1、文章编号：0258-0926(2023)02-0152-07;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0152残余应力作用下的不锈钢管道环向穿壁裂纹闭合效应研究刘震顺1,2,3，张晟2，毛庆1,3，郑向远2*1.核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东深圳，518172；2.清华大学深圳国际研究生院，广东深圳，518055；3.中广核工程有限公司，广东深圳，518124摘要：管道环向穿壁裂纹在不同载荷水平作用下的张开位移预测值是破前漏技术应用的关键核心参数。针对具有代表性几何尺寸的奥氏体不锈钢管道，采用数值分析和对比验证相结合的方法，基于工程中实际测得的材料性能曲线研究了典型
2、焊接残余应力作用下穿壁裂纹临界闭合应力的变化规律。分析结果表明，目前的通用电气有限公司/美国电力研究院（GE/RPRI）方法和美国核管会技术报告 NUREG/CR-6837 修正方法均低估了由美国机械工程师协会（ASME）规范工作小组推荐的简化残余应力场所导致的管道环向穿壁裂纹闭合效应。此外，分析了环向穿壁裂纹闭合状态下管道的失效模式，在此基础上进一步讨论了裂纹闭合效应对破前漏技术应用的影响，为后续工程实践提供了可借鉴的技术观点。关键词：焊接残余应力；穿壁裂纹；闭合效应；破前漏；不锈钢中图分类号：TL331文献标志码：AResearch on the Closure Effect of Cir
3、cumferentialThrough-Wall Cracks in Stainless Steel Piping underResidual StressLiu Zhenshun1,2,3,Zhang Sheng2,Mao Qing1,3,Zheng Xiangyuan2*1.State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Tech.and Equip.,Shenzhen,Guangdong,518172,China;2.TsinghuaShenzhen International Graduate School,Shenzhe
4、n,Guangdong,518055,China;3.China Nuclear PowerEngineering Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong,518124,ChinaAbstract:The predicted value of the opening displacement of the circumferential through-wallcrack(CTWC)in piping under different load levels is a critical parameter for the application of theleak-before
5、-break (LBB)technology.In this paper,both numerical analysis and comparativeverification are adopted to study the variation law of critical closure stress of CTWC under typicalwelding residual stress(WRS)based on actual measured material property curve in engineering foraustenitic stainless steel pi
6、ping with representative geometric dimensions.The analysis resultsreveal that both the current GE/RPRI method and the NUREG/CR-6837 correction method haveunderestimated the closure effect of CTWC in piping caused by simplified residual stress fieldrecommended by the Task Group on Codes of American S
7、ociety of Mechanical Engineers(ASME).In addition,the failure mode of piping under CTWC closure state is explored.On this basis,theinfluence of crack closure effect on the application of LBB technology is further discussed,whichprovides technical ideas that can be used as a reference for subsequent e
8、ngineering practice.收稿日期：2022-04-18；修回日期：2022-08-15基金项目：核电安全监控技术与装备国家重点实验室开放基金（007-EC-B-2020）作者简介：刘震顺（1983），男，博士研究生，正高级工程师，现从事反应堆结构力学分析工作，E-mail:；张晟（1998），男，博士研究生，现从事力学分析研究，E-mail:s-*通讯作者：郑向远（1975），E-mail:表示共同第一作者 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023Key words
