针对目前对航天管路系统金属软管静刚度特性认识有限的问题,对金属软管开展了轴向刚度试验研究。通过设计轴向刚度试验,考虑了无内压状态和充压0.5 MPa状态下的拉伸、压缩工况,获得了2种不同规格的金属软管试验件的刚度曲线。试验结果表明,软管的轴向刚度表现出了高度非线性,在低刚度阶段两试件的刚度分别为56.82 N/mm和167.13 N/mm,在高刚度阶段两试件的刚度则分别大于3 724.62 N/mm和4 014.14 N/mm。使用数字图像法,获取了轴向拉伸时网套的编织角变化及外径变化信息,分析了几何非线性和边界非线性因素对软管刚度的影响,提出了基于接触的金属软管非线性力学行为解释。使用有限元仿真方法,对金属软管轴向拉伸过程中的刚度非线性变化进行了复现,验证了基于接触的金属软管非线性力学行为解释的可靠性。为金属软管刚度非线性的进一步分析提供参考。

针对304LN不锈钢制容器对国产自动化焊接材料的迫切需求,研制了ER316LMnG奥氏体不锈钢焊丝,对其熔化极活性气体保护焊(MAG)的熔敷金属及304LN对接接头进行了试验研究。结果表明,焊态及去应力热处理态熔敷金属组织均为奥氏体柱状晶,不含铁素体组织,熔敷金属具有良好的强度和塑性,尤其是其-196℃冲击值达到80 J以上,冲击断裂特征为典型的韧性断裂;焊接修复情况下长时间或多次的去应力热处理对熔敷金属的力学性能无明显影响;该焊丝得到的对接接头焊接质量良好,其拉伸、冲击及弯曲等力学性能满足承压设备焊接工艺评定的要求,并且接头具有较强的抗晶间腐蚀能力;该焊丝能够用于304LN类压力容器的焊接。

用于高压储氢的Ⅳ型储氢气瓶,其聚合物内衬材料的氢阻隔性能对于气瓶的质量起着至关重要的作用。以聚合物内衬材料聚乙烯(PE)和聚酰胺(PA6)为研究对象,对氢气在PE和PA6中的传输过程进行分子动力学模拟和蒙特卡洛模拟,计算了氢气在聚合物材料中的溶解度系数、扩散系数和气体渗透系数。通过气体渗透试验论证了分子动力学模拟材料阻隔性能的可行性。结果表明:在0.1 MPa下,随着温度从288 K升至328 K,PE,PA材料的气体的溶解系数降低,气体扩散系数增大,由于扩散作用占主导地位,材料的气体渗透系数分别增大了1.0%,80.3%。在41.6,52,60 MPa等工况下也得出了与上述基本一致的变化趋势。此外,通过模拟发现石墨烯和有机蒙脱土改性可以降低气体在材料中的扩散系数。

裂纹缺陷是众多环焊缝缺陷中危险性最大的缺陷之一。油气管道在经过地质条件较差的区域时,当遭遇自然灾害,管道除内压作用外,还会承受额外的弯曲载荷,由此引起的大跨度管道弯曲变形容易引起环焊缝裂纹扩展,导致管道破裂。基于大量环焊缝裂纹有限元数据,拟合出了裂纹尖端应力强度因子的工程评估公式。按照子模型分析方法可以快速获得有限元结果数据且能保证精度,是一种高效获取全尺寸弯曲管道中裂纹应力强度因子拟合数据的方法。结合API 579中提供的环向裂纹应力强度因子理论公式,对应力强度因子计算公式进行了拟合,裂纹尺寸范围为0.03<a/c<0.2,0.27<a/t<0.54,对应的最大误差为4.86%。通过全尺寸弯曲试验,验证了裂纹扩展时对应的公式临界位移精确度可达5.49%,公式临界远场应变精确度可达4.95%。

为了研究结构参数和入口雷诺数对非对称翼形翅片印刷电路板式换热器(PCHE)性能的影响,首先基于计算流体力学对简化的非对称翼形翅片PCHE进行三维数值模拟,通过拟合计算结果得出了误差分别在10%和13%以内的努塞尔数Nu和摩擦系数f的经验准则式;然后,采用一维分析方法来计算全尺寸PCHE(不对换热器模型进行简化)的体积、换热量和压降等参数;最后,将全尺寸PCHE单位体积的换热量(Q/V)和总压降(Δp)作为目标函数,将翅片横向间距、翅片厚度和入口雷诺数作为设计变量,结合NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化设计。研究结果表明,与翅片横向距离为4.8 mm时相比,当翅片横向距离为3 mm时,换热器的Q/V最大可增加88.7%,Δp最大可增加178.6%;与翅片厚度为0.6 mm时相比,当翅片厚度为2.4 mm时,换热器的Q/V最大可增加76.5%,Δp最大可增加93.9%;与本文所研究的其他结构参数的非对称翼形翅片PCHE综合对比,使用NACA8540翼形翅片的PCHE具有最佳的性能。所得结论对于非对称翼形翅片PCHE的应用具有一定指导意义。

