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)力腐蝕開裂實驗研究結(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)點用于制造管道、控制棒驅(qū)動機構(gòu)和儀表管等。低合金鋼以強度高、價格低廉等優(yōu)點用于制造反應(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)進行預(yù)堆邊焊，然后進行對接焊。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、焊縫金屬對接頭性能的影響第5頁/共27頁第五頁，共28頁。對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，對異種鋼接頭進行應(yīng)力腐蝕開裂慢拉伸實驗，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)域危險界面通過慢拉伸實驗和有限元計算，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研究內(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、冷卻時的相變等。其中焊接變形預(yù)測方法大多基于有限元分析。第7頁/共27頁第七頁，共28頁。簡化的接頭模型采用簡化的二維焊接接頭模型來分析其力學(xué)性能實體模型選用ANSYS作分析工具，并選其中的耦合場分析單元PLANEl3，來計算異種鋼接頭的溫度場和熱應(yīng)力場實體模型選用ANSYS作分析工具，并選其中的耦合場分析單元PLANEl3，來計算異種鋼接頭的溫度場和熱應(yīng)力場第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。三大強度理論第一強度理論第三強度理論第四強度理論最大拉應(yīng)力理論理論強度條件為：σ1≤[σ]最大切應(yīng)力理論理論強度條件為：(σ1-σ3)≤[σ]形狀改變比能理論理論強度條件為：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工況下溫度場及應(yīng)力場從圖可知：1）接頭的溫度場成層狀分布，并且有下到上逐漸升高。2）按照強度理論判斷，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，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工況下溫度場及應(yīng)力場從圖可知：1)接頭的溫度場成層狀分布，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，傳統(tǒng)的強度理論將不再適用，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)值模擬本實驗小結(jié)

通過有限元軟件對異種鋼焊接接頭在兩種主要運行工況下的運行結(jié)果可知，接頭溫度場變化不大，利用直接法對接頭在這兩種工況下的應(yīng)力計算發(fā)現(xiàn)：接頭上不同金屬的界面是最危險的，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驗研究影響因素定義機理應(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，簡稱SCC)1）電化學(xué)應(yīng)力腐蝕開裂機理（活性通道）2）膜破裂應(yīng)力腐蝕開裂機理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驗研究焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂實驗

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驗機，用一個恒定而緩慢的應(yīng)變速率進行抽伸實驗，直到試樣斷裂。慢應(yīng)變速率實驗法通常采用圓柱形試樣，也可以采用板狀或絲狀試樣。

最大的特點是：因為實驗機本身的構(gòu)成特點，故保持應(yīng)變速率恒定不變。由于慢應(yīng)變速率拉伸實驗機是通過拉桿上升而使試樣伸長，實驗機設(shè)計時能保證機器的剛度遠(yuǎn)比試樣的剛度要大，而且夾具和試樣之間沒有相對滑動。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驗研究實驗內(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焊，U型全焊透坡口，在590-620℃進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驗研究實驗內(nèi)容b、實驗溶液：實驗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，同時在研究不同氯離子濃度應(yīng)力腐蝕開裂實驗中，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驗研究實驗過程1）測量試樣的原始尺寸，并作記錄2）配置溶液，模擬一回路水3）實驗溫度：200℃、250℃、300℃4）實驗步驟（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驗研究實驗結(jié)果

溫度（℃）Cl（ppm）

最大應(yīng)力（MPa）

時間（h）

延伸率（％）

斷裂位置

斷裂類型

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

2500.14129937.5％L機械拉伸1047611040.5％L應(yīng)力腐蝕1004468229.2％L應(yīng)力腐蝕3000.142510135.0％L機械拉伸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驗研究實驗結(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驗研究實驗溫度200℃時

200℃時cl-濃度為0.1ppm時掃描電鏡分析200℃時，cl-濃度為10ppm時SEM分析cI-濃度為1OOppm時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驗研究實驗結(jié)果250℃時Cl―濃度為0.1ppm時SEM分析250℃時CI―濃度為10ppm時SEM分析250℃時CI―濃度為100ppm時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驗研究實驗結(jié)果300℃時，CI―濃度為10ppm時SEM分析CI―濃度為lOOppm時SEM分析300℃時CI―濃度為0.1ppm時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)備運行RCS工況下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是危險部位，容易失效；2)通過慢應(yīng)變速率實驗對低合金鋼與不銹鋼焊接接頭在模擬設(shè)備運行環(huán)境下的實驗結(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，斷裂機理以韌性斷裂為主，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)也會有所增加；4)當(dāng)實驗溫度高于250℃時，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，當(dāng)氯離子濃度達到100ppm時，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)通過對實驗結(jié)果綜合對比，表明當(dāng)實驗溫度低于250℃時，氯離子濃度小于l00ppm時，斷口主要以韌性斷裂為主，所以在設(shè)備運行時，嚴(yán)格控制溶液中的氯離子含量有利于設(shè)備的安全運行。第25頁/共27頁第二十五頁，共28頁。THANKYO