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反应堆压力容器内部大尺寸环形异种金属焊缝残余应力分布研究

付强 闵远胜 刘川 李美福 李玉光

付强, 闵远胜, 刘川, 李美福, 李玉光. 反应堆压力容器内部大尺寸环形异种金属焊缝残余应力分布研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(3): 123-128. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.03.0123
引用本文: 付强, 闵远胜, 刘川, 李美福, 李玉光. 反应堆压力容器内部大尺寸环形异种金属焊缝残余应力分布研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(3): 123-128. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.03.0123
Fu Qiang, Min Yuansheng, Liu Chuan, Li Meifu, Li Yuguang. Study of Residual Stress Distribution of Large Ring-type Dissimilar Metal Weld in Reactor Pressure Vessel[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(3): 123-128. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.03.0123
Citation: Fu Qiang, Min Yuansheng, Liu Chuan, Li Meifu, Li Yuguang. Study of Residual Stress Distribution of Large Ring-type Dissimilar Metal Weld in Reactor Pressure Vessel[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(3): 123-128. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.03.0123

反应堆压力容器内部大尺寸环形异种金属焊缝残余应力分布研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.03.0123
详细信息
    作者简介:

    付 强(1983—),男,硕士研究生,现主要从事反应堆结构设计研究,E-mail: 305592321@qq.com

    通讯作者:

    刘 川,E-mail: chuanliu2003@126.com

  • 中图分类号: TG404

Study of Residual Stress Distribution of Large Ring-type Dissimilar Metal Weld in Reactor Pressure Vessel

  • 摘要: 获得反应堆压力容器内部大尺寸环形异种金属焊缝残余应力分布可为反应堆压力容器结构设计和制造工艺优化提供指导,通过设计和制造能够代表产品焊接结构形式的镍基合金和低合金钢异种金属焊接结构模拟件,采用轮廓法测试焊接结构模拟件内部纵向残余应力,采用有限元法模拟计算焊接结构模拟件横向和纵向残余应力,获得了整个异种金属焊接接头残余应力分布特征。结果表明:焊缝区域内部纵向残余应力为拉伸应力,峰值应力达到500 MPa左右,并且表层应力大于内部应力,峰值应力出现在距下表面3 mm和24 mm位置;横向残余应力在焊缝区域从上表面到下表面的分布为拉应力-压应力-拉应力,压缩横向残余应力峰值达到−300 MPa,出现在距下表面约18 mm位置。本文研究可为焊接结构设计提供理论指导。

     

  • 图  1  产品环形件焊接结构示意图

    Figure  1.  Schematic Diagram of Product Ring Welding Structure      

    图  2  焊接结构模拟件示意图 单位:mm

    Ф—直径;R—半径

    Figure  2.  Schematic Diagram of Welding Structure Simulator

    图  3  焊接顺序示意图

    Figure  3.  Schematic Diagram of the Welding Sequence

    图  4  切割面光滑拟合的变形轮廓

    u—切割面变形

    Figure  4.  Smoothed Deformation Contour of the Cut Surface

    图  5  加载边界条件后的变形有限元模型

    Figure  5.  Deformed Finite Element Model after Applying Boundary Conditions

    图  6  焊缝区域有限元模型

    Figure  6.  Finite Element Model of Weld Zone

    图  7  应力测试和模拟计算的应力分布图

    Figure  7.  Stress Distribution Diagram of Stress Test and Simulation Calculation     

    图  8  应力评价线示意图 单位:mm

    Figure  8.  Schematic Diagram of Stress Evaluation Lines

    图  9  应力评价线上的应力分布

    σ—残余应力;t—距下表面的距离;d—距焊缝中心的距离

    Figure  9.  Stress Distributions along Evaluation Lines

    表  1  焊接结构模拟件焊接工艺参数

    Table  1.   Welding Process Parameters of Welding Structure Simulator

    焊接部位焊接电压/V焊接电流/A焊接速度/(mm·min−1)
    根部焊缝26~28119~123190
    填充焊缝32~35125~126175
    盖面焊缝32~35125~126310
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    表  2  16MnD5低合金钢材料性能

    Table  2.   Material Properties of 16MnD5 Low Alloy Steel

    T/℃cp/
    (J·kg−1·℃−1)
    λ/
    (W·m−1·℃−1)
    E/
    GPa
    Rp0.2/
    MPa
    α/
    10−6−1
    2043038.42125127.83
    10048741.1207.27.81
    20052640.9201.37.78
    30056039.5194.74427.75
    40060538.3187.13977.72
    60074634.8167.92967.65
    700126
    760151059.07.66
    80087336.7142.4647.64
    90063328.4126.67.59
    98264128.3108.47.55
    120030.961.8107.55
    132773532.432.57.55
    140083533.82.27.55
      注:T—温度;cp—定压比热容;λ—热传导系数;E—弹性模量;Rp0.2—材料屈服强度;α—热膨胀系数;“−”—无数据,下同
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    表  3  镍基合金材料性能

    Table  3.   Material Properties of Nickel-based Alloy

    T/℃cp/
    (J·kg−1·℃−1)
    λ/
    (W·m−1·℃−1)
    E/
    GPa
    Rp0.2母材/
    MPa
    Rp0.2焊缝/
    MPa
    α/
    10−6−1
    2045012.021533146014.1
    10047014.020826014.1
    20050016.020114.3
    30052518.019527514.5
    40055019.518914.8
    60060523.317516320015.7
    70063025.016716.2
    80065526.61609316.6
    90068528.215217.0
    100071529.7143505017.3
    110074030.3
    14001010
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图(9) / 表(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-03
  • 录用日期:  2021-09-17
  • 修回日期:  2021-09-27
  • 刊出日期:  2022-06-07

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