压水堆一回路管道棘轮变形失效机理及设计理论

压水堆核电站一回路管道是核电站的重要屏障,而热老化和疲劳损伤导致棘轮应变加速并失效倍受关注,国内外对此并没有成熟的设计规范。针对AP1000压水堆一回路管道棘轮变形设计问题，以典型的承压结构-直管和弯管为研究对象，研究一回路管道用316型不锈钢高温循环塑性性能及棘轮变形规律，澄清加载率、多轴载荷、载荷历史效应、动态应变时效、热老化和疲劳损伤等对棘轮变形影响的机制；建立考虑这些因素影响用于预测棘轮应变积累的多机制耦合的粘塑性循环本构模型；进行直管和弯管部件在各种内压和弯曲组合多轴循环载荷下的棘轮变形测试；通过在ANSYS中嵌入建立的多机制粘塑性循环本构模型，进行典型结构的棘轮应变累积分析，建立与时间相关的管道结构动态棘轮边界，从而建立考虑全寿命周期棘轮变形与热老化和疲劳损伤交互的核压力管道设计理论和方法。主要创新点：（1）系统研究了多种加载条件下316LN不锈钢的循环塑性和低周疲劳性能，揭示了材料的棘轮变形和疲劳裂纹萌生机制，发现并解释了316LN不锈钢棘轮-疲劳寿命随平均应力增加不降反增的现象，建立了棘轮-疲劳寿命预测模型；（2）在各向同性强化律中考虑循环软化记忆效应，在随动强化律中引入反映高温下材料动态应变时效作用的强化因子和热老化影响因子，与塑性应变幅、温度、屈服应力与材料晶粒尺寸相关联，建立了描述316LN材料循环行为的统一粘塑性循环本构方程，能很好预测复杂载荷及热老化下材料的棘轮变形；（3）通过实验方法和数值模拟研究了直管和弯管在内压弯矩等复杂载荷条件下的棘轮行为，证实了所提模型对复杂载荷下管道棘轮边界的预测能力，并通过建立屈服极限和多轴参数与老化时间的关系，可以预测热老化后的棘轮边界。研究成果对承压设备（如压力容器和管道）的设计及规范的制定具有重要理论意义和工程应用价值。 2100433B

压水堆核电站一回路管道是核电站的重要屏障,而热老化和疲劳损伤导致棘轮应变加速并失效倍受关注,国内外对此并没有成熟的设计规范。针对AP1000压水堆一回路管道棘轮变形设计问题，以典型的承压结构-直管和弯管为研究对象，研究一回路管道用316型不锈钢高温循环塑性性能及棘轮变形规律，澄清加载率、多轴载荷、载荷历史效应、动态应变时效、热老化和疲劳损伤等对棘轮变形影响的机制；建立考虑这些因素影响用于预测棘轮应变积累的多机制耦合的粘塑性循环本构模型；进行直管和弯管部件在各种内压和弯曲组合多轴循环载荷下的棘轮变形测试；通过在ANSYS中嵌入建立的多机制粘塑性循环本构模型，进行典型结构的棘轮应变累积分析，建立与时间相关的管道结构动态棘轮边界，从而建立考虑全寿命周期棘轮变形与热老化和疲劳损伤交互的核压力管道设计理论和方法。研究成果对承压设备（如压力容器和管道）的设计及规范的制定具有重要理论意义和工程应用价值。

