CRDM管座多道焊焊接殘余應(yīng)力計算方法研究

金 挺 徐 曉 熊光明 黃騰飛 鄧小云

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司 深圳 518124）

CRDM管座多道焊焊接殘余應(yīng)力計算方法研究

金 挺 徐 曉 熊光明 黃騰飛 鄧小云

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司 深圳 518124）

使用有限元方法，預(yù)先分析控制棒驅(qū)動機構(gòu)(CRDM)管座區(qū)域過盈配合產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場，再通過依次模擬多道焊加熱和冷卻的過程，開展CRDM管座坡口的焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬研究，分析冷裝工藝和多道焊焊接殘余應(yīng)力對CRDM管座的共同作用，分析焊道之間的冷卻時間的影響，為工程設(shè)計和修復(fù)提供支持。

控制棒驅(qū)動機構(gòu)，預(yù)應(yīng)力場，焊接殘余應(yīng)力

焊接是一個非常復(fù)雜的過程，它牽涉到電弧輸入的熱流密度、金屬熔化凝固、結(jié)構(gòu)的傳熱和收縮。焊接的過程包括結(jié)構(gòu)的局部加熱熔化、凝固以及隨后的連續(xù)冷卻[1]。結(jié)構(gòu)在焊接過程中受到約束，而材料在高溫狀態(tài)下處于熔融狀態(tài)，在局部具有很高的溫度梯度。隨溫度的下降，材料發(fā)生凝固、相變等過程，形成一個內(nèi)部平衡的殘余應(yīng)力場。有時，殘余應(yīng)力的峰值會達(dá)到甚至超過材料的屈服應(yīng)力。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)投入實際應(yīng)用時，由載荷引起的應(yīng)力場與殘余應(yīng)力相疊加，導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布和二次變形，影響結(jié)構(gòu)和焊接部位的疲勞強度、抗脆斷能力、應(yīng)力腐蝕開裂等。自上世紀(jì)60、70年代開始，各國開始研究用有限元的方法來計算焊接殘余應(yīng)力[2?4]。

在核島主設(shè)備中有不少焊接結(jié)構(gòu)，如反應(yīng)堆壓力容器的筒體、控制棒驅(qū)動機構(gòu)的管座、主管道的直管段和彎管段等。這些設(shè)備是反應(yīng)堆冷卻劑的第一道防線，研究這些焊縫的殘余應(yīng)力是非常必要的。開展焊接殘余應(yīng)力的研究，能夠幫助設(shè)計人員了解焊接結(jié)構(gòu)對設(shè)備的安全性影響，避免焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計產(chǎn)生過高的殘余應(yīng)力和變形，從而提高設(shè)計質(zhì)量。

多道焊焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬受到熱源形式和分布、加熱和冷卻速度、有限元網(wǎng)格劃分、相變等多項因素的影響，模擬過程較為復(fù)雜。而控制棒驅(qū)動機構(gòu)(CRDM)管座在焊接之前還需要進行冷裝工藝，形成焊接之前的過盈配合預(yù)應(yīng)力場，對焊接殘余應(yīng)力的模擬分析順利開展又增加了困難。本文以CRDM管座坡口焊接為例，運用有限元方法，預(yù)先分析過盈配合產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場，再通過依次模擬多道焊的過程，分析焊道之間冷卻時間的影響，開展某反應(yīng)堆CRDM管座坡口的焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬研究。

1 焊接殘余應(yīng)力數(shù)值計算的理論和方法

焊接過程中包括了電子、傳熱、金屬的熔化凝固、相變、焊接應(yīng)力場和變形等。在焊接熱力學(xué)模擬時，通常重點考慮溫度場、應(yīng)力、變形以及晶界組織之間的相互影響，其它因素視具體的情況加以考慮。

由于高度集中的瞬時熱輸入，使得焊接件的溫度場分布具有很大的溫度梯度，從而導(dǎo)致出現(xiàn)較大的焊接應(yīng)力和變形。目前常用的熱源模型有Rosonthal解析模型[5]、高斯分布熱源、半球狀、橢球形、雙橢球形模型等。為求計算的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟性，還可以將熱源形式用兩種或兩種以上的模型組合使用，如高斯分布作為表面熱源，雙橢球形熱源作為內(nèi)熱源。

焊接過程中的兩類相變問題：固體相變，即材料組織的轉(zhuǎn)變；固液相變，即材料的熔化和凝固。發(fā)生相變時，材料會吸收或釋放熱能。相對于固液相變，固態(tài)相變的潛熱[6]一般小得多，可依據(jù)情況適當(dāng)忽略。處理固液相變潛熱，通?？捎玫葴胤ā⒈葻崛萃蛔兎?、等效熱源法等。

