CRDMJ型坡口焊接残余应力分析及控制研究

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1、InvestigationonResidualStressandControloftheCRDMJBevelADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ChenJunyangSupervisor：AssociateProf.MaXiaomingSeniorEngineerLiXufengSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TQ051学校代号：10561学号：201521002973华南理工大学硕士学位论文CRDMJ型坡口焊接残余应力分析及控制研究作者姓名：陈

2、俊仰指导教师姓名、职称：马小明副教授、李绪丰高工申请学位级别：工程硕士工程领域名称：安全工程论文形式：□产品研发□工程设计应用研究□工程/项目管理□调研报告研究方向：安全监控及装备故障诊断技术论文提交日期：2018年4月12日论文答辩日期：2018年5月29日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：袁智委员：姜立春、罗建东、李建三、田震摘要核反应堆压力容器（ReactorPressureVessel，RPV）是核反应堆的主要承压设备。压水堆核电站RPV上封头与控制棒驱动机构（ControlRodDriveMechanisms，CRDM）的连接方式为J型

3、坡口多层多道焊。J型坡口焊接接头整个焊缝区域包含多种金属，焊接区域狭小、焊道多，这使得J型坡口的焊接残余应力非常复杂。目前，已有在役核电J型坡口焊接接头区出现应力腐蚀开裂（StressCorrosionCracking，SCC），导致核反应堆压力容器顶盖含辐射介质的泄漏。而焊接残余应力是引起该类型裂纹的重要因素，因此对核电J型坡口焊接残余应力的分析及控制研究具有重要意义。本文在前人研究的基础上，以核电典型J型坡口试件焊接为研究对象，通过理论分析、有限元数值模拟、试验验证等方法进行研究，研究的主要内容如下：（1）基于焊接有限元分析基本理论，首先运用UGNX软件建立了J型坡口三维几何模

4、型，并用Hypermesh软件划分有限元网格，然后使用ANSYS软件进行参数化建模和编写带状移动温度热源程序，模拟了J型坡口的多层多道焊焊接工艺，获得了整个焊接过程中的温度场及应力场分布云图，分析了焊接残余应力的分布规律。最后采用盲孔法对J型坡口试样进行了残余应力测量，再将测量结果与数值模拟结果进行对比，得出两者的残余应力分布规律一致，模拟分析的结果得到了试验结果的验证。（2）调整热源移动路径、加载时间、焊接速度及层间温度等工艺参数，对不同焊接工艺参数条件下的焊后残余应力进行了对比分析，得出了焊接工艺对焊接残余应力的影响情况。结果表明：单层焊道焊接顺序采用由上峰面A方向和谷底C方向

5、起弧，分别焊至侧坡面B方向收弧的方式相比依次顺序焊接可降低焊接残余应力；多层焊道焊接顺序中，优先靠近贯穿件的单边焊道焊接顺序相比对称焊接可降低贯穿件外壁的残余应力；层间温度与焊接残余应力分布呈正相关；焊接速度与焊接残余应力分布呈负相关。（3）运用ANSYS软件将焊接过程中的温度场结果文件作为载荷施加到焊后热处理温度场数值模拟中，采用热力耦合间接法求解了焊后热处理残余应力分布云图。制定了6组不同温度的热处理方案进行有限元数值模拟，并对结果进行了对比分析，得出了当热处理温度在400℃时，焊接残余应力的削减效果最明显。本文研究成果对控制J型坡口焊接残余应力水平，提升焊接质量具有指导作用。

6、关键词：J型坡口；焊接残余应力；控制棒驱动机构；数值模拟；热处理IABSTRACTNuclearReactorPressureVessels(RPV)arethemainpressure-bearingequipmentfornuclearreactors.ControlRodDriveMechanisms(CRDM)ontheRPVofPWRNuclearPowerPlantareconnectedbyaJ-bevelmulti-layermulti-passwelding.TheentireweldareaofJ-bevelweldedjointscontainsavariet

7、yofmetals,theweldingareaisnarrow,weldmore,whichmakesJ-bevelweldingresidualstressisverycomplex.Atpresent,SCCexistsintheJ-bevelweldedjointsofin-servicenuclearpower,resultingintheradiationmediumleakinthetopofthepressurevesselofnuclearreact