核反應(yīng)堆壓力容器接管安全端堆焊修復(fù)結(jié)構(gòu)的LBB分析

魏 敏 王國珍 軒福貞 涂善東 劉長軍

（華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200237）

核反應(yīng)堆壓力容器接管安全端堆焊修復(fù)結(jié)構(gòu)的LBB分析

魏 敏 王國珍 軒福貞 涂善東 劉長軍

（華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200237）

核反應(yīng)堆壓力容器接管安全端異種金屬焊接接頭在服役中通常會(huì)產(chǎn)生高溫高壓水環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展。目前減輕和修復(fù)這種裂紋的技術(shù)是在安全端管接頭外表面堆焊一層更抗腐蝕的鎳基合金(Alloy52M)材料。本文通過三維結(jié)構(gòu)的有限元斷裂力學(xué)分析，計(jì)算得到了堆焊修復(fù)結(jié)構(gòu)的“先漏后斷” (Leak-before-break, LBB)曲線和韌帶失穩(wěn)線，并分析了堆焊層厚度對(duì)LBB安全邊際的影響。結(jié)果表明，堆焊修復(fù)后結(jié)構(gòu)的LBB曲線和韌帶失穩(wěn)線在沒有堆焊層結(jié)構(gòu)的曲線上方，且隨堆焊層厚度的增加，LBB曲線和韌帶失穩(wěn)線上移，表明堆焊修復(fù)及堆焊層厚度的增加使安全端結(jié)構(gòu)的LBB安全邊際增大。

堆焊修復(fù)，LBB (Leak-before-break)曲線，韌帶失穩(wěn)線，核電安全端，焊接接頭

核壓力容器接管嘴與安全端管之間的異種金屬焊接接頭區(qū)在服役中通常會(huì)產(chǎn)生高溫高壓水環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕裂紋(Primary water stress corrosion cracking, PWSCC)[1-2]。隨服役時(shí)間增加，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展可穿透鎳基合金(Alloy82/182)焊縫區(qū)壁厚引起含輻射水介質(zhì)的泄露[3-4]。這對(duì)設(shè)備安全和環(huán)境將造成很大影響。目前減輕和修復(fù)PWSCC裂紋的技術(shù)主要是在安全端管接頭外表面堆焊一層更抗腐蝕的鎳基合金(Alloy52M)材料。一方面是阻止PWSCC裂紋擴(kuò)展到穿透；另一方面是減輕管內(nèi)表面區(qū)的殘余拉應(yīng)力，以減少開動(dòng)PWSCC的應(yīng)力；同時(shí)可以增強(qiáng)管接頭的強(qiáng)度[5-6]。

關(guān)于堆焊修復(fù)層的設(shè)計(jì)、堆焊工藝及堆焊接頭區(qū)殘余應(yīng)力的分布及其影響因素已有較多的研究[7-10]。但關(guān)于堆焊修復(fù)后對(duì)安全端接頭的結(jié)構(gòu)完整性所帶來的影響及其評(píng)價(jià)技術(shù)的研究還很少。由于核電奧氏體主管道材料的韌性高，其失效模式一般是“先漏后破”，即LBB(Leak-before-break)，因此，對(duì)于接管安全端通常采用LBB設(shè)計(jì)和評(píng)定。在沒有堆焊修復(fù)層時(shí)，目前的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如ASME、R6等用簡化為直管的結(jié)構(gòu)和簡化為焊縫和母材的材料（不考慮焊接熱影響區(qū)及材料界面區(qū)的影響）對(duì)安全端焊接接頭區(qū)裂紋的安全性用LBB分析或用失效評(píng)定圖技術(shù)評(píng)定。而在堆焊修復(fù)后，安全端管接頭的結(jié)構(gòu)尺寸及焊接區(qū)材料性能等均發(fā)生了變化，其對(duì)LBB安全邊際所帶來的影響，及原標(biāo)準(zhǔn)中簡化的缺陷LBB分析評(píng)定方法能否適用等問題目前還缺乏研究和認(rèn)識(shí)。

