几何与材料复合拘束下的核电容器接管安全端LBB分析研究

核电承压容器接管安全端属于核安全重点关注部位，其特殊的异种金属焊接接头结构区是一回路发生失效的薄弱环节，其失效将对核电站安全运行和环境造成极大影响。对这种管接头的结构完整性，目前的研究发展趋势是按破前泄漏（LBB）的准则进行设计和安全分析评定。但由于其复杂的结构，复杂的材料及工作在核电复杂的环境载荷下，目前基于宏观断裂力学的LBB分析仅在很简化的条件下进行，对接管嘴几何和焊接坡口几何(几何拘束)和异种材料性能失配（材料拘束）对LBB分析的影响均没有充分考虑，且缺乏系统的研究和理解。本项目拟通过详细的接管安全端几何的三维有限元模型和接头区多种不同材料本构和性能的实验测量，采用GTN细观延性损伤断裂过程模拟与宏观断裂力学分析结合的方法，系统研究接管安全端几何与材料复合拘束对LBB分析的影响规律。为建立核电承压容器接管安全端异种金属接头结构的LBB分析评定和设计技术及准确的工程方法奠定基础。

核电承压容器接管安全端属于核安全重点关注部位，其特殊的异种金属焊接接头结构区是一回路发生失效的薄弱环节，其失效将对核电站安全运行和环境造成极大影响。对这种管接头的结构完整性，目前的研究发展趋势是按LBB（Leak-before-break,破前泄漏）的准则进行设计和安全分析评定。但由于其复杂的结构，复杂的焊接区材料及工作在核电复杂的力学和环境载荷下，目前基于宏观断裂力学的LBB分析仅在很简化的条件下进行，对接管嘴、焊接坡口几何及裂纹尺寸(几何拘束)和异种材料性能失配（材料拘束）对LBB分析的影响均没有充分考虑，且缺乏系统的研究和理解。本项目通过详细的接管安全端几何的三维有限元损伤断裂力学分析，结合接头区材料局部力学/断裂性能的测量表征和局部断裂机理的分析，系统研究了接管安全端几何与材料复合拘束对LBB行为的影响规律及LBB分析的基本方法。项目首次对我国新一代核电安全端Alloy52M异种金属焊接接头的局部力学、断裂性能及微观组织进行了详细的表征分析。发现在材料界面区域存在局部力学性能的急剧波动，其所引起的局部材料拘束效应显著影响裂纹尖端的断裂参量、塑性变形、局部断裂阻力和裂纹扩展行为。裂纹扩展总是向低强度材料一侧偏转，裂纹路径的偏转主要受强度失配控制，而非韧性失配。在接管安全端结构完整性评定和LBB分析中需要考虑局部材料拘束的影响。项目研究探明了接管安全端几何结构、焊缝宽度、初始裂纹位置和裂纹尺寸对LBB分析和失效评定曲线的影响规律。发现对于靠近管嘴的裂纹，如用简化的直管模型分析评定，将得到过于保守的结果；随初始裂纹长度的增加和焊缝宽度的减小，LBB安全边际减小。项目研究建立了与安全端复杂结构,复杂接头材料及服役载荷相关的LBB曲线和LBB评价图，并给出了缺陷安全性的LBB分析评价的方法。首次研究得到了异种金属焊接接头断裂阻力与面内/面外几何和材料拘束的统一关联参数。研究得到了高温蠕变裂尖拘束的表征参数，及试样/结构几何、裂纹尺寸和加载方式等对拘束的影响规律。项目超额完成了预期目标，发表论文33篇, 其中：SCI国际著名期刊论文18篇，EI杂志论文21篇。技术成果获4项发明专利。培养研究生13名, 其中博士2名，硕士11名。项目成果对建立考虑几何和材料拘束效应的核电承压容器接管安全端结构缺陷的LBB分析评定和设计的原理和技术方法奠定了基础。