2 過盈配合與多道焊殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬

控制棒驅(qū)動機構(gòu)的管座與反應(yīng)堆壓力容器上頂蓋之間的連接形式為：首先為管座與頂蓋的過盈配合，再在頂蓋內(nèi)側(cè)進行坡口焊接密封。此處結(jié)構(gòu)上處于不連續(xù)區(qū)域，再加上焊接殘余應(yīng)力的影響，容易造成應(yīng)力集中。

CRDM管座區(qū)域在焊接之前需要用冷裝的方式裝配，過盈配合造成了預(yù)應(yīng)力場的存在。在分析模擬焊接殘余應(yīng)力之前，需要先模擬冷裝工藝產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場。在此基礎(chǔ)上再開展多道焊焊接的加熱-冷卻過程模擬。

多道焊的焊接殘余應(yīng)力模擬[7?9]過程涉及到焊道的起始位置和時間、層間溫度、熱處理溫度和保溫時間等，相對較難模擬。為解決多道焊的殘余應(yīng)力模擬難題，收集材料的熱物理參數(shù)以及焊接工藝數(shù)據(jù)（焊接時間、電壓、電流、層間溫度等），并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)值模擬的輸入數(shù)據(jù)。以CRDM管座坡口為算例，進行多道焊焊接殘余應(yīng)力的計算方法研究。

2.1模擬總體方案

建立有限元模型，計算過盈配合應(yīng)力場；采用合適的熱源形式，計算焊接溫度場和應(yīng)力場，并與過盈配合的應(yīng)力場疊加，分析過盈配合與焊接殘余應(yīng)力的綜合作用。

2.2有限元模型

挑選處于中心位置的管座，建立軸對稱模型，如圖1所示。模型中包括了上頂蓋的一部分、管座的一部分、堆焊層、焊接區(qū)域。使用ANSYS有限元程序的接觸單元和算法，計算CRDM管座區(qū)域的過盈配合應(yīng)力場。ANSYS軟件還提供了單元生死的功能[10]，可在需要的時候“殺死”或“激活”焊接單元，從而模擬逐步加入焊接區(qū)域的過程。焊接區(qū)域假定一共有22道縫，按順序（編號1?22）依次加熱-冷卻，模擬焊接的過程。在計算溫度場和應(yīng)力場之前，將所有的焊縫單元“殺死”，然后選用高斯熱源形式逐一“激活”焊縫單元，模擬焊接加熱過程。每一道焊縫激活的時候，首先輸入焊接熱量，持續(xù)釋放熱量2 s，然后分別自然冷卻100、200、400和800 s。22道焊縫全都完成“激活”后，再自然冷卻5000 s至基本達(dá)到環(huán)境溫度。至此，整個焊接模擬完成。

圖1 管座焊接殘余應(yīng)力有限元模型圖Fig.1 FEM model of CRDM adapter and RPV shell.

打開瞬態(tài)分析的選項，選擇FULL Newton-Raphson方法，激活變形預(yù)測和線性搜索功能，進行瞬態(tài)計算。計算過程中選用自動時間步長設(shè)置，計算過程收斂性良好。

2.3材料屬性

焊接時產(chǎn)生高溫，材料表現(xiàn)出很強的非線性特征，必須給出隨溫度變化的材料屬性參數(shù)，溫度范圍為20?1000 oC。這些材料參數(shù)包括：導(dǎo)熱系數(shù)K、比熱容C、密度ρ、楊氏模量E、泊松比μ、熱膨脹系數(shù)α。定義材料為雙線性隨動硬化材料BKIN。

2.4邊界條件

約束最右側(cè)節(jié)點的法線方向、中心位置管座上下端面的法線方向和水平方向自由度；考慮環(huán)境的影響，綜合導(dǎo)熱、換熱和輻射效應(yīng)，將管座內(nèi)部區(qū)域的換熱系數(shù)設(shè)置為5 W·m?2·K?1)，其余邊界為20W·m?2·K?1。

2.5計算結(jié)果

冷裝工藝的過盈配合量為0.4 mm，應(yīng)用ANSYS軟件的169、172單元模擬接觸，計算得到預(yù)應(yīng)力場，如圖2所示。結(jié)果顯示最大的接觸應(yīng)力達(dá)到了170 MPa左右。

圖2 過盈配合的預(yù)應(yīng)力場圖Fig.2 Pre-stress distribution of interference fit.

