CN109472117B - 核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法，首先利用涡流检测探头对处于不同应力水平的标准拉伸试件进行多频涡流检测，获得多个频率涡流检测阻抗与应力值的对应关系，然后在待测试件上选取一条包括应力腐蚀裂纹的封闭曲线，在该曲线上选取一系列测试点进行多频涡流检测，通过涡流检测阻抗与应力值的对应关系测取各测试点的残余应力值，最后利用有限元软件，建立应力腐蚀裂纹的数值模型，将各测试点的残余应力值作为边界条件，计算得应力腐蚀裂纹附近的残余应力分布；本发明方法可以准确、快速地评价裂纹附近应力分布，具有操作简单，易实现，数据量小的优点，可以广泛应用于核电站结构裂纹附近区域应力分布的定量无损评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种应力分布的测量方法，具体涉及一种核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法测量方法。
背景技术
残余应力是指在没有载荷和温度变化等外界因素作用下，存在于金属材料或机械构件内部并保持平衡的力。在工程结构的制造、运输、安装和使用过程中，构件内部都会产生残余应力。残余应力对构件结构强度、断裂韧性、金属材料的耐腐蚀性和疲劳寿命等有很大的影响，严重危害结构安全。因此残余应力在工程中的重要性和广泛性已得到人们的极大的重视，开发残余应力检测方法和技术意义重大。目前，残余应力检测方法大致可以分为两类：即机械测量方法和物理测量方法。机械测量法包括：逐层剥层法、盲孔法和钻阶梯孔法等，此类方法均对被测构件产生不同程度的破坏，因此在实际应用中受到一定程度的限制；物理测量法是一种无损应力检测方法，主要包括X射线衍射法、磁测法、超声波法和固有应变法等。
在核电站等结构中，由于残余拉伸应力、腐蚀环境和敏感性材料等因素，应力腐蚀裂纹普遍存在，严重危害结构安全，对其进行定量无损评价必不可少。考虑到应力腐蚀裂纹的萌生和扩展条件，在裂纹和周围区域必然存在残余应力。残余应力的存在严重影响应力腐蚀裂纹的定量无损评价精度，并且残余拉应力会加快应力腐蚀裂纹的扩展，增大应力腐蚀裂纹对核电站结构安全和完整性的威胁，因此对残余应力分布的定量评估无比重要。但目前残余应力的检测方法均无法对裂纹附近的残余应力分布进行定量评估。
鉴于此，本发明提出了一种核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价新方法，基于多频涡流检测信号测量应力腐蚀裂纹远场处的残余应力值，将应力腐蚀裂纹远场残余应力值作为边界条件，结合有限元仿真软件实现应力腐蚀裂纹附近区域残余应力分布的数值计算与定量无损评估。
发明内容
为了解决上述现有的应力腐蚀裂纹附近残余应力测定方法存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法本方法，所提方法具有操作简单，数据量小，易实现的优点，可广泛应用于核电站结构裂纹附近区域应力分布的定量无损评估。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法，包括如下步骤：
1)设计加工多个不锈钢标准拉伸试件，对各个标准拉伸试件施加不同的载荷使试件处于不同应力水平，利用涡流检测探头对每个处于不同应力水平的标准拉伸试件进行多频涡流检测，获得多个频率涡流检测阻抗与应力值的对应关系；
2)加工应力腐蚀裂纹平板待测试件，测量待测试件应力腐蚀裂纹远场处的残余应力值，即在应力腐蚀裂纹四周位置选取一条将应力腐蚀裂纹圈在其内的封闭曲线，在该封闭曲线上选取一系列残余应力测试点，且保证各残余应力测试点到应力腐蚀裂纹的最短距离相等，采用与步骤1)中多频涡流检测相同的实验条件对每个残余应力测试点分别进行多频涡流检测，获取每个残余应力测试点在多个激励频率下的涡流检测阻抗，通过步骤1)获得的涡流检测阻抗与应力值的对应关系测取每个激励频率情况下各个残余应力测试点的残余应力值，然后求取各个激励频率情况测取的残余应力值的平均值，作为该残余应力测试点处的残余应力值；
3)利用有限元软件，建立步骤2)加工的已知形态应力腐蚀裂纹的数值计算模型，将各残余应力测试点的残余应力值作为边界条件，计算获取应力腐蚀裂纹附近的残余应力分布。
步骤2)中选取的包括应力腐蚀裂纹的封闭曲线形状与实际应力腐蚀裂纹尺寸、形状有关，封闭曲线上各点到应力腐蚀裂纹处最近的距离相同。
步骤2)中在包括应力腐蚀裂纹的封闭曲线上选取残余应力测试点的个数与所选取的封闭曲线和应力腐蚀裂纹的距离有关，同时也与封闭曲线的周长有关，可以为8个、12个、16个、20个、24个……
步骤2)中多频涡流检测可以同时获取多个频率的涡流检测阻抗信号、多个频率涡流检测阻抗与应力值的对应关系，每个频率信号都可以获得一个残余应力测量值，将多个残余应力测量值的平均值作为各测试点最终的残余应力值。
