THE HARDENING TYPE INFLUENCE OF PRESSURE VESSEL RATCHETING IN CASE OF THERMAL CYCLIC LOADS

Abstract


Classical studies of the ratcheting of pressure vessels under thermocyclic loading assume that the structural material is elastic-plastic without hardening (ideal plasticity). This allows for an analytical solution to the problem, which is typically presented in the form of a "Brie diagram" plotted on the axes of mechanical and thermal stresses. The actual behavior of a material under cyclic thermo-mechanical loading requires more complex mathematical models that consider isotropic, kinematic, or mixed isotropic-kinematic hardening effects. These additional factors significantly affect the adaptability characteristics of the structure. Modern Russian and international design standards (PNAE, GOST, ASME, RCC-MR) for nuclear power plant reactor installations (reactors using liquid metal coolants, high-temperature gas-cooled reactors, etc.) allow for the occurrence of plastic deformation in the material but limit the accumulation of these deformations over the lifespan of the structure. Specifically, these standards regulate the use of both a simplified method based on the classic Bree solution for perfectly plastic materials and a direct finite element analysis of the structural life cycle under conditions of plastic deformation and high-temperature creep. In this paper, we investigate the problem of thermal cycling of a pressure vessel using different hardening models. We have developed a numerical algorithm to construct and analyze the evolution of adaptation diagrams depending on the number of cycling loads. We perform a specific numerical calculation for the cyclic thermal force loading of a steel pressure vessel with known parameters for elastic-plastic deformation models. This is done in the context of predicting the design life based on current regulations and standards for the design of nuclear power plant equipment.

Full Text

В настоящее время передовым направлением российской атомной промышленности является создание замкнутого топливного цикла, сердцем которого должен служить высокотемпературный реактор с жидкометаллическим теплоносителем [1]. Особенность работы подобных реакторов состоит в высоких уровнях механических и температурных нагрузок на корпус реакторной установки, а также циклический характер этих нагрузок в течение эксплуатации энергоблока. Еще одним ключевым направлением современной отечественной и мировой энергетики является замещение ископаемого топлива в различных высокотемпературных промышленных технологиях. С этой целью активно ведутся разработки отечественного высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР) с гелиевым теплоносителем, в результате работы которого может быть получено экологически чистое водородное топливо [2]. Разработки такого типа реактора начались в 60-х годах XX века в СССР, но до практической реализации доведены не были. Основными преимуществами данного реактора является высокая степень безопасности: нет риска возникновения пароциркониевой реакции, так как в конструкции микротвэлов не используются сплавы с цирконием, а в активной зоне нет воды. Однако в связи с высокой рабочей температурой реактора (более 800°C) проблемы эксплуатации материалов и расчетного обоснования прочности подобных ответственных конструкций не теряют своей актуальности. Современные нормы проектирования атомных станций [3-4] допускают оценку циклической прочности конструкций в условиях неупругого поведения. Упрощенные методики расчета позволяют с определенной степенью консерватизма определять возможность эксплуатации конструкции под действующими проектными нагрузками. Данные методики построены на применении диаграммы Бри [5] для определения характерной приспособляемости сосуда под давлением к термоциклическому нагружению. При таком подходе неупругое поведение материала описывается соотношениями идеальной пластичности. В случае неудовлетворения критериям циклической прочности по упрощенным методиками допускается проведение последовательных циклических расчетов с учетом нелинейной диаграммы деформирования материала с упрочнением, в результате которых определяется величина накопленной неупругой деформации, которая ограничена нормативными допускаемыми величинами. Однако нормативные документы не регламентируют тип механизма упрочнения, который должен быть заложен в расчетной модели, что имеет значительное влияние на итоговые величины накопленной неупругой деформации. Настоящая работа посвящена описанию влияния механизма упрочнения материала на приспособляемость сосуда под давлением в условиях термоциклического нагружения. Исследование проводится с применением программного средства конечно-элементного анализа Abaqus.

