英文翻译最终版

关于焊接结构在一个三维的热疲劳荷载作用下

裂纹产生和传播的实验和数值模拟

摘要

在西瓦克斯电厂发生的热负荷nocivity一事件表明，对热负荷这种类型的特异性加载要考虑它在设计水平上的困难。本研究的目的是研究在热负荷作用下，结构有或没有焊接时裂纹的产生和传播。法国原子能委员会（CEA）在这一目标上开发了一种以fat3d命名的新的实验。进行了管焊缝危害性的各种热负荷加载实验，可以通过总厚度组件启动一个网络的裂缝和一个（或几个）裂纹来传播。焊接结构实验表明裂纹更快的产生和焊缝定位的重要性。如西瓦克斯电厂表现的，两种裂纹都从焊接接头的脚开始。这些实验结果显示，通常根据等效应变的变化作为分析标准。

关键词：热疲劳；裂纹扩展；有限元；低周疲劳；焊接

1．简介

由于许多工业设施结构要求材料承受各种机械加载，承受高温等操作条件，容易导致热疲劳损伤。热疲劳是一个在燃气轮机领域关注和研究的课题，并在最近的压水反应堆（PWR）混合三通反应堆冷却系统某些部件中得到应用。在法国的西瓦克斯反应堆观察到，裂纹区中显示一个小裂缝网络（深度小于3mm）的快速启动没有呈现择优取向（图1A）。除此之外它确认了焊接接头产生和扩展的作用。

在焊脚确实观察了裂纹的萌生，而焊缝网络是远离焊缝存在的（图1b）。另外该裂纹通过管道的厚度增长非常快速的传播。从设计的角度来看，这些意见中提出了几个问题。第一个问题是确定在何种程度上单轴机械测试的结果可以用来预测热疲劳结构的产生。在一个纯粹的热负荷裂纹的传播也是一个需要解决的问题。最后焊接接头传播产生的影响也进行了检查。

在此框架下，东航实验室的结构完整性和标准的作用主要是模拟并分析启动和热载荷作用下裂纹的扩展，以获得进一步的见解Civaux的事件

在这个框架内，CEA实验室主要是模拟和分析热负荷作用下裂纹产生和传播完整性和标准的作用，已进一步了解西瓦克斯事件。带着这个目的，实验室混合区进行了数值研究并开发了一个验命名fat3d的热测试装置实。其主要目标是：

图1热疲劳对非焊接的影响（a）或焊接（b）结构

重现在热载荷作用下网络裂缝的快速启动并分析单轴产生的周期数。

纯热载荷作用下的裂纹的扩展。

研究热疲劳作用下焊缝传播的影响。

已经在文献[3]呈现了用于设计测试和分析结果的数值模型。在本论文中，这个测试的原理是首先应用的。实验表明一个结构或无焊接，并比较和有限元分析热性能和机械性能。最后，热载荷作用下裂纹萌生预测从单轴力学试验数据上使用不同的标准进行介绍和比较。