步骤3)中有限元软件可以选用ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、ADINA或MARC。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明方法采用多频涡流无损检测方法，具有设备简单、使用方便、易实现、数据量小、对人体无危害等优点，能广泛用于金属结构部件裂纹附近应力分布的测量与定量评估。
2)本发明方法将直接测量裂纹附近应力场的复杂问题转化为以裂纹远场点的应力值为边界条件，从而结合有限元仿真软件求解应力场分布的一般问题，适用性广、效率高，同时保证了测量结果的准确性。
附图说明
图1为核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法流程图。
图2为标准拉伸试件及加载示意图。
图3为残余应力测试点选取示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出的核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法，其实现过程主要包括如下步骤：
1)设计加工多个不锈钢标准拉伸试件，其几何形状如图2所示，对于各个标准拉伸试件施加不同的拉伸载荷5kN、10kN、20kN、30kN、40kN、50kN、60kN、70kN、80kN，使试件处于不同应力水平，利用涡流检测探头对每个处于不同应力水平的标准拉伸试件进行多频涡流检测，激励频率选取为10kHz、30kHz、50kHz、80kHz、100kHz、150kHz，获得每个激励频率情况涡流检测阻抗与应力值的对应关系；
2)加工应力腐蚀裂纹平板待测试件，几何尺寸为200mm×100mm×15mm，如图3所示，测量待测试件应力腐蚀裂纹远场处的残余应力值，即在应力腐蚀裂纹四周位置选取一条将应力腐蚀裂纹圈在其内的封闭曲线，在该封闭曲线上选取8个残余应力测试点(如图3所示)，且保证各残余应力测试点到应力腐蚀裂纹的最短距离相等。采用与步骤1)中多频涡流检测相同的实验条件对8个残余应力测试点分别进行多频涡流检测，获取每个残余应力测试点在多个激励频率下的涡流检测阻抗，通过步骤1)获得的涡流检测阻抗与应力值的对应关系测取每个激励频率情况下各个残余应力测试点的残余应力值，然后求取各个激励频率情况测取的残余应力值的平均值，作为该残余应力测试点处的残余应力值；
3)利用有限元软件ANSYS，建立步骤2)中加工的应力腐蚀裂纹的有限元数值计算模型，将步骤2)获得的8个残余应力测试点的残余应力值作为边界条件，计算获取应力腐蚀裂纹附近的残余应力分布。
Claims (4)
1.核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法，其特征在于：步骤如下：
1)设计加工多个不锈钢标准拉伸试件，对各个标准拉伸试件施加不同的载荷使试件处于不同应力水平，利用涡流检测探头对每个处于不同应力水平的标准拉伸试件进行多频涡流检测，获得多个频率涡流检测阻抗与应力值的对应关系；
2)加工应力腐蚀裂纹平板待测试件，测量待测试件应力腐蚀裂纹远场处的残余应力值，即在应力腐蚀裂纹四周位置选取一条将应力腐蚀裂纹圈在其内的封闭曲线，在该封闭曲线上选取一系列残余应力测试点，且保证各残余应力测试点到应力腐蚀裂纹的最短距离相等，采用与步骤1)中多频涡流检测相同的实验条件对每个残余应力测试点分别进行多频涡流检测，获取每个残余应力测试点在多个激励频率下的涡流检测阻抗，通过步骤1)获得的涡流检测阻抗与应力值的对应关系测取每个激励频率情况下各个残余应力测试点的残余应力值，然后求取各个激励频率情况测取的残余应力值的平均值，作为该残余应力测试点处的残余应力值；
3)利用有限元软件，建立步骤2)加工的已知形态应力腐蚀裂纹的数值计算模型，将各残余应力测试点的残余应力值作为边界条件，计算获取应力腐蚀裂纹附近的残余应力分布。
2.根据权利要求1所述的核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法，其特征在于：步骤2)中选取的包括应力腐蚀裂纹的封闭曲线形状与实际应力腐蚀裂纹尺寸、形状有关，封闭曲线上各点到应力腐蚀裂纹处最近的距离相同。
3.根据权利要求1所述的核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法，其特征在于：步骤2)中在包括应力腐蚀裂纹的封闭曲线上选取残余应力测试点的个数与所选取的封闭曲线和应力腐蚀裂纹的距离有关，同时也与封闭曲线的周长有关。
4.根据权利要求1所述的核电站结构裂纹附近区域残余应力分布定量无损评价方法，其特征在于：步骤3)中有限元软件采用ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、ADINA或MARC。
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