基于非线性方法的核级双层容器及支承结构热棘轮效应研究

核级双层容器承担一回路压力边界和一回路冷却剂“纵深防御”包容的双重安全功能,是高温反应堆本体常用的一种结构形式。然而内层容器在瞬态工况下温度变化剧烈,内外层容器之间导热性能差,内外温差大,热棘轮效应是可能的重要失效机制。本文通过建立核级双层容器及支承结构轴对称有限元模型,使用非线性方法分析其在热-机循环载荷作用下温度、应力和应变的响应,研究棘轮效应分布的规律和特征。结果表明:热棘轮效应显著,是该类容器的主要失效模式;热棘轮敏感区域分布具有多点式的特点,在内外层容器不同部位均有涉及;危险区域的塑性应变累积行为主要出现在循环温度载荷的降温阶段,应变增量随循环次数的增加逐步稳定。结论指出热棘轮效应是核级双层容器结构设计必须关注的重点问题,所建立的非线性分析方法是解决该问题的有效手段。本研究可为核级双层容器热棘轮分析以及一回路工况参数优化设计和应变监测测点布置提供重要方法指导。

表面特性对棘齿型Knudsen泵气体分离特性影响的模拟研究

Knudsen泵作为一种微型泵,在微机电系统(MEMS)中具有广泛应用。本文提出了一种具有不同表面反射系数的棘齿型Knudsen泵,通过直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对该泵内He-Xe混合气体流动特性进行了数值模拟研究。结果表明:表面反射特性对Knudsen泵内的流场特性和气体分离特性影响巨大,不同的表面反射特性导致了Knudsen泵内不同的热驱流动机理;三角形倾斜边的α_(n)=σ_(t)=0时Knudsen泵内主要热驱流动为辐射流,有利于气体分离,而α_(n)=σ_(t)=1时Knudsen泵内主要热驱流动为热边缘流,对气体分离没有明显有利作用;三角形倾斜边的α_(n)=σ_(t)=0时He和Xe的速度和扩散速度在三角形棘齿上顶点附近差异最大,而α_(n)=σ_(t)=1时在三角形棘齿左侧顶点附近差异最大;越轻的气体流动速度和扩散速度越快。本文可为实际工程应用中微型气体分离装置的设计和生产提供理论依据。

三偏心蝶阀热棘轮效应的数值模拟

为了探讨热棘轮效应对三偏心金属硬密封蝶阀密封副热变形及密封性能的影响,先排除了蝶阀发生塑性垮塌失效、密封结构在数次常温与高温交变循环载荷作用下发生疲劳失效的可能性,然后通过ANSYS Workbench有限元分析软件对三偏心蝶阀进行常温与高温交变循环载荷下的热棘轮效应研究,基于Chaboche非线性随动强化模型对三偏心蝶阀进行10次温度循环加载分析。结果表明:高温工况下阀座内环面与阀体外壁面的最大温差约为60℃,温度降低到常温后阀座的最大塑性应变随循环次数的增加出现渐增性塑性累积;10次温度循环后阀座的最大塑性应变为0.02116,阀座在温度循环载荷的作用下发生热棘轮效应;在第5次温度交变循环之后,阀座与密封圈的最大径向变形分别为0.2844 mm和0.2753 mm;阀座的最大径向变形大于密封圈的最大径向变形,阀座的残余变形导致密封面出现间隙,证明三偏心蝶阀出现密封失效现象是由于阀座发生热棘轮效应导致的。对阀体外壁面进行良好保温后,经有限元计算阀座未发生棘轮效应,可见对阀体进行良好保温是避免因阀座发生棘轮效应而出现密封失效的有效手段。该研究结果揭示了蝶阀在数次常温与高温交变循环载荷作用下出现密封失效的原因,并提出相应的防范措施。这对相同工况下的其他类型阀门和压力管道等设备避免发生热棘轮效应具有十分重要的指导意义。