About the authors

R. V Fedorenko

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Saint-Petersburg, Russian Federation

A. V Lukin

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Saint-Petersburg, Russian Federation

I. R Murtazin

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Saint-Petersburg, Russian Federation

References

  1. E.O. Adamov et al. Bystryj reaktor so svincovym teplonositelem BREST: ot koncepcii k realizacii tekhnologii [BREST fast reactor with lead coolant: from concept to technology implementation] // Atomnaya energiya. – 2020. – Vol. 129, №4. – p. 185-194
  2. Shamanin I.V., Gavrilov P.M. Vysokotemperaturnye jadernye jenergeticheskie tehnologii [High-temperature nuclear energy technologies]// Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. – 2010. – Vol.316, №4. - p. 5-9
  3. GOST R 59115.10-2021. Obosnovanie prochnosti oborudovanija i truboprovodov atomnyh jenergeticheskih ustanovok. Utochnennyj poverochnyj raschet na stadii proektirovanija. Nacional'nyj standart RF [Substantiation of the strength of equipment and pipelines of nuclear power plants. An updated verification calculation at the design stage. The national standard of the Russian Federation], 2021
  4. ASME BPVC.III.5-2015. Division 5 – High Temperature Reactor
  5. Bree J. Elastic-plastic behaviour of thin tubes subject to internal pressure and intermittent high-heat fluxes with application to fast nuclear reactor fuel elements // Journal of Strain Analysis. – 1967. – Vol. 2, № 3. – pp. 226-238
  6. Rabotnov Ju. N. Mehanika deformiruemogo tverdogo tela [Solid mechanics]. — M.: Nauka, 1988. — 711 p
  7. Sedov L. I. Mehanika sploshnoj sredy [Mechanics of Continuous Media]. — M.: Nauka, 1994. — T. 1. — 528 s., T. 2. — 560 p
  8. Xue-fang Xie et al. Cyclic hardening/softening behavior of 316L stainless steel at elevated temperature including strain-rate and strain-range dependence: Experimental and damage-coupled constitutive modeling // International Journal of Plasticity. – 2019. - № 114. – pp. 196-214
  9. Halama R., Fumfera J. et al. Modeling the Strain-Range Dependent Cyclic Hardening of SS304 and 08Ch18N10T Stainless Steel with a Memory Surface // Metals. – 2019. – №9, 832. – 26 p
  10. Pelegatti M., Lanzutti A. et al. Cyclic plasticity and low cycle fatigue of an aisi 316l stainless steel: experimental evaluation of material parameters for durability // Materials. – 2021. – №14, 3588. – 20p
  11. Lei Chen et al. Low-cycle fatigue properties of austenitic stainless steel s30408 under large plastic strain amplitude // Advanced Steel Construction. – 2022. – Vol. 18, №1. – pp. 517-527
  12. Ho-Wan Ryu et al. Determination of Combined Hardening Parameters to Simulate Deformation Behavior of C(T) Specimen under Cyclic Loading // Procedia Structural Integrity. – 2018. – №13. – pp. 1932-1939
  13. Algarni M., Choi Y., Bai Y.. A unified material model for multiaxial ductile fracture and extremely low cycle fatigue of Inconel 718 // International Journal of Fatigue. 2017. – №96. – pp. 162-177
  14. Chaboche J.L., Van K.D., Cordier G.. Modelization of the Strain Memory Effect on the Cyclic Hardening Of 316 Stainless Steel // In Proceedings of the International Association for Structural Mechanics in Reactor Technology, Berlin, Germany, 9–21 August 1979; p. 12
  15. Lemaitre J., Chaboche J.L.. Mechanics of Solid Materials // Cambridge University Press: Cambridge, UK. - 1990. – 556 p
  16. Chaboche J.L.. Time-independent constitutive theories for cyclic plasticity // Int. J. Plast. – 1986. – №2. – pp. 149–188
  17. Chaboche J.L.. A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories // Int. J. Plast. – 2008. – №24. – pp. 1642–1693
  18. Fedorenkov D.I., Kosov D.A., Tumanov A.V. A method for determining the constants and parameters of a damage accumulation model with isotropic and kinematic hardening // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol.26, №6. – pp. 63-74