9、:Welding residual stress,Through-wall crack,Closure effect,Leak-before-break,Stainless steel 0 引言核电厂高能管道双端剪切断裂是设计阶段假想的事故。破前漏（LBB）技术的应用可以消除管道双端断裂引起的动态载荷，进而优化设计方案，提升电厂的经济性和安全性1-2。在 LBB 技术体系中，管道环向穿壁裂纹在结构稳定状态下的张开位移（COD）是核心参数。一般采用通用电气有限公司/美国电力研究院（GE/EPRI）模型3、LBB.ENG 模型4等开展预测，但这些分析模型无法考虑焊接残余应力的影响1-2,5-6。焊
10、接残余应力来源于管道焊接过程中熔融金属填充材料的局部瞬态加热和冷却效应，作用机理较为复杂，测量困难。过去在分析管道表面裂纹扩展的过程中，已经将焊接残余应力作为重要的载荷，考虑其影响效果7-10。但是在分析穿壁裂纹的断裂力学行为时，通常认为残余应力已经释放，不会影响结构的破裂性能11。但是，研究指出12-18：焊接残余应力对穿壁裂纹的影响效果是不可忽略的，在外部载荷应力水平较低的情况下，裂纹可能保持闭合状态，管道不发生介质泄漏。Rahman 等人13通过简化的线弹性三维有限元分析模型，研究了残余应力对 TP304 不锈钢材料管道穿壁裂纹 COD 的影响，指出穿壁裂纹可能在残余应力的作用下产生闭合
11、，传统的 GE/EPRI 模型预测穿壁裂纹将从零负载开始以线性方式打开，这种分析结果过高估计了 LBB 技术中的介质泄漏，是不保守的。以上技术结论在美国核管会技术报告 NUREG/CR-683712、NUREG/CR-676517和 Kiciak 等人18的研究成果中得到了确认。2005 年美国核管会通过“Battelle 管道完整性研究计划”（BINP）在传统的 GE/EPRI 模型中引入一个修正因子，用于补偿残余应力引起的穿壁裂纹闭合效应12。但是，该研究成果对应的残余应力分布形式没有明确，裂纹闭合应力的变化规律也未得到深入总结。近年来一些研究工作16,18-21通过参数化的有限元分析结果
12、构造权函数，基于直接权函数的方法来评估残余应力作用下的穿壁裂纹 COD，但是研究成果局限于线弹性断裂力学领域。本文在现有研究成果的基础上开展进一步探索，以不锈钢管道为例，引入实际工程中常用的简化残余应力包络值22，通过弹塑性数值分析模型研究其引起的环向穿壁裂纹（后简称裂纹）的闭合效应，总结临界闭合应力的变化规律，进而从管道破坏模式的角度讨论其对 LBB 技术应用效果的影响。1 裂纹 COD 有限元分析 1.1 分析对象本文针对 TP304 不锈钢材料及其焊材 316L，采用美国机械工程师协会（ASME）工作小组推荐的典型焊接残余应力22，分析典型实测材料性能参数下不同半裂纹角度、壁厚 t（当
13、t25.4 mm时，本文称为厚壁管道，其余情况称为薄壁管道）、不同 R/t（R 为半径）时，焊接残余应力引起的裂纹闭合效应。1.2 工程参数材料性能及其模型输入参数如表 1 和表 2所示。表 1 材料性能Tab.1 Material Properties参数数值拉伸应力强度Su/MPa585屈服应力强度Sy/MPa240弹性模量/MPa187777R-O方程系数7.664R-O方程指数n3.882 表 2 有限元分析模型输入参数Tab.2 Input Parameters of Finite Element Analysis Model参数取值t/mm7.5、15、22.5、30、400.06
14、25、0.125、0.25、0.45R/t5、10、20残余应力有/无刘震顺等：残余应力作用下的不锈钢管道环向穿壁裂纹闭合效应研究153 1.3 分析模型使用 ABAQUS 软件23按照表 2 输入参数，对管道开展参数化建模。所使用的数值分析模型为含有裂纹的三维实体对称模型。采用的单元类型为 C3D20R，划分的单元数量为 17490 个，从管道内部至外壁共剖分为 10 层网格，忽略壁厚大小。为避免端部约束效应的影响，管道模型长度为管道半径的 5 倍。在裂纹所在的横截面，裂纹面为自由面，其余的部分则限制轴向对称位移。分析模型详见图 1图 3。裂纹面在载荷的作用下，既可能产生使裂纹张开的正向位移
15、，又可能产生使裂纹闭合的负向位移。当裂纹面的位移为负值时，表示 2个裂纹面互相接触。在本文中，不考虑 2 个裂纹面接触后的变形情况，因为对于 LBB 技术中的介质泄漏率分析计算，裂纹面接触的意义就是裂纹闭合，此时介质的泄漏率为 0，模拟穿壁裂纹内部的变形接触对于本研究没有实际参考意义。图 1 分析模型示例Fig.1 Example of the Analysis ModelRi管道内半径；Ro管道外半径；L管道长度的一半；裂纹 COD 模型建立采用笛卡尔坐标系，且满足右手法则。管轴即为 z 轴，裂纹面位于 z=0 的平面上，由平面 z=0 所截圆环圆心位于坐标原点（0,0,0）处，该圆环（包含
16、裂纹面）的对称轴即为 x 轴。图2 中U3=UR1=UR2=0 表示限制该面的z 向（轴向）平动自由度、绕 x 轴和绕 y 轴的转动自由度，U2=UR1=UR3=0 表示限制该面的 y 向平动自由度、绕 x 轴和绕 z 轴的转动自由度。1.4 载荷施加方法在管道自由端的横截面上施加弯矩 M，加载方向要能够使位于裂纹面中线的管道外壁点获得最大弯曲应力。焊接残余应力则作为面载荷施加在裂纹内表面。载荷的加载顺序为首先施加焊接残余应力，分析获得计算结果后，在原基础上进一步施加管道端部弯矩。所施加的弯矩水平从 0 开始，直至裂纹面中轴线上的位移全部在其张开方向产生正位移。不同参数化模型中裂纹在载荷作用下产生的失稳临界载荷可通过 GE/EPRI 方法1-2,7计算获得。图 2 模型约束条件Fig.2 Model ConstraintsU1、U2、U3x、y、z 三个方向的平动自由度（U1在背面无法示出）；UR1、UR2、UR3绕 x、y、z 轴的转动自由度 图 3 裂纹尖端网格划分Fig.3 Crack Tip Meshing154核 动 力 工 程Vol.44 No.2 2023 2 结果与讨论
