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科普 | 残余应力测量在核工业中的应用--实验验证的重要性

发布时间:2021-05-31

核电站关键构件的残余应力大小和分布对于安全评估和通过相关监管审批具有至关重要的意义。核电压力容器的安全端异种金属焊接构件在服役中,应力腐蚀开裂屡见不鲜,主要诱因就是焊接过程中引入的残余应力。





那么,如何计算残余应力?又是如何通过残余应力的计算和预测帮助核电站实现延寿?我们需要从实验测量方法的规范和标准开始说起。



规范和标准


《美国机械工程师协会(ASME)规范》第十一册明确提出计算裂纹扩展时需要考虑残余应力的影响,但是对于如何计算残余应力却没有给出具体的指导意见或技术要求。分析模型(analytical model)常用于模拟焊接过程,预测焊缝的残余应力分布,并结合母材信息计算裂纹扩展,但是这些计算结果的准确性取决于焊接残余应力分布这个关键输入参数。


《R6有缺陷结构完整性的评定标准》为焊缝的残余应力测量提供了最全面和最新的建议,包括:焊缝残余应力的分布(第四节第4条)、焊件残余应力的计算(第三节第15条)、断裂分析中残余应力的处理(第二节第7条)。在把焊接分析模型的预测结果用于结构完整性评估之前,需要与测量结果进行比较验证。根据要解决的实际问题的复杂程度、残余应力对结构完整性评估的影响程度等关键信息选择合适的验证标准。例如,对于可能发生快速断裂或应力腐蚀开裂的关键安全设备的评估,就可能需要高标准的验证方法。


高标准的验证是指:采用至少两种不同的残余应力测量技术(例如应变释放法和衍射法),要求模型样品与实际构件大小一样。测量数据应包括:焊缝中间的瞬态焊接温度、焊缝宏观图、以及全厚度残余应力分布。模型预测和实际测量的瞬态温度误差应在±10%范围内,焊接区域的预测误差应在±20%范围内。


存在的问题

异种金属焊接构件在焊缝附近的微观组织非常复杂且力学性能变化梯度大,加上焊接过程的非线性特质,导致很难准确地预测异种金属焊缝区域的残余应力分布。关于异种金属焊接构件残余应力的国际研究对比表明,模拟结果常常与实验测量(如深孔法、轮廓法和中子衍射法)结果存在不符之处。


解决方案


比较理想的解决方案是使用中子法和轮廓法相结合的方式测量异种金属焊接构件的残余应力分布,为模拟计算提供可靠的实验数据验证,并在此基础上进行模型关键参数的调整和优化。中子法和轮廓法都可以得到较大构件的内部应力分布,而且这两种方法的测量原理不一样,完全满足高标准验证的要求。一般先使用中子法进行无损测量,然后再使用轮廓法进行破坏性测量,有必要的时候可以结合X射线衍射法,从而对构件从表面到内部的应力分布进行综合评估。

 
中子法测量原理基于布拉格方程,通过测量样品的平均晶面间距,获取材料微观晶格的应变信息,进一步通过胡克定律计算可获得样品测量位置处的应力值。由于中子没有电荷,且穿透性较强,因此可设置力学加载、高温、低温等复杂样品环境装置,实现较大样品的原位应力测量分析。还可利用中子进一步开展材料微观力学、织构、相变及其交互作用的原位加载实验研究,获得其他手段难以获得的重要实验信息。
 
轮廓法非常适合测量构件全厚度的应力分布。它使用电火花线切割技术沿着被测平面切割构件,应力释放会导致切割表面发生微变形。通过三坐标测量机测量这些表面变形,再通过有限元建模计算就可以得到垂直于切割表面的残余应力。

轮廓法具有以下优点:
① 能提供垂直于切割平面的应力的完整二维分布图;
② 适用于各种大小、不同复杂程度的金属构件;
③ 对材料的微观结构、织构或晶粒尺寸不敏感;
④ 可与其它技术(例如XRD或钻孔法)结合使用,提供关于不同方向应力的信息。
 

东莞材料基因高等理工研究院(CEAM)和中广核、成都核动力院等单位合作,结合中子法和轮廓法测量复杂异种金属焊接管道构件,为评估这些核电关键安全构件提供了关键的残余应力数据支持。CEAM开展了目前为止最大尺寸的异种金属焊接管道构件的残余应力分布研究,并取得了很好的测量结果。



范例:轮廓法和中子法相结合测量异种金属焊接管道残余应力分布



异种金属焊接管道构件


中子法测量残余应力


轮廓法测量残余应力



轮廓法测量环向应力结果和数值模拟结果对比


轮廓法和中子法环向应力测量结果和数值模拟结果之间的对比验证


结论

基于有限元的计算模型越来越多的被用来计算和预测焊件的残余应力,以及评估关键构件的结构完整性。针对焊接构件的复杂组织结构和非线性特性,这些计算模型往往基于很多的假设前提进行近似计算,这会导致预测结果有很大的不确定性。通过选择合适的实验方法可以精准测量大构件的完整残余应力分布,可以有效验证计算模型,为核工业领域的关键构件的安全评估和寿命预测等相关工作提供关键数据支持。


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