2.FAT3D的测试原理

实验是对热管进行加载以产生一个三维应力应变场。

这个测试是通过以下设计要求：

裂纹必须在一个合理的时间装运启动（最多3个月的时间检查）。

试管管内的皮肤管需要放置一个炉。冷却区的抛物线形（图2B）。这种热冲击产生不同的热梯度可分为两类：

局部梯度温度差由内部的皮肤和皮肤之间的外部管产生。

整体的温度梯度，由温度差管的一侧和另一侧产生。作为fat3d实验冷却区的抛物线形状，热梯度沿ZZ轴和HH轴线设置。

样品是高360毫米，166毫米和外部直径厚度6.7毫米的316L奥氏体不锈钢管。

不同的热负荷参数可以到另一个测试进行修改一个（图2C）：

总周期的时间T

。

C

。

冷却时间T

F

测试管的厚度E 。 该炉的温度T C 。

一个周期可以分为两个部分：加热阶段和冷却阶段。加热阶段是控制使用参数T C ，T C 。冷却阶段的控制T F （冷温度是水的温度）。

为了尽量减少加热时间，从而减少周期的持续时间，高温对炉内T C =650。C （注意这温度不符合最高温度试件的开裂观察条件）。

图2、Fat3d 的实验原理

对表征的热负荷已经进行了热测试，基准测试管有大量的热电偶，在一个数值结果的基础上，已开发的模型为预测中的热测量温度的周期。 3.金属基热疲劳试验管

三个测试是管焊缝随着不同程度的加载的实验（表1）。

三种试验，在冷却区顶部注意裂缝网络的产生。裂纹垂直于冷却区的边界，它们是纵向在该表面的顶部，并逐步遵循环向方向朝向底部。作为温度幅值较高的顶端冷却区，最长的裂缝定位在该地区热负载最严重的地方。

fat3d 试验编号4和6对停止检查的裂缝网络的定期进行了传播。 表1.Fat3d 实验的合成

炉

测 试 管水喷射管

抛物线形冷却区

时间

冷水注射

a

b

c

这些观察得出以下结论：

该fat3d实验裂纹产生出现在早期。

第一条裂缝出现在冷却带的顶部和垂直方向

在裂缝表面和深处的显示的传播方向观察；在某些情况下，一个通过厚度裂纹观察。

高密度的网络中的裂纹得到的热负荷水平高。

4.焊接管的热疲劳试验

fat3d 6号试验是使用相同的加载条件剃了焊接接头进行了两个额外的试验。图4描述了这两个试验中用于测试不同的几何形状FAT3D号7和8的，在焊接接头的不同取向被认为是：接合部的第一方向是周向（图4a），而第二个是纵向（图4B）。图4c中给出了焊接过程的细节。表2总结了三热疲劳的主要结果测试无焊接（fat3d 6号），与周围的焊接（fat3d 7号），纵向焊缝（fat3d 8号）。可以看出，减少启动是焊接试验管2的一个因素。不同的测试继续，直到50000次为检验裂隙网络的发展。试验结束时，对于三测试最大裂纹表面长度几乎是相同的，但是网络中裂缝密度是不同的。

试验后，测试管被切断来研究裂纹随厚度的传播。本文的目的是沿切割线深度不同的

位置切割选确定裂纹。

在焊接管的情况下，开始后很短的测试时间（14000个周期），检测到小裂纹的产生（几毫米的长度）。然而，启动的位置取决于焊接接头方向的不同：

启动后，fat3d7号的试验结果为多裂纹顶端冷却带的延续。在这段时间里，第一裂纹直到50000周期的长度为25毫米（图6a ）。裂纹的纵向存在的焊缝不改变方向。然而通过焊接接头，注意到传播率降低是裂纹生长。至4.5毫米的深度，裂纹的深度是很重要的。

图4.为测试fat3d 7号的焊接试验管几何（a ） 和测试fat3d 第8（b ）；焊接接头的几何（c ）。

在fat3d 8号试验裂纹扩展是不同的：

第一条裂缝，从焊缝的界面开始，快速传播。值得注意的是在与fat3d 编号6和7试验的比较，靠近焊缝裂纹密度低。通过厚度裂纹显示了一个3毫米的扩展。然而，正如焊缝的裂纹深度取决于切削位置，这是特别困难的试验选择。因此，深度这个值可能不作为一个最大的考虑因素。

远离焊缝，相似的fat3d 6号试验观察裂纹产生的焊缝网络具有高密度。

然而，如图7所示，焊缝不在冷却区中，不在最大负荷区。因此，当焊缝位于最大热的观察负荷区，在焊缝界面一个更大的传播的裂纹可能会随着一个较小的裂缝网络传播。

这些观察结果的分析导致以下结论：

通手动金属 电弧焊接

加工后焊接

通过钨极惰性气焊