用ABAQUS軟件建立堆焊修復(fù)的安全端異種金屬焊接接頭結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，選擇位于安全端結(jié)構(gòu)中A508母材和Alloy82堆焊層界面的內(nèi)表面周向裂紋為研究對(duì)象，準(zhǔn)確計(jì)算其彈塑性斷裂力學(xué)參數(shù)J積分，并進(jìn)行裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定性分析。在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到了LBB曲線和韌帶失穩(wěn)線，分析了堆焊修復(fù)對(duì)LBB評(píng)定的影響，為堆焊修復(fù)結(jié)構(gòu)的LBB分析方法的建立提供依據(jù)。

1 有限元建模

1.1 接管安全端堆焊結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

接管安全端由接管嘴與安全端通過異種金屬焊接而成。本文建模分析的典型安全端結(jié)構(gòu)和堆焊修復(fù)區(qū)如圖1所示。堆焊修復(fù)層的尺寸及安全端異種金屬焊接接頭材料如圖2所示。

構(gòu)成安全端接頭結(jié)構(gòu)的4種材料包括低合金鋼管嘴(A508)、鎳基合金堆焊層(Alloy82)、鎳基合金焊縫(Alloy182)及奧氏體不銹鋼安全端管(316L)。在安全端管接頭外表面堆焊一層更抗腐蝕的鎳基合金(Alloy52M)，其堆焊修復(fù)層的尺寸參考文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)，堆焊區(qū)完全覆蓋異種金屬焊接接頭區(qū)，其總長度為：L=B+27 mm(Alloy82)+21 mm(Alloy182)+50 mm，如圖2。B與堆焊層厚度相關(guān)，為研究堆焊層厚度對(duì)LBB分析的影響，堆焊層厚度分別取3 mm、6mm和9 mm，相應(yīng)的B值分別為123.8 mm、132.2mm和138.5 mm。圖1中安全端管的原始外表面直徑為953 mm，管壁厚度為83 mm，對(duì)于如此大尺寸的結(jié)構(gòu)一般無法進(jìn)行LBB試驗(yàn)，目前基于斷裂力學(xué)的三維有限元分析是準(zhǔn)確的LBB分析方法。

圖1 接管安全端結(jié)構(gòu)和堆焊修復(fù)區(qū)Fig.1 Structure of safe end and weld overlay region.

圖2 安全端材料及堆焊修復(fù)層尺寸Fig.2 Materials of safe end and the size of weld overlay.

模型中5種材料在壓水堆340 °C核電工作溫度下的力學(xué)性能參數(shù)，通過相關(guān)文獻(xiàn)[11-14]獲得。圖3為5種材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，彈性模量為180 000 MPa，泊松比為0.3。

圖3 安全端接頭材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-true strain curves of the materials used in weld joint region of the safe end.

1.2 有限元模型

ABAQUS軟件是目前國際上最先進(jìn)的大型商用有限元計(jì)算分析軟件之一，它擁有眾多的單元模型、材料模型、分析過程等，可以用來分析各種線性和非線性力學(xué)問題，使得它在世界各國的工業(yè)和研究中被廣泛采用。作者前期的LBB分析工作中[15]成功地使用了ABAQUS軟件，本文的LBB分析亦使用該軟件。由于安全端結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，用實(shí)際結(jié)構(gòu)的一半建立三維有限元(FEM)模型，如圖4(a)所示?？紤]到管嘴與反應(yīng)堆壓力容器相連的剛性大，故左邊設(shè)置固定約束；對(duì)稱面上設(shè)置對(duì)稱約束。通過設(shè)置材料密度屬性和重力加速度的方式施加重力載荷。安全端管內(nèi)表面施加設(shè)計(jì)內(nèi)壓近似值為17MPa。在安全端右端面與一回路管道連接處施加主彎矩載荷。結(jié)構(gòu)所受軸向力按內(nèi)壓計(jì)算為35.8MPa，施加在模型右端面。模型采用三維一次減縮積分單元(C3D8R)，整體網(wǎng)格數(shù)約為60000。模型整體網(wǎng)格和裂尖局部網(wǎng)格分布如圖4所示。裂尖初始根半徑為2 μm，裂尖區(qū)最小網(wǎng)格尺寸約為0.6μm(圖4(b))。前期LBB分析工作中[15]的網(wǎng)格敏感性分析表明,這一細(xì)密網(wǎng)格尺寸的計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定、可靠。

圖4 典型三維有限元結(jié)構(gòu)的整體網(wǎng)格(a)和裂紋尖端網(wǎng)格(b)Fig.4 Meshes of three-dimensional finite element model for the whole structure (a) and refined meshes around the crack tip (b).