  19. Ansys 2021R2 Theory Guide – Ansys Inc, 2021
  20. Abaqus 2017 Theory Guide – Dassault Systems, 201
  21. Ambroziak A. Numerical modeling of elasto-viscoplastic Chaboche constitutive equations using MSC.MARC // Task quarterly. – 2005. – Vol. 9, №2. – pp 157-166
  22. Bradford R.A.W. The Bree problem with primary load cycling in-phase with the secondary load // Int. J. of Pressure Vessels and Piping. – 2012. – №99. – С. 44-50
  23. Bradford R.A.W. The Bree problem with primary load cycling out-of-phase with the secondary load // Int. J. of Pressure Vessels and Piping. – 2017. – №154. – С. 83-94
  24. Messner M.C., Sham T.-L., Wang Y., N-bar problems as approximations to the Bree problem // ASME 2018 Pressure Vessels and Piping Conference, American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 2018
  25. Chernyavsky O.F., Chernyavsky A.O. Predel'nye sostoyaniya i koefficienty zapasa pri povtornyh nagruzheniyah [Limit states and safety factors under repeated loading] // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2020. – №3. – pp 125–135
  26. Chernyavsky O.F., Chernyavsky A.O. Opisanie deformacionnyh svojstv materialov pri raschetah malociklovoj ustalosti [Description of the deformation properties of materials in low-cycle fatigue calculations] // Bulletin of the South Ural State University, series “Mathematical. Mechanics. Physics”. – 2021. – Vol.13, №3. – pp 53-61
  27. Khokhlov A.V. Analiz obshchih svojstv krivyh polzuchesti pri ciklicheskih stupenchatyh nagruzheniyah, porozhdaemyh linejnoj teoriej nasledstvennosti [Analysis of creep curves produced by the linear viscoelasticity theory under cyclic stepwise loadings] // Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki. – 2017. – Vol.21. №2. – pp 326-361
  28. Turkova V.A. Inkremental'nyj analiz dvuhosnogo nagruzheniya plastiny s krugovym otverstiem: prisposoblyaemost', znakoperemennaya plastichnost' i retcheting [Incremental analysis of twoaxial loading of the plate with central circular hole: shakedown (accomodation), alternating plasticity, ratcheting] // Vestnik SamGU. – 2015. – №3 (125). – pp 106-124
  29. Turkova V.A., Stepanova L.V. Razlichnye rezhimy ciklicheskogo nagruzheniya neuprugoj plastiny: konechno-elementnyj analiz dvuhosnogo nagruzheniya uprugoplasticheskoj plastiny s ellipticheskim vyrezom [Finite element analysis of biaxial cyclic tensile loading of elasto-plastic plate with central elliptical hole] // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2016. – №3. – pp 207–221
  30. Bondar V.S., Abashev D.R., Petrov V.K. Plastichnost' materialov pri proporcional'nyh i neproporcional'nyh ciklicheskih nagruzheniyah [Plasticity of materials with proportional and nonproportional cyclic loading] // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2017. – №3. – pp 53–74
  31. Bondar V.S., Abashev D.R., Petrov V.K. Sravnitel'nyj analiz variantov teorij plastichnosti pri ciklicheskih nagruzheniyah [Comparative analysis of variants of plasticity theories under cyclic loading] // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2017. – №2. – pp 23–44
  32. Pei X., Dong P., Mei J.. The effects of kinematic hardening on thermal ratcheting and Bree diagram boundaries // Thin-Walled Structures. – 2021. – №159. – 159 p
  33. Pei X., Dong P.. A universal approach to ratcheting problems of Bree type incorporating arbitrary loading and material nonlinearity conditions // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2020. – №185. – 13 p
  34. Morozov N.F., Fedorenko R.V., Lukin A.V. Chislennyj metod analiza prisposoblyaemosti uprugo-plasticheskih tel pri peremennyh nagruzkah [Computational method for ratcheting analysis of the elastoplastic bodies under cyclic loads] // Composites and Nanostructures. – 2024. – Vol.16, №1. – pp. 69-8

Statistics

Views

Abstract - 49

PDF (Russian) - 27

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2025 Fedorenko R.V., Lukin A.V., Murtazin I.R.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies