Исследование усталости материалов тонкостенных труб в экстремальных условиях с применением акустического метода

• Автор: Карасевич, Владислав Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 162 с. : ил.

,6/■ Рт'-

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ

1.1. Феноменология усталостного разрушения

1.2. Модели, описывающие усталостное разрушение

1.3. Методы и средства испытаний

1.4. Акустическая эмиссия в усталостных испытаниях

1.5. Свойства сплавов циркония для оболочек твэл

1.6. Характеристики вибрации оболочек твэл

1.7. Основные задачи исследования

2. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
2.1. Выбор и обоснование схемы нагружения
2.2. Экспериментальные средства
2.2.1. Устройства для изучения статических диаграмм
деформирования
2.2.2. Устройства для изучения динамических
диаграмм деформирования
2.2.3. Компьютеризованная оптическая система
2.2.4. Акустическая система
2.2.4.1 .Структурная схема регистрирующей
системы
2.2.4.2. Регистрация акустической эмиссии
2.2.4.3. Регистрация колебаний в измерительной ^ капсуле
2.3 Выводы по главе 2
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦОВ В 84 СТАТИЧЕСКОМ И ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМАХ
3.1 Цель исследований
3.2. Исследования в статическом режиме
3.3. Исследования в динамическом режиме
3.4. Высокотемпературные исследования образцов
сплавов циркония
3.5 Выводы по главе 3

4. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ
ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛ
4.1. Испытательное устройство
4.2. Методика испытаний
4.3. Исследование усталостной долговечности
циркониевых сплавов для оболочек твэл
в состоянии поставки
4.4 Испытания облученных образцов
4.5 Результаты сравнительных испытаний сплавов
циркония при воздействии и без воздействия йодного пара
4.6 Общие закономерности проявления акустической
эмиссии
4.7 Выводы по главе 4
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Актуальность работы
Усталостью материала называется его разрушение под влиянием периодической динамической нагрузки при напряжениях, значительно меньших, чем предел прочности [39]. Например, для стали 45 предел усталости составляет всего около 40% предела прочности.
Исследованиям и диагностике усталостного разрушения материалов посвящено большое количество исследований, однако проблемы остаются далекими от разрешения. Проблема усталости труб тем более актуальна, что, как установлено в последнее время, усталостное разрушение при вибрации труб может наблюдаться при малых уровнях переменных напряжений, чему ранее не уделялось должного внимания. Например, вибрационная усталость является одной из причин преждевременного разрушения трубопроводов в топливно-энергетическом комплексе.
В силу статистического характера усталостного повреждения получение надежных данных и их обобщение являются очень трудоемкой задачей, особенно при испытаниях материалов в экстремальных условиях — при воздействии высокой температуры, агрессивных сред, высоких статических и динамических нагрузок, ионизирующих излучений.
К числу особенно трудных задач следует отнести изучение усталостных характеристик оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) в указанных условиях. Из-за различия коэффициентов теплового расширения двуокиси урана и материала оболочек твэл водоохлаждаемых энергетических реакторов, после длительной эксплуатации возможно возникновение плотного контакта топлива с оболочкой. Поэтому при изменениях мощности реактора в оболочке могут возникать значительные знакопеременные напряжения, способные привести к разрушению последней. Возникающее сложнонапряженное состояние характеризуется наличием осевых и окружных компонент напряжений с наложением статических и динамических составляющих. При увеличении мощности реактора оболочка подвергается растяжению при механическом взаимодействии с топливной таблеткой, а в последующий период снижения мощности, когда контакт между топливом и оболочкой может быть потерян, оболочка в поперечном стать овальной в результате медленного сплющивания, происходящего от разности давлений внутри и снаружи

Здесь Р — приложенная нагрузка; Е — модуль упругости материала образца; Л —средний радиус образца; Л/ —максимальное значение изгибающего момента в образце; Ь — ширина образца; 1г — его толщина.
Рис. 2.1. Простейшие схемы изгибной деформации кольцевого образца:
1 — опора; 2 — нить; 3 — образец; 4 — планка; 5 — стрелка; 6 — шкала
Оценим величины деформаций для рассматриваемого случая. Пусть образец в виде кольца, вырезанного из оболочки тепловыделяющего элемента ядерного реактора — твэл, имеет ширину, равную 1 мм. Другие параметры такого образца (Л =0,71 мм; Е = 0,95-10й Н/м2 ; К =4,23 мм) определяются параметрами оболочки. Оценим усилие, требующееся для создания максимального напряжения в образце, близкого к пределу текучести, например 200 МПа. Подстановки в формулы (2.1 —2.3) дают результат: Р = 12,4 Н.
Создание такой нагрузки на малых образцах связано с определенными трудностями обеспечения жесткого закрепления образца в захватах. Так как требуется силовое воздействие на образец в противоположных направлениях, необходимо его безлюфтовое защемление. Изготовление и опытная эксплуатация подобных захватов не привели к получению надежных и стабильных результатов.
Вместе с тем, подобная схема нагружения полезна для проверки применимости основных соотношений теории упругости при исследовании модель-