2 堆焊修復(fù)安全端結(jié)構(gòu)的LBB分析

2.1 堆焊修復(fù)層對(duì)LBB曲線的影響

對(duì)于含缺陷結(jié)構(gòu)，穿透臨界裂紋尺寸與外加主載荷的關(guān)系曲線一般稱為LBB曲線。它是發(fā)生泄漏(Leak)和破裂(Break)的分界線。穿透臨界裂紋尺寸一般通過基于彈塑性斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定性分析來確定。

用圖5所示的J動(dòng)力曲線與JR阻力曲線相切的方法確定穿透臨界裂紋尺寸。對(duì)于低斷裂阻力的A508/Alloy82薄弱界面的穿透裂紋，文獻(xiàn)[16]給出的JR阻力曲線方程為：

通過計(jì)算不同主彎矩載荷下的J動(dòng)力曲線，由圖5看出，外加載荷為15.33 MN·m時(shí)，J動(dòng)力曲線與JR阻力曲線在裂紋半長為67.34 mm處相切，即裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，臨界半裂紋長度為67.34mm。換算后可得到用弧長角2θ表示的失穩(wěn)裂紋長度值為16.32°，從而就可以確定LBB曲線上的一點(diǎn)(16.32°，15.33 MN·m)。對(duì)于其它裂紋長度，用同樣的計(jì)算方法得到不同的點(diǎn)，將這些點(diǎn)連起來就得到一條LBB曲線。

圖5 臨界裂紋長度的確定Fig.5 Determination of critical crack length.

圖6是計(jì)算得到的不同堆焊層厚度下的LBB曲線。對(duì)于LBB曲線下方的裂紋尺寸和載荷，裂紋處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以發(fā)生泄漏(Leak)及LBB；而對(duì)于LBB曲線上方的裂紋尺寸和載荷，將發(fā)生破裂(Break)失效。因此LBB曲線可用來判斷一定工況載荷下的穿透裂紋是否會(huì)發(fā)生LBB；同時(shí)也可確定一定工況載荷下的穿透臨界裂紋長度。圖6中的0 mm表示沒有堆焊層，由圖6看出，堆焊修復(fù)后的LBB曲線在沒有堆焊層的LBB曲線上方，且隨堆焊層厚度的增加，LBB曲線略有上移。如做一個(gè)典型的定量分析，當(dāng)外加彎矩為10 MN·m時(shí)，0 mm、3mm、6 mm和9 mm厚的堆焊層所對(duì)應(yīng)的臨界裂紋尺寸分別為53°、57°、58.5°和60°。臨界裂紋尺寸隨堆焊層厚度的增加表明，安全端結(jié)構(gòu)發(fā)生LBB的安全邊際增大。

圖6 不同堆焊層厚度下的LBB曲線Fig.6 LBB curves for weld overlay of different thicknesses.

2.2 堆焊修復(fù)對(duì)韌帶失穩(wěn)線的影響

韌帶失穩(wěn)線是一定載荷下裂尖前韌帶發(fā)生失穩(wěn)裂紋擴(kuò)展時(shí)，未穿透裂紋深度與其長度的關(guān)系曲線，一般用基于彈塑性斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定性分析得到。本文用類似于圖5的方法計(jì)算確定韌帶失穩(wěn)線。圖7分別是12 MN·m和14 MN·m兩個(gè)典型載荷下，具有不同厚度堆焊層(3 mm、6 mm和9 mm)和沒有堆焊層(0 mm)時(shí)的韌帶失穩(wěn)線。

圖7 M=12 MN·m (a)和14 MN·m (b)時(shí)的韌帶失穩(wěn)線Fig.7 Ligament instability lines at M=12 MN·m (a) and 14 MN·m (b).

