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核电蒸汽发生器换热管内壁残余应力测试技术应用研究

【摘要】:蒸汽发生器是核电站一、二回路的压力边界,不仅起着热交换的作用,还起着阻隔着放射性堆芯冷却剂外漏的作用。换热管与管板通过胀接工艺连接,管内壁胀接区域存在残余应力。管内介质具有强腐蚀性,具有很高的应力腐蚀开裂风险。因此监测管内壁残余应力水平,对核电站的安全运行具有重要意义。本文以核电蒸发器换热管为研究对象,针对现有应力测试方法难以直接测量管内壁残余应力的问题,提出通过在管内壁贴应变片、由外壁钻入反向通孔的方法。为验证该测试方法的可行性及在实测中的应用效果,作者进行了理论分析、数值模拟、试验验证和误差分析的研究工作,主要内容如下:(1)综述国内外的盲孔法测量标准和相关文献资料,基于弹性力学对带孔平面进行了二维和三维应力分析,得到所测应变与孔内初始应力的关系式,从而得到适用于极薄和极厚试样的a,b应变释放系数(全文简称a,b系数)解析解。另外分析了凹凸曲面带孔剖面的几何关系,以解释不同模型所对应的应变释放规律。由于凹凸曲面存在应力集中,引入了[a],[b]应变释放系数矩阵(全文简称[a][b]矩阵),并通过积分来表达曲面模型的应变释放规律。(2)基于生死单元技术,利用数值模拟研究反向通孔、表面曲率两个关键因素对应力释放规律的影响。对反向通孔法的模拟不仅得到了应变释放系数与壁厚、孔径、孔深的变化规律,还得到了A、B型应变花的释放系数;通过对凹凸球面模型的钻孔模拟,得到曲率半径与应变释放系数的关系。另外还建立蒸发器换热管模型,经有限元得到修正的应变释放系数。(3)通过X射线与盲孔法对45号钢板的平行应力测试,验证了应变释放系数与工件壁厚t的关系;另对蒸发器换热管内壁进行通孔残余应力测试,分别采用ASTM E837标准和本文数值模拟得到的应变释放系数,对比两者计算结果验证修正方法的可行性。(4)基于盲孔法应力应变释放关系式,从应变测量、材料系数和释放系数分析了测量误差。通过试验法、公式解析法和算例等方式分析了误差范围,如环境温度及湿度将带来约10%的误差,应变片粘贴质量误差为1.6%,数据线连接接头和测量电路仪器误差小于1%,材料系数的取值误差不超过5%。另有低速钻孔附加应变以及钻孔偏心所造成的误差最大。为此本文提出了残余应力钻孔测试的注意事项及降低误差的措施。

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