超高压管式反应器由经过自增强处理的厚壁直管和厚壁弯管组合而成,自增强厚壁弯管的受力难以通过理论分析得出。基于有限元方法对自增强厚壁弯管的受力情况进行了分析,并将结果与基于平面应变模型的自增强厚壁直管的有限元计算结果进行对比。研究结果表明,厚壁弯管的回转半径对自增强厚壁弯管的受力情况有显著影响,回转半径越大、厚壁弯管的受力情况越接近厚壁直管。以自增强厚壁直管在工作压力下内表面的当量应力幅值为衡量基准,当厚壁弯管回转半径增大到一定值,可以认为自增强厚壁弯管的疲劳性能与厚壁直管基本一致。对于目前国内LDPE/EVA装置中常用规格的厚壁自增强弯管,如果以厚壁直管内表面当量应力幅值的10%作为厚壁弯管当量应力幅值的最大偏差,则回转半径R的取值应大于7D_o,当偏差为5%时,回转半径R需大于10D_o。该研究结果与国外引进的超高压管式反应器设计参数相吻合。

为防止焊接残余应力引起反应堆压力容器顶盖J形焊缝腐蚀开裂,通过增加焊缝连接面积和减小结构不连续面的方法对大直径大夹角顶盖贯穿件J形焊缝结构进行设计优化,采用X射线衍射法测贯穿件外壁残余应力、盲孔法测量贯穿件内壁残余应力,得到内外壁残余应力数值和分布规律,确认优化后的焊缝结构能将残余应力降低到验收下限值的70%左右,有效提高反应堆压力容器的结构完整性和安全裕量,为后续的结构设计优化方向提供指导。

基于有限元分析软件对采用变径管结构设计的补偿器进行了应力分析,并依据分析设计方法进行了强度校核,同时分析了半顶角和折边圆弧R的大小对结构受力影响。结果表明:变径管厚度可参考GB/T 150.3—2011中受内压折边锥壳厚度计算方法,但是考虑到预热安装管道使用的补偿器承受的轴向力大,建议通过有限元分析来进一步校核以提高产品的安全性和经济性。预热安装管道用补偿器结构采用变径管设计时,von Mises应力随着折边圆弧R的增大有所下降,但是降低幅度不大,从R110增大至R190等效应力下降比例约为5%;von Mises应力随着随着半顶角的增大而增大,近线性变化。预热安装管道用补偿器设计时可优先选择较小半顶角,而折边圆弧R可根据成形工艺确定合适的参数。

JB 4732—1995附录Ⅰ浮头式换热器管板计算方法未考虑筒体边缘附加弯矩,有待完善。通过对浮头式换热器管板计算方法进行推算,给出了相应的改进计算式,并对JB 4732—1995未计入筒体边缘附加弯矩对b型、c型、d型3种结构管板计算结果的影响进行了讨论分析。结果表明,不计入筒体边缘附加弯矩,在某些工况下可能会导致管板计算结果不够安全,应对JB 4732—1995附录Ⅰ浮头式换热器管板计算方法进行改进。

接头是聚乙烯燃气管道容易出现危害性缺陷的薄弱环节,需对此薄弱区域进行定期检测,以确保聚乙烯燃气管道的安全运行。为提高聚乙烯燃气管道接头缺陷图像识别能力,提出了一种基于ResNet网络模型的改进型卷积神经网络识别算法。首先运用Laplacian算子、中值滤波等方式实现对PE燃气管道接头缺陷图像的预处理;然后,将dropout层和ELU函数加入在ResNet34网络模型中完成图像识别模型的构建;最后,采用改进的ResNet34网络模型通过试验对包含6种热熔缺陷类型的数据集进行训练和测试。试验结果表明,改进后的ResNet34网络模型对缺陷图像的训练正确率可达到97.3%,且拥有比原始的ResNet34网络模型和DenseNet网络模型更高的正确率,验证了此模型对于热熔接头缺陷图像识别的有效性。

为解决Q345R+Incoloy 825合金复合钢板焊缝处的补堆焊及接管内壁的堆焊问题,根据镍基合金的焊接特点,通过选择合理的焊接工艺参数和焊接方法,分别开展了低合金钢材料Q345R上采用镍基合金焊材的焊条电弧焊和钨极氩弧焊堆焊工艺评定,分析了焊接过程中易产生的缺陷类型和需要掌握的焊接要点,明确了焊接过程的质量控制措施,有效避免了焊接过程产生有害缺陷,保证Q345R+Incoloy 825合金复合钢板制压力容器的顺利制造,为后续同类型材料产品的制造提供借鉴。