循环载荷作用下的高温熔盐储罐设计分析

以某大型光热电站高温熔盐储罐为研究对象,采用瞬态热-机械应力分析结果,依据ASME规范对储罐进行棘轮和蠕变-疲劳失效评估。结果显示:正常和异常工况下储罐均未发生棘轮失效,因异常工况下储罐壁面存在165℃的温差,其结构的棘轮应变较正常工况增加72%。异常工况下储罐会发生蠕变-疲劳失效,结构的蠕变损伤和疲劳损伤较不会失效的正常工况分别增加1.4倍和9.0倍。为避免入罐熔盐温度大幅波动给结构安全带来危害,故建议采用熔盐缓冲罐降低温度波动范围。

核安全一级主管道疲劳校核

本文对某核电厂主管道疲劳及热棘轮进行了独立校核。校核采用基于RCC-M标准的ROCOCO软件,比较了RCC-M标准与ASME标准在核安全一级管道疲劳评价方面的差异。对比的主要方面包括疲劳设计的计算范围界定、一次加二次应力强度的计算方法、弹塑性修正系数的计算、动态载荷叠加方法等。通过对ROCOCO中与ASME标准不一致的算法进行修正,得到主管道冷段壁厚65 mm和55mm的疲劳使用系数和热棘轮设计裕量。结果表明:某核电厂主管道最小壁厚不能小于55 mm,55mm壁厚的热棘轮设计值达到许用值的95%。

12Cr1MoVG高温管道中异种钢焊缝引起的局部热应力

某12Cr1MoVG蒸汽管道非正常地采用了奥氏体不锈钢焊缝,高温工作条件下此焊缝局部区域可能存在较高的热应力,为管道安全运行带来隐患。分别采用弹性和弹塑性有限元方法,对局部热应力进行了分析。分析发现仅局部热应力就会引起整个焊缝和母材上的邻近带状区域发生屈服,且不能满足静载强度条件。简化的热循环计算表明,焊接接头会存在热棘轮现象。以弹性安定性为判据得到的管道使用温度上限为250℃,而标准中对异种钢之间焊接接头370℃的使用温度限制并不适用于本文同材质钢管之间的异种焊缝。

温度对容器设计的影响

通过对实际使用情况和相关理论的分析,着重从温度对容器材料的选用、许用应力选取,容器设计方法的影响进行了研究.结果表明,温度对容器设计的影响是多方面的,不同材料有不同设计温度范围.对高温使用的碳素钢、碳锰钢、奥氏体钢应分别考虑碳化物相石墨化倾向和含碳量,对低温使用材料应使其在工作温度区间具有足够的韧性.高温容器许用应力的确定,须考虑高温持久强度或蠕变强度许用应力.对须考虑热应力的容器,应按应力分析设计方法设计.对低温容器,给出了低温低应力和降应力工况判断方法及其设计方法.

对ASME Ⅷ-2关于“热应力棘轮现象评定”规定的商榷

ASME Ⅷ-2的2013年版对防止热应力棘轮现象的规定相对于过去历版作了较多修改。从引起热应力棘轮现象的原理和原始依据、规定的制订根据以及相关标准(诸如EN 13445,ASME Ⅷ-3和原ASMEⅧ-2等)的同一内容出发,对此提出了一些商榷。

基于线性匹配法(LMM)的承压部件安定棘轮分析与评定

ASMEⅧ-2规范中针对棘轮失效提供了3种方法,而这些方法在适用性和便捷性等方面有各自的局限性,不能广泛且快速地应用于工程实际。线性匹配法(LMM)是一种求解非线性材料结构响应的快速直接算法,可适用于任意的几何结构和任意的热-机载荷组合。以压力容器中最常见的带径向接管的筒体为例,运用LMM快速地确定了承压部件的安定和棘轮边界,并给出了详细的步骤,得出了可供工程设计参考的相关结论。

