Kim, Tae Hyun;Chang, Yoon-Suk;Kim, Min-Chul;Lee, Bong-Sang
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.13
no.1
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pp.61-68
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2017
Reactor pressure vessel (RPV) under severe accident conditions accompanied by core melting is exposed to direct high-temperature thermal loads. Understanding the creep behavior of the material is one of the most important factors for evaluating the structural integrity at these conditions. While damage evaluation studies have been conducted on critical structures of nuclear power plants through finite element (FE) analyses considering creep behavior, for accurate creep damage evaluation, constitutive equations considered in the FE analyses may have different results depending on the time hardening and strain hardening models as well as the tertiary creep consideration. The purpose of this study is to evaluate the creep damage under severe accident conditions by using FE method for a representative domestic RPV material, SA508 Gr.3. The effect of material hardening models and constitutive equations which are the main variables were also investigated.
This investigation presented conventional triaxial and creep-permeability tests on sandstones considering thermally-induced damage (TID). The TID had no visible effects on rock surface color, effective porosity and permeability below $300^{\circ}C$ TID level. The permeability enlarged approximately two orders of magnitude as TID increased to $1000^{\circ}C$ level. TID of $700^{\circ}C$ level was a threshold where the influence of TID on the normalized mass and volume of the specimen can be divided into two linear phases. Moreover, no prominent variations in the deformation moduli and peak strength and strain appeared as TID< $500^{\circ}C$ level. It is interesting that the peak strength increased by 24.3% at $700^{\circ}C$ level but decreased by 11.5% at $1000^{\circ}C$ level. The time-related deformation and steady-state creep rate had positive correlations with creep loading and the TID level, whereas the instantaneous modulus showed the opposite. The strain rates under creep failure stresses raised 1-4 orders of magnitude than those at low-stress levels. The permeability was not only dependent on the TID level but also dependent on creep deformation. The TID resulted in large deformation and complexity of failure pattern for the sandstone.
A numerical model for the thermal response analysis of concrete structures is suggested. The model includes the stress-strain relationship, constitutive relationship, and multiaxial failure criteria at elevated temperature conditions. Modified Saenz's model was used to describe the stress-strain relationship at high temperatures. Concrete subjected to elevated temperatures undergoes rapid strain increase and dimensional instability. In order to explain those changes in mechanical properties, a constitutive model of concrete subjected to elevated temperature is proposed. The model consists of four strain components; free thermal creep strain, stress-induced (mechanical) strain, thermal creep strain, and transient strain due to moisture effects. The failure model employs modified Drucker-Prager model in order to describe the temperature dependent multiaxial failure criteria. Some numerical analyses are performed and compared with the experimental results to verify the proposed model. According to the comparison, the suggested material model gives reliable analytical results.
Moon, Ki Hoon;Kwon, Oh Sun;Cho, Mun Jin;Cannone, Falchetto Augusto
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.39
no.1
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pp.219-225
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2019
Computing low temperature performance of asphalt mixture is one of the important tasks especially for cold regions. It is well known that experimental creep testing work is needed for computation of thermal stress and critical cracking temperature of given asphalt mixture. Thermal stress is conventionally computed through two steps of computation. First, the relaxation modulus is generated thorough the inter-conversion of the experimental creep stiffness data through the application of Hopkins and Hamming's algorithm. Secondly, thermal stress is numerically estimated solving the convolution integral. In this paper, one-step thermal stress computation methodology based on the Laplace transformation is introduced. After the extensive experimental works and comparisons of two different computation approaches, it is found that Laplace transformation application provides reliable computation results compared to the conventional approach: using two step computation with Hopkins and Hamming's algorithm.