由圖7看出，堆焊修復(fù)后的韌帶失穩(wěn)線在沒有堆焊層的曲線上方，且隨堆焊層厚度由3 mm增加至9 mm，韌帶失穩(wěn)線上移。如對(duì)于M=12 MN·m、裂紋長度2θ=100°的裂紋，當(dāng)堆焊層厚度由0 mm增加至9 mm時(shí)，臨界裂紋深度a/t由0.68增加到0.81。臨界裂紋深度的增加及韌帶失穩(wěn)線的上移意味著LBB評(píng)價(jià)圖中結(jié)構(gòu)裂紋的LBB安全邊際增大[15]。由此推斷，堆焊修復(fù)及堆焊層厚度的增加使安全端結(jié)構(gòu)的LBB安全邊際增大。圖7(a)和(b)的比較表明，隨外加載荷的增加，韌帶失穩(wěn)線下移，如對(duì)于6 mm的堆焊層厚度、2θ=100°的裂紋，當(dāng)M由12MN·m增加到14 MN·m時(shí)，臨界裂紋深度a/t由0.77降低到0.64，臨界裂紋深度的降低和韌帶失穩(wěn)線的下移表明結(jié)構(gòu)的LBB安全邊際減小。

3 結(jié)語

對(duì)堆焊修復(fù)的核壓力容器接管安全端異種金屬焊接接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行LBB分析，得到以下主要結(jié)論：

(1) 堆焊修復(fù)后的LBB曲線在沒有堆焊層的曲線上方，且隨堆焊層厚度的增加，LBB曲線略有上移。這表明堆焊修復(fù)后使安全端結(jié)構(gòu)的LBB安全邊際增大。

(2) 堆焊修復(fù)后的韌帶失穩(wěn)線在沒有堆焊層的曲線上方，且隨堆焊層厚度的增加，韌帶失穩(wěn)線上移。表明堆焊修復(fù)及堆焊層厚度的增加使安全端結(jié)構(gòu)的LBB安全邊際增大。隨外加載荷的增加，韌帶失穩(wěn)線下移，結(jié)構(gòu)的LBB安全邊際減小。

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CLCTL353+.14

Leak-before-break analysis of a dissimilar metal welded overlay structure for connecting pipe-nozzle of nuclear reactor pressure vessel to safe end

WEI Min WANG Guozhen XUAN Fuzhen TU Shandong LIU Changjun
(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety, Ministry of Education, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Background: Primary water stress corrosion cracking (PWSCC) is commonly produced in the dissimilar metal welded joints for connecting the pipe-nozzles of nuclear reactor pressure vessels to the safe ends. The technology to repair and mitigate PWSCC is usually to make the weld overlay of higher corrosion resistant Alloy52M on the pipe joints. Purpose: We need to assess the integrity of the welded overlay structures, and to make Leak-before-break (LBB) analyses. The effect of the weld overlay thickness on the LBB behavior needs to be studied. Methods: Based on the three-dimensional finite element fracture mechanics analyses, the ABAQUS software was applied to construct the LBB curves and ligament instability lines of the dissimilar metal welded overlay structures. The effects of the weld overlay thickness on the LBB curves and ligament instability lines were analyzed. Results: The results show that the LBB curves and ligament instability lines with the weld overlay are located above those without the weld overlay. With increasing weld overlay thickness, the LBB curves and ligament instability lines both shift upward. Conclusion: The weld overlay can increase the LBB safe margin of the dissimilar metal welded joints. With increasing weld overlay thickness, the LBB safe margin of the joint structure can be further increased.

Weld overlay, Leak-before-break (LBB) curves, Ligament instability lines, Nuclear safe end, Dissimilar metal welded joint

TL353+.14

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010603

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075149)、國家863項(xiàng)目(2012AA040103)及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助

魏敏，男，1989年出生，2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，現(xiàn)為華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楹穗娫O(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性

王國珍，E-mail: gzwang@ecust.edu.cn

2013-08-12，

2013-09-17