对ASME Ⅷ-2关于“热应力棘轮现象评定”规定的再商榷——联系文《对ASME Ⅷ-2(2013版)热应力棘轮评定方法修订的解读》

ASMEⅧ-2(2013版)对防止热应力棘轮现象规定相对于过去历版作了较多修改,笔者对此提出了一些商榷[3]。文[4]对此则另有理解,为此,又联系文[4]对规范的解读再次提出商榷。

热障涂层皱曲的力学模型研究进展

在EB-PVD/(NiPt)Al涂层中存在皱曲(Rumpling)现象,导致涂层的早期失效。综述了皱曲(Rump-ling)力学模型的研究进展,主要包括3个方面的问题:皱曲的力学模型、数值计算方法研究现状;皱曲的机理及力学模型研究中存在的问题和不足;进一步研究皱曲机理并改进模型的途径。提出了在粘结层晶体尺度内棘轮效应与热扩散间存在耦合作用的设想,并认为这种耦合作用是形成皱曲的根本原因。

热-机循环载荷作用下裙座结构的棘轮和疲劳评定

基于给定的热-机循环载荷,对裙座结构进行了热应力分析。采用弹性核判据和弹-塑性应力分析对结构进行了棘轮评定,采用最大-最小循环计数法和弹性应力分析对结构进行了疲劳评定。为裙座结构防止复杂循环载荷引起的失效提供一定参考。

可重复使用液体火箭发动机设计参数对推力室身部棘轮应变的影响

为探究可重复使用火箭发动机设计参数对推力室身部在工作过程中热棘轮现象的影响,采用经典的液体火箭发动机设计方法设计了不同室压、推力及混合比的推力室,通过准二维传热计算方法、非线性有限元热-结构耦合分析方法和局部应变法对比了不同设计参数的推力室在工作过程中的棘轮应变及其发展情况。计算结果表明,相同的热试时间,循环工作的发动机推力室比单次工作的发动机推力室产生的应变更大;设计参数对棘轮应变的影响是通过改变推力室热环境来实现的;其他设计参数不变,室压更高、推力更小或混合比更高的推力室的棘轮应变更大;高室压、大推力或高混合比的推力室棘轮应变随循环次数的增加而减小。

对ASME Ⅷ-2(2013版)热应力棘轮评定方法修订的解读

ASMEⅧ-2中的"壳体中热应力棘轮"评定方法自1968年ASMEⅧ-2首次颁布以来,直到ASMEⅧ-2(2004版)一直未曾变动过。ASMEⅧ-2(2007版至2011版)将该方法的标题改为"热应力棘轮评定"(去掉了"壳体"),进一步扩大了该法的适用范围。2013版前,该方法仅考虑了热弯曲应力,这将导致某些工况下出现不保守的结果。ASMEⅧ-2(2013版)中该方法做了较大的修订,进一步完善了评定方法。新方法中考虑了热弯曲应力和热薄膜应力同时发生的情况。文章对这次修订的技术背景做一个介绍并进行相关的讨论。

稳压器喷淋管线三通的热棘轮效应分析和评定

热棘轮分析是核电管道设计中重要的分析内容,压水堆(PWR)核电站一般基于Bree图对管道热棘轮效应进行规定,但当管道受到很大的热瞬态载荷时往往不能够满足此要求,需要进一步对管道棘轮安定性进一步分析。采用Chaboche非线性随动强化模型对PWR核电站中不能够满足RCC-M规范B3653.7章节的稳压器喷淋管线上的三通进行弹塑性分析,通过对RCC-M规范要求、模型简化方法、本构模型假定、压力和瞬态热载荷循环加载等方面的研究,利用ANSYS11.0软件对三通的热棘轮变形进行评定。分析结果表明,在345℃→20℃和10℃→240℃两个瞬态温度变化后膜应力出现峰值;在压力和瞬态热载荷共同作用下,膜应力最大位置在模型主管和支管的过渡位置。通过进一步对模型在10次循环载荷后的累积渐进性变形进行分析,结果表明,分析对象的塑性变形速度随着循环加载不断降低,具有循环硬化特征。模型的尺寸变形均远远小于3.5%,10次循环后的热棘轮变形对结构的塑性安定性影响很小,满足RCC-M规范对渐进性变形的要求。