借助稳压器的加热器(在水区内)或喷雾器(在蒸汽区内)，以保持稳压器压力在规定范围内。采用四种方法控制稳压器的压力，见图1。

浸入式电加热器装在靠近稳压器的底部，由比例加热器和后备加热器两部分组成，正常运行时，比例加热器用来控制由于参数波动和热损失引起的小量压力变化。当压力信号过低时，后备加热器就通电投入工作，在稳压器内产生更多的蒸汽，从而使压力迅速上升。在稳压器顶部设有喷嘴，引入一回路冷段主泵出口的高压水，当压力信号过高时，通过控制喷雾阀调节喷雾流量，喷雾使蒸汽冷凝，从而使稳压器压力下降。另还设有两个动力卸压阀，在大的负荷降低的瞬变过程中，压力增加过大时，依次打开卸压阀，将稳压器内多余蒸汽排至卸压箱，使压力迅速下降。如果发生完全失去负荷而又没有停堆且蒸汽排放系统没有动作，则稳压器安全阀自动打开，以限制一回路压力过高。

金属的热变形机构有滑移变形、孪生变形、晶界滑移、扩散蠕变。在不同条件下，·这四种变形机构在塑性变形中所占的份量和起的作用不尽相同。其中，晶内的滑移变形是最重要和大量的常见的机构。孪生变形一般在低温或常温高速应变时发生，对六方晶体结构金属这种机理比较重要。而晶界滑移和扩散蠕变只在高温时才可能发挥作用。影响这些变形机理发挥作用的主要因素是金属材料的组织结构、变形温度。但是，在热变形时，出现的动态回复，动态再结晶以及在压应力状态下扩散修复机理，对上述变形机构起着直接的调节和控制作用。

本课题立足低速撞击（小于15m/s）,通过动、静力实验、三维有限元模拟和理论推导系统研究了充压管道冲击动力行为和失效机理。 管道正向撞击实验考察因素涵盖介质类型、充压水平、撞击体形状、撞击位置，首次清楚揭示了介质质量和充压水平共同主导管道动力行为的机理，并明确对于低速撞击问题，相比介质质量，充压水平起首要主导作用。跨中和1/4跨处发生撞击将引起管道首先在撞击区产生局部变形，随之管段发生整体弯曲变形，因塑性耗能区域增大导致失效能量提高；根部位置承受撞击将引起管道脆性剪切破坏，其对应失效能量最小。内充压力介质因可有效阻止撞击区域局部变形开展，导致管道整体变形比份增大，促使失效模式由撞击区域向管道根部转移。内压的升高较小程度上影响管道最终塑性变形，却显著改变局部变形与整体变形比值，从而导致管道失效能量的极大降低。刀形撞击体因与管道接触面积较半圆形和楔形小，塑性耗能区域过于集中从而导致失效能量最小。 斜向撞击下，管道将经历撞击瞬时局部变形，随之撞击体与管道摩擦滑移以及全管段整体弯曲变形耦合过程。摩擦滑移的存在将导致管道截面扁平化范围较正向撞击局部变形区域加大，从而产生更大的塑性耗能能力，导致管道失效能量高于正向撞击工况。内充压力介质的存在将显著降低撞击体与管道的摩擦滑移距离，导致失效能量降低。 选用水、空气和干沙为内充介质进行的四点弯曲实验表明，薄壁管道将在加载前期经历截面扁平化，后期在某个截面集中发展塑性，形成“结节”，整体弯曲行为呈现明显的前期弹性-中期塑性强化-后期软化特点。内充介质和压力水平可以显著提高管道的临界曲率和弯矩，其提升程度取决于介质性质和压力水平。 基于ABAQUS程序，应用其自带的Surface based Fluid Cavity功能模拟管道内充介质和压力水准，可以实现对充压管道动力响应行为的精细模拟。基于管道变形后构型，并考虑内压和介质质量影响，采用实验测量的弯矩-曲率关系描述管道弯曲行为，本课题推导了基于线元的管道大变形运动方程，实现了应用简单梁单元进行充压管道动力行为的模拟。 本项目所开展的实验研究成果清晰、明确地回答了诸如介质压力，撞击形状、位置、角度等因素影响充压管道冲击动力行为的机理；基于有限元软件的数值模拟为高效分析管道响应提供了行之有效的路径；理论推导的基于梁单元的分析方法为建立简化、可靠的管道安全性设计、评价理论提供了新思路。