態(tài)，確定其應(yīng)力分布情況和接頭區(qū)域危險(xiǎn)界面通過慢拉伸實(shí)驗(yàn)和有限元計(jì)算，確定異種鋼焊接接頭在模擬核電一回路水環(huán)境下的高溫性能。25341研究?jī)?nèi)容第1章緒論第6頁/共27頁第六頁，共28頁。第2章焊接接頭工作應(yīng)力數(shù)值模擬焊接技術(shù)簡(jiǎn)介焊接技術(shù)，又稱連接工程（MaterialsJoiningEngineering），是一種重要的材料加工工藝。它廣泛地應(yīng)用于石油、電力、航天航空、海洋工程、核動(dòng)力工程、橋梁、船舶，以及各種金屬結(jié)構(gòu)等工業(yè)部門。但焊接是一個(gè)涉及到電弧物理、冶金、傳熱和力學(xué)的復(fù)雜過程。焊接現(xiàn)象包括焊接時(shí)的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、焊接應(yīng)力和變形、冷卻時(shí)的相變等。其中焊接變形預(yù)測(cè)方法大多基于有限元分析。第7頁/共27頁第七頁，共28頁。簡(jiǎn)化的接頭模型采用簡(jiǎn)化的二維焊接接頭模型來分析其力學(xué)性能實(shí)體模型選用ANSYS作分析工具，并選其中的耦合場(chǎng)分析單元PLANEl3，來計(jì)算異種鋼接頭的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)實(shí)體模型選用ANSYS作分析工具，并選其中的耦合場(chǎng)分析單元PLANEl3，來計(jì)算異種鋼接頭的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)第2章焊接接頭工作應(yīng)力數(shù)值模擬第8頁/共27頁第八頁，共28頁。第2章焊接接頭工作應(yīng)力數(shù)值模擬C％Mn％

p％S％Si％Mo％

Fe％0.19

1.260.0090.0060.220.6

剩余部分C％Mn％P％

S％

Si％Cr％Ni％Fe％0.202.00.0450.030.7522.0-24.012.0-15.0剩余部分A508的化學(xué)成分309L的化學(xué)成分第9頁/共27頁第九頁，共28頁。第2章焊接接頭工作應(yīng)力數(shù)值模擬A508的物理參數(shù)溫度t

℃比熱cJ/(kg·K)導(dǎo)熱系數(shù)λ

W/mK線膨脹系數(shù)α

10-6/℃20262.7930.48.31

100274.7429.210.99

200298.63

27.312.31

300317.7425.1

13.22

400346.422.613.71合金密度ρ

Kg/m3 導(dǎo)熱系數(shù)λ

W/mK比熱cJ/KgK熱膨脹系數(shù)α

10-6/℃彈性模量MPa308L80008.62931.7118.21.93E309L80008.83931.7117.32E

309L/308L的物理參數(shù)第10頁/共27頁第十頁，共28頁。三大強(qiáng)度理論第一強(qiáng)度理論第三強(qiáng)度理論第四強(qiáng)度理論最大拉應(yīng)力理論理論強(qiáng)度條件為：σ1≤[σ]最大切應(yīng)力理論理論強(qiáng)度條件為：(σ1-σ3)≤[σ]形狀改變比能理論理論強(qiáng)度條件為：第2章焊接接頭工作應(yīng)力數(shù)值模擬第11頁/共27頁第十一頁，共28頁。RCS工況下溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)從圖可知：1）接頭的溫度場(chǎng)成層狀分布，并且有下到上逐漸升高。2）按照強(qiáng)度理論判斷，A508與309L的界面處屬于應(yīng)力集中容易發(fā)生的部位，一旦工作應(yīng)力繼續(xù)增大，這里就很容易產(chǎn)生裂紋，在后續(xù)分析中將在這里預(yù)制一條裂紋來分析當(dāng)有裂紋出現(xiàn)時(shí)，結(jié)構(gòu)的安全性。第2章焊接接頭工作應(yīng)力數(shù)值模擬第12頁/共27頁第十二頁，共28頁。NS/RRA工況下溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)從圖可知：1)接頭的溫度場(chǎng)成層狀分布，并且有下到上逐漸升高，且內(nèi)外壁溫差為3℃左右。2)根據(jù)強(qiáng)度理論可以發(fā)現(xiàn)，A508與309L的界面處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，一旦工作應(yīng)力繼續(xù)增大，這里就很容易產(chǎn)生裂紋，最后導(dǎo)致失效。而且當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋時(shí)，傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論將不再適用，必須采用斷裂力學(xué)的校核標(biāo)準(zhǔn)。第2章焊接接頭工作應(yīng)力數(shù)值模擬第13頁/共27頁第十三頁，共28頁。第2章焊接接頭工作應(yīng)力數(shù)值模擬本實(shí)驗(yàn)小結(jié)

通過有限元軟件對(duì)異種鋼焊接接頭在兩種主要運(yùn)行工況下的運(yùn)行結(jié)果可知，接頭溫度場(chǎng)變化不大，利用直接法對(duì)接頭在這兩種工況下的應(yīng)力計(jì)算發(fā)現(xiàn)：接頭上不同金屬的界面是最危險(xiǎn)的，也是最容易失效的。例如低合金鋼A508與不銹鋼309L焊縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中，故焊接接頭此部位處斷裂敏感性最高。