在非绝热记忆棘轮中信号与噪声耦合控制流

建立了一个研究布朗马达输运的非绝热和记忆棘轮模型 ,即用一个外部非偏压周期力去驱动一个处于记忆阻尼环境和内部简谐噪声作用下的布朗粒子 ,在非对称周期势中产生定向流 .结果表明 :随着内噪声频率的变化 ,粒子流发生反转且负向极大流所对应的外部信号频率也随之不同 ,则粒子流的方向和大小是由外部信号和内部噪声相互耦合控制的 。

某项目安注管线热棘轮效应分析与评定

核电站在运行期间,核反应堆的压力容器和管道会承受内压、循环热载荷及振动等各种复杂载荷工况,这些工况会导致材料或结构发生棘轮效应,缩减材料或结构的疲劳寿命,严重影响压力容器和管道的安全可靠性。RCC-M规范中对压水堆核电站管道的热棘轮效应是基于BREE图进行规定的,计算发现,当管道受到很大热冲击瞬态载荷时,可能会出现不能满足此规范要求的情况,这时就需要进一步对管道棘轮安定性进行分析。分析RCC-M规范对于管道热棘轮的计算公式及评定要求后发现,可以采用薄壁圆筒近似公式对管道棘轮效应进行评价,分析结果表明,在循环热冲击载荷作用下产生的热棘轮效应能够满足RCC-M规范要求,对工程设计有一定参考价值。

再生冷却推力室热机疲劳寿命预测研究

针对液体火箭发动机再生冷却推力室内壁结构多发的“狗窝”失效问题,仿真再现循环载荷下塑性应变累积的棘轮效应,并定量分析其对推力室内壁结构寿命的影响。对推力室内壁进行三维传热分析,在传热分析结果的基础上对该结构在循环载荷下的应力应变演化进行非线性平面应变有限元分析。根据有限元分析结果,对内壁结构的棘轮效应展开描述并计算棘轮损伤,分别使用Morrow修正模型、Norton蠕变模型计算其低周疲劳损伤及蠕变损伤。基于Miner线性累积损伤理论,提出了综合考虑棘轮损伤、低周疲劳损伤及蠕变损伤的推力室内壁结构寿命预估方法。结果表明:喉部附近内壁下表面中点处会最先失效破坏,推力室内壁结构使用寿命为33次;在导致该点的总损伤中,棘轮损伤、蠕变损伤和低周损伤分别占比52%、32%和16%,说明了棘轮效应是导致推力室结构失效的主要原因。所提研究方法对液体火箭发动机再生冷却推力室结构的寿命定量分析、优化设计及未来可重复使用火箭发动机设计提供重要的工程参考。

核电厂压力容器热棘轮效应评定方法研究

热棘轮效应将产生累积塑性变形,可能导致部件变形性失效。在分析RCC-M规范热棘轮效应评定不足的基础上,从控制累积塑性变形的角度,给出一种基于效率曲线和比率曲线的热棘轮评定方法。以某核电厂稳压器喷雾接管的热棘轮分析实例表明,基于效率曲线和比率曲线的评价方法综合考虑了热应力幅、循环次数和材料特性的影响,适用性比RCC-M规范评定方法更广泛。

双粒子耦合布朗系统输运过程中阻塞的研究

本文研究了相互作用的两个布朗粒子构成的系统在闪烁棘轮势中定向输运的阻塞特性。采用控制变量法和对比法,分析了阻塞产生的机制,探索了热噪声和引入的外场力之间的关系。结果表明,当外部驱动力恒定时,降低热燥声将会明显地增加阻塞,或当外场力为高频周期力时,通过控制频率和振幅进而调控阻滞产生、增加和消失的过程。基于此研究的结论可以广泛地应用于生物医药、材料、新药的研发和定点给药等领域。