In unmanned aerial vehicles (UAV), the high temperature results from friction among the air, combustion of fuel in engine and combustion gas of a nozzle. The high temperature may cause serious damages in UAV structure. The Functionally Graded Material (FGM) is chosen as a material of thc engine duct structure. Thermal stress analysis of FGM is performed in this paper. FGM is composed of two constituent materials that are mixed up according to the specific volume fraction distribution in order to withstand high temperature. Therefore, hoop stress, axial stress and shear stress of duct with 2 layers, 4 layers and 8 layers FGM are compared and analyzed respectively. In addition, the creep behavior of FGM used in duct structure of an engine is analyzed for better understanding of FGM characteristics.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.16
no.1
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pp.74-83
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2020
A number of so-called 'Type IV' cracking was reported to occur at the welded joints of the P91 steel or P92 steel reheat steam piping systems in Korean supercritical thermal power plants. The reheat steam piping systems are subjected to severe thermal and pressure loading conditions of coolant higher than 570℃ and 4MPa, respectively. In this study, piping analyses and design evaluations were conducted for the piping system of a specific thermal plant in Korea and suggestions were made how structural integrity could be improved so that type IV cracks at the welded joints could be prevented. Integrity evaluations were conducted as per ASME B31.1 code with implicit consideration of creep effects which was used in original design of the piping system and as per nuclear-grade RCC-MRx code with explicit consideration of creep effects. Comparisons were made between the evaluation results from the two design rules. Another approach with modification or reduction of the redundant supports in the piping systems was investigated as a tool to mitigate thermal stresses which should essentially contribute to prevention of Type IV cracking without major modification of the existing piping systems. In addition, a post weld heat treatment method and repair weld method which could improve integrity of the welded joint of P91 steel were investigated.
In this study, we developed a semi-analytical approach for the numerical analysis of residual stress in oxide scales formed on hot-rolled steels. The oxide scale, formed during the hot rolling process, experiences complex interactions due to thermal and mechanical influences, significantly affecting the material's integrity and performance. Our research focuses on integrating various stress components such as thermal stress, growth stress, and creep behavior to predict the residual stress within the oxide layer. The semi-analytical method combines analytical expressions for each stress component with numerical integration to account for their cumulative effects. Validation through instrumented indentation tests confirms the reliability of our model, which considers thermal expansion coefficient (CTE) differences, scale growth, and creep-induced stress relaxation. Our findings indicate that thermal stress resulting from CTE differences significantly impacts the overall residual stress, with growth stress contributing a compressive component during cooling, and creep behavior playing a minor role in stress relaxation. This comprehensive approach enhances the accuracy of residual stress prediction, facilitating the optimization of material design and processing conditions for hot-rolled steel products.
The main purpose of this paper is to establish the high temperature structural integrity evaluating procedures for the next generation reactors, which are to be operated at over 500$^{\circ}C$ and for 60 years. To do this, comparison studies of the high temperature structural design codes and assessment procedures such as the ASME-NH (USA), RCC-MR (France), DDS (Japan), and R5 (UK) are carried out in view of the accumulated inelastic strain and the creep-fatigue damage evaluations. Also the application procedures of the ASME-NH rules with the actual thermal and structural analysis results are described in detail. To overcome the complexity and the engineering costs arising from a real application of the ASME-NH rules by hand, all the procedures established in this study such as the time-dependent primary stress limits, total accumulated creep ratcheting strain limits, and the creep-fatigue damage limits are computerized and implemented into the SIE ASME-NH program. Using this program, the selected high temperature structures subjected to two cycle types are evaluated and the parametric studies for the effects of the time step size, primary load, number of cycles, normal temperature for the creep damage evaluations and the effects of the load history on the creep ratcheting strain calculations are investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.2
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pp.396-403
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1991
A solution is presented for the computation of the elastic-creep stresses in a hollow cylinder subjected to nonaxisymmetric temperature distribution. The creep problem is treated by the Maxwell creep model. Laplace transformation is used for reformation of the governing equation of elastic problem and Hooke's law in a function of .gamma. , .theta. , and creep constant. The governing equation is set up using the Airy stress function which leads to the biharmonic equation. The solution is obtained by using Fourer series method and Laplace inverse method used to obtain the stress components which include the variation of time. This solution shows excellent agreement with Lamkin's and Boley & Weiner's solution. The viscoelastic stresses are also obtained for the fuel rob tube subjecting nonaxisymmetric thermal load.
The influences of small amount of Sn addition on microstructure and creep resistance of AZ91-0.4%Ca alloy have been investigated. The microstructure of the AZ91-0.4%Ca alloy was characterized by ${\alpha}$-(Mg) dendrite cells surrounded by eutectic ${\beta}(Mg_{17}Al_{12})$ and $Al_2Ca$ phases. The 0.5%Sn addition resulted in the formation of rod-shaped CaMgSn particles with the extinction of $Al_2Ca$. The Sn-containing alloy exhibited better creep resistance below $175^{\circ}C$, but the tendency was reversed above $200^{\circ}C$. The reason was discussed in relation to the change in thermal stability of ${\beta}$ phase in response to the Sn addition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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