第14頁/共27頁第十四頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究影響因素定義機(jī)理應(yīng)力腐蝕裂紋焊接結(jié)構(gòu)一般都存在不同程度的殘余應(yīng)力，在腐蝕介質(zhì)條件下工作極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋(StressCorrosionCracking，簡(jiǎn)稱SCC)1）電化學(xué)應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理（活性通道）2）膜破裂應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理1）組裝 2）焊接材料的選擇3）焊接工藝4）焊后消除應(yīng)力處理5）表面改質(zhì)第15頁/共27頁第十五頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)

將拉伸試樣放在特定的腐蝕介質(zhì)中。通過慢拉伸速率拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，用一個(gè)恒定而緩慢的應(yīng)變速率進(jìn)行抽伸實(shí)驗(yàn)，直到試樣斷裂。慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)法通常采用圓柱形試樣，也可以采用板狀或絲狀試樣。

最大的特點(diǎn)是：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)機(jī)本身的構(gòu)成特點(diǎn)，故保持應(yīng)變速率恒定不變。由于慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)是通過拉桿上升而使試樣伸長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)能保證機(jī)器的剛度遠(yuǎn)比試樣的剛度要大，而且夾具和試樣之間沒有相對(duì)滑動(dòng)。第16頁/共27頁第十六頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容a、試樣制備：加工材料是低合金鋼A508，填充金屬為309L/308L不銹鋼與304L，采用的焊接方法為埋弧自動(dòng)焊，U型全焊透坡口，在590-620℃進(jìn)行焊后熱處理消除殘余應(yīng)力。試樣標(biāo)距部分取在A508—309L/308L界面處第17頁/共27頁第十七頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容b、實(shí)驗(yàn)溶液：實(shí)驗(yàn)溶液模擬核電一回路高純冷卻水，在超純水中添加2000ppm硼酸，2ppm氫氧化鋰，同時(shí)在研究不同氯離子濃度應(yīng)力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)中，添加不同含量的NaCl。第18頁/共27頁第十八頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)過程1）測(cè)量試樣的原始尺寸，并作記錄2）配置溶液，模擬一回路水3）實(shí)驗(yàn)溫度：200℃、250℃、300℃4）實(shí)驗(yàn)步驟（6步）5）清洗試樣，觀察斷口形貌第19頁/共27頁第十九頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果

溫度（℃）Cl（ppm）

最大應(yīng)力（MPa）

時(shí)間（h）

延伸率（％）

斷裂位置

斷裂類型

2000.14309233.7％L低合金鋼側(cè)機(jī)械拉伸104769634.5％L機(jī)械拉伸1004737926.6％L應(yīng)力腐蝕

2500.14129937.5％L機(jī)械拉伸1047611040.5％L應(yīng)力腐蝕1004468229.2％L應(yīng)力腐蝕3000.142510135.0％L機(jī)械拉伸104659434.5％L應(yīng)力腐蝕1004468733.4％L應(yīng)力腐蝕第20頁/共27頁第二十頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析異種鋼焊接接頭顯微組織用金相顯微鏡觀察接頭原始組織，在低合金鋼與不銹鋼焊縫熔合線附近存在一個(gè)窄小但顯微組織和成份顯著變化的過渡區(qū)。第21頁/共27頁第二十一頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)溫度200℃時(shí)

200℃時(shí)cl-濃度為0.1ppm時(shí)掃描電鏡分析200℃時(shí)，cl-濃度為10ppm時(shí)SEM分析cI-濃度為1OOppm時(shí)SEM分析第22頁/共27頁第二十二頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果250℃時(shí)Cl―濃度為0.1ppm時(shí)SEM分析250℃時(shí)CI―濃度為10ppm時(shí)SEM分析250℃時(shí)CI―濃度為100ppm時(shí)SEM分析第23頁/共27頁第二十三頁，共28頁。第3章焊接接頭力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果300℃時(shí)，CI―濃度為10ppm時(shí)SEM分析CI―濃度為lOOppm時(shí)SEM分析300℃時(shí)CI―濃度為0.1ppm時(shí)SEM分析第24頁/共27頁第二十四頁，共28頁。第4章結(jié)論1)根據(jù)有限元分析結(jié)果，由于兩種材料熱物理性質(zhì)的差異，低合金鋼A508與不銹鋼焊縫309L熔合區(qū)在設(shè)備運(yùn)行RCS工況下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是危險(xiǎn)部位，容易失效；2)通過慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)對(duì)低合金鋼與不銹鋼焊接接頭在模擬設(shè)備運(yùn)行環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低合金鋼和不銹鋼焊接接頭的焊縫熔合區(qū)靠近低合金鋼側(cè)組織對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂比較敏感，試樣均在熔合區(qū)靠低合金鋼側(cè)斷裂，且斷裂機(jī)制屬于沿晶應(yīng)力腐蝕開裂；3)在除氧的高溫水溶液中，當(dāng)溫度低于250℃時(shí)，斷裂機(jī)理以韌性斷裂為主，斷口以韌窩形貌為主，但隨著氯離子濃度增加，斷口脆性區(qū)也會(huì)有所增加；4)當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度高于250℃時(shí)，低合金鋼與不銹鋼焊接接頭隨著溶液中氯離子濃度的增加，應(yīng)力腐蝕開裂敏感性明顯加強(qiáng)，當(dāng)氯離子濃度達(dá)到100ppm時(shí)，試樣發(fā)生明顯的沿晶應(yīng)力腐蝕開裂，說明氯離子濃度可以增加焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性；5)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合對(duì)比，表明當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度低于250℃時(shí)，氯離子濃度小于l00ppm時(shí)，斷口主要以韌性斷裂為主，所以在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，嚴(yán)格控制溶液中的氯離子含量有利于設(shè)備的安全運(yùn)行。第25頁/共27頁第二十五頁，共28頁。THANKYO