圖3分別顯示了焊道之間間隔時間為100、200、400和800 s的焊縫區(qū)域最終的殘余應(yīng)力強度分布。結(jié)果顯示，過短的焊道冷卻時間將造成較大的焊接殘余應(yīng)力，部分區(qū)域甚至已達(dá)到屈服應(yīng)力。最大焊接殘余應(yīng)力位于管子內(nèi)部，而真正的焊縫區(qū)域反而較小，說明過短的層間冷卻時間造成了非設(shè)計者預(yù)期的應(yīng)力分布，在設(shè)計中應(yīng)避免過短的層間冷卻時間。較為合適的層間冷卻時間的焊接殘余應(yīng)力分布較為合理。

焊接過程過盈配合的接觸壓力有較大的影響。焊接過程中的高溫注入造成了接觸邊緣區(qū)域的金屬重新分布，削減了過盈配合的接觸壓力，特別是使得焊縫邊緣處的接觸應(yīng)力大幅下降。在初始狀態(tài)（未焊接時），接觸壓力最大值達(dá)到171 MPa，最小值為38 MPa，平均值為61 MPa；按不同的層間冷卻時間(100、200、400和800 s)焊接后的接觸壓力最大值分別下降為145、128、117和120 MPa，最小值分別下降為23、12、0和0 MPa，平均接觸壓力下降為49、47、46和45 MPa。上述數(shù)據(jù)表明焊接對冷裝的接觸壓力影響較大，層間冷卻時間較短時，熱應(yīng)力未對接觸壓力有大的影響；而隨著層間冷卻時間的增加，溫度擴散的范圍越來越大，溫度梯度造成的熱應(yīng)力對接觸壓力影響也隨著增強。當(dāng)層間冷卻時間達(dá)到一定程度時，最小的接觸壓力將為0MPa。因此需要檢查CRDM管座的接觸壓力情況是否符合設(shè)計要求。

圖3 焊接殘余應(yīng)力-應(yīng)力強度 (a) 100 s；(b) 200 s；(c) 400 s；(d) 800 sFig.3 Residual stress distribution-intensity. (a) 100 s; (b) 200 s; (c) 400 s; (d) 800 s

3 總結(jié)和討論

通過建立CRDM管座和反應(yīng)堆壓力容器頂蓋中心位置的坡口焊接有限元模型，模擬了在CRDM管座的過盈配合預(yù)應(yīng)力場、多道焊焊接過程中的熱應(yīng)力變化，以及最終狀態(tài)的焊接殘余應(yīng)力和焊接變形，研究和討論了層間冷卻時間對焊接殘余應(yīng)力分布、接觸壓力的影響，為工程中的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一套合適的模擬方法。模擬過程中應(yīng)關(guān)注以下幾點內(nèi)容：

1) 計算過程中考慮了熱源形式、施加和釋放熱量、冷卻等因素，使用有限元的方法，對焊接殘余應(yīng)變和變形的計算方法研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)中心位置CRDM管座坡口經(jīng)過焊接后焊縫區(qū)域處于壓縮狀態(tài)，焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值約為200 MPa左右的壓應(yīng)力;同時焊接對過盈配合有影響，焊接過程大幅降低焊接邊緣的接觸壓力，應(yīng)注意檢查過盈配合處在設(shè)計工況作用下的密封狀態(tài)。

2) 研究發(fā)現(xiàn)多道焊的釋放的時間對結(jié)構(gòu)的溫度梯度影響較大，對焊接殘余應(yīng)力分布的影響很大。過短的焊接層間冷卻時間將造成不良的焊接殘余應(yīng)力分布，部分區(qū)域的殘余應(yīng)力甚至超過了屈服強度；在焊接工藝設(shè)計中，應(yīng)先通過數(shù)值模擬，選取合適的層間冷卻溫度。

3) 后續(xù)研究中應(yīng)進一步關(guān)注焊接過程中信息的收集和完善，使得數(shù)值計算的輸入數(shù)據(jù)更加接近實際。同時，進一步開展焊接殘余應(yīng)力和變形的測量，與數(shù)值模擬對比，改進計算方法。

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Research of weld residual stress analysis technology of CRDM adapter

JIN Ting XU Xiao XIONG Guangming HUANG Tengfei DENG Xiaoyun
(China Nuclear Power Design Company, LTD, Shenzhen 518124, China)

Background: Several aspects will influence the weld residual stress analysis of CRDM penetration, such as formation and distribution of heat source, heating and cooling processing, finite elements meshing, phase changing, etc. Purpose: Develop an effective method for weld residual stress analysis, research the influence of interval between heating and cooling step during multipass beads procedure. Methods: Finite elements with a sequentially coupled approach are applied, including a transient thermal analysis simulating the heating and coduring and their interval between multipass welding. Results: An appropriate finite method is developed for weld residual stress simulation. Conclusions: Apropriate interval time must be choosed between multipass weld beads to avoid poor weld residual stress, and contact pressure between RPV shell and CRDM adapter tube also should be check for strcture integrity.

Control rod drive mechanism, Pre-stress fields, Weld residual stress

TL351+.6

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040654

金挺，男，1980年出生，2007年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)研究

2012-10-31，

2013-01-22

CLC TL351+.6