鋯合金管塞結構壓力電阻焊接頭的應力集中系數及影響因素

季順成,張學糧,林 健,魯 立,陳兵兵,雷永平,馮 剛

(1.北京工業大學材料與制造學部,北京 100124;2. 中廣核鈾業發展有限公司,北京 100029;3. 蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

0 引 言

核電作為一種環保、穩定、高效的潔凈新能源,是我國重要的發電形式之一。目前,核電機組正處于快速建設發展中,預計到2035年,在運和在建核電裝機容量合計將達到2×108kW[1]。燃料棒包殼是核燃料的第一道安全屏障,其安全性是核電服役安全的關鍵問題之一。燃料棒包殼常使用鋯合金材料并通過壓力電阻焊密封連接其管塞結構[2],其接頭部位會形成內外部擠出金屬,易產生應力集中導致結構斷裂失效[3]。填充燃料芯塊完成密封焊接后,需要對核燃料棒與燃料棒格架進行組裝,從而得到完整的核燃料組件。在組裝過程中,需要通過拉棒工藝將燃料棒拉過層層格架;由于格架孔徑較小,同時為了減小核燃料棒在服役時的橫向移動,在格架上設有剛凸,所以在拉棒、換料等過程中燃料棒會受到較大的拉伸載荷[4-5]。在服役過程中,由于燃料棒內部充有高壓氬氣,外部有高壓水蒸氣沖刷,接頭在承受內壓時也會受到拉伸載荷作用。拉伸載荷易在應力集中處誘發裂紋,導致燃料棒失效,影響核電運行安全,因此研究鋯合金管塞結構壓力電阻焊接頭的應力集中問題是十分必要的。國內外學者常采用有限元方法分析接頭應力集中系數,研究應力集中影響因素和改善方法。衛星等[6]使用ANSYS有限元軟件建立了鋼管混凝土桁架焊接T型管節點模型,研究了軸向拉力作用下管節點熱點應力集中系數,結果表明主管應力集中系數受到節點幾何參數(尺寸、形狀等)的影響較大。……