CAP1000反應(yīng)堆壓力容器堆測(cè)接管堆焊管座疲勞性能

張俊寶，谷 雨，梅 樂，余 燕

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233）

CAP1000反應(yīng)堆壓力容器堆測(cè)接管堆焊管座疲勞性能

張俊寶，谷 雨，梅 樂，余 燕

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233）

CAP1000反應(yīng)堆壓力容器堆測(cè)接管管座采用低合金鋼堆焊成型，堆焊是增材制造的最原始形態(tài)。在核電的壓力容器設(shè)計(jì)上，采用堆焊結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)的一個(gè)部件是不常見的。采用埋弧堆焊，從堆焊結(jié)構(gòu)的三個(gè)方向——垂直于焊接方向、平行于焊接方向、堆焊結(jié)構(gòu)的高度方向分別進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，三個(gè)方向的疲勞性能基本相當(dāng)。疲勞試驗(yàn)結(jié)果與ASME第Ⅲ卷附錄Ⅰ提供的母材的疲勞曲線進(jìn)行對(duì)比，三條試驗(yàn)曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于ASME基準(zhǔn)曲線的上方，因此采用ASME第Ⅲ卷附錄Ⅰ提供的母材疲勞曲線進(jìn)行堆焊管座的力學(xué)評(píng)定是合適的。

CAP1000；堆測(cè)接管管座；埋弧焊；疲勞性能

0 前言

在核電的壓力容器設(shè)計(jì)上，一般采用分體鍛造接管與本體焊接，或在容器上局部加厚，進(jìn)行機(jī)加工出接管，但是帶來的問題是鍛件局部加厚，影響主體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。無論分體鍛造接管還是機(jī)加工出接管，與堆焊相比，在設(shè)備制造的經(jīng)濟(jì)型方面不占優(yōu)勢(shì)。CAP1000反應(yīng)堆壓力容器堆測(cè)接管管座采用堆焊的方式成型[1]，堆焊后進(jìn)行焊后熱處理。堆測(cè)接管管座作為一回路的壓力邊界部件，對(duì)于設(shè)備的安全運(yùn)行有著重要的影響。堆焊結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)的一個(gè)部件是不常見的。因此，從堆焊結(jié)構(gòu)的三個(gè)方向——垂直于焊接方向、平行于焊接方向、堆焊結(jié)構(gòu)的高度方向分別進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對(duì)比各個(gè)方向的性能。另外，在ASME第Ⅲ卷附錄Ⅰ并未提供焊縫金屬的疲勞曲線，在設(shè)計(jì)力學(xué)評(píng)定時(shí)一般采用相應(yīng)母材的疲勞曲線進(jìn)行分析，因此，本研究將實(shí)驗(yàn)所得疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)與ASME第Ⅲ卷附錄Ⅰ提供的設(shè)計(jì)疲勞曲線進(jìn)行了對(duì)比。

1 模擬件的制作

模擬件采用的焊接材料與CAP1000產(chǎn)品使用的完成相同，所采用的焊接工藝（埋弧焊）、焊接設(shè)備、焊接規(guī)范參數(shù)、熱處理制度也與CAP1000產(chǎn)品堆測(cè)接管堆焊管座一致。焊接工藝按ASME標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定合格，焊接材料和焊接規(guī)范如表1所示。模擬件采用的母材為SA508 Gr.3 Cl.1，厚度60mm，長度600mm，寬度300 mm。母材的化學(xué)成分如表2所示。F9P4-EG-G的焊絲和熔敷金屬的實(shí)測(cè)結(jié)果分別見表3和表4。

表1 焊接材料和焊接規(guī)范Table 1 Welding material and welding parameters

表2 母材化學(xué)成分Table 2 Compsition for base metal ％

表3 焊絲化學(xué)成分Table 3 Compsition for welding wire ％

表4 熔敷金屬化學(xué)成分Table 4 Compsition for weld metal ％

焊接接頭形式如圖1所示，模擬產(chǎn)品的情況，隔離層采用焊條電弧焊，當(dāng)隔離層厚度不小于7 mm時(shí)，采用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行堆焊，直至達(dá)到堆焊厚度的要求。焊接過程嚴(yán)格控制道間溫度，焊道搭接量在1/2～2/3，每層焊道厚度不大于4 mm，焊絲干伸長量30～35 mm。

圖1 接頭形式Fig.1 Joint type

當(dāng)試板堆焊層厚度達(dá)到T=150 mm時(shí)進(jìn)行中間消應(yīng)力熱處理，當(dāng)試板堆焊層厚度達(dá)到T=300 mm以上時(shí)進(jìn)行最終消應(yīng)力熱處理。

2 疲勞性能試驗(yàn)

在試驗(yàn)件的平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向分別各取12個(gè)試樣進(jìn)行350℃高溫疲勞試驗(yàn)，12個(gè)試樣分6組，每組在1個(gè)應(yīng)變幅下進(jìn)行試驗(yàn)。低周疲勞試驗(yàn)按照ASTM E606-2012進(jìn)行，試樣采用中間工作部分為φ10 mm的標(biāo)準(zhǔn)低周試樣，試樣詳細(xì)尺寸如圖2所示。

疲勞試驗(yàn)首先對(duì)試樣進(jìn)行原始尺寸測(cè)量。選取不同的應(yīng)變水平（0.2％～1.0％），在規(guī)定應(yīng)變速率[一般為（5～8）×10-3/s-1]的要求下計(jì)算試驗(yàn)頻率。在預(yù)估壽命次數(shù)條件下選擇相應(yīng)的參考環(huán)作為試樣失效的評(píng)判依據(jù)，試驗(yàn)載荷下降至記錄的參考環(huán)載荷80％時(shí)，試樣產(chǎn)生裂紋并失效。根據(jù)最終不同應(yīng)變水平下的壽命（疲勞壽命最大為105cycles）及應(yīng)力參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析得到相應(yīng)的疲勞特征值和S-N曲線。試驗(yàn)后選取典型試樣進(jìn)行斷口分析。最后統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理得到設(shè)計(jì)疲勞曲線的驗(yàn)證曲線。

圖2 疲勞試樣Fig.2 Fatigue specimen drawing

平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向疲勞試驗(yàn)的循環(huán)特征參數(shù)如表5所示。

表5 疲勞循環(huán)特征參數(shù)Table 5 Fatigue recycle characteristic parameters

平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向的真應(yīng)力與塑性應(yīng)變的疲勞曲線分別如圖3～圖5所示，三個(gè)方向的疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖6。

圖3 平行堆焊方向真應(yīng)力與塑性變形關(guān)系Fig.3 Stress and plastic strain parallel to welding

圖4 垂直堆焊方向真應(yīng)力與塑性變形關(guān)系Fig.4 Stress and plastic strain perpendicular to welding

從以上三個(gè)方向的試驗(yàn)結(jié)果可知，材料的分散性較小，三個(gè)方向的疲勞性能基本相當(dāng)。

取三件典型疲勞試樣按照GB/T 17359進(jìn)行斷口掃描分析[2]，截取各試棒斷口，經(jīng)超聲波清洗后，在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，如圖7～圖9所示。平行堆焊方向試棒斷口（見圖8）上距離表面約1mm處有一處橢球形狀的缺陷，缺陷長徑約0.57 mm，疲勞裂紋在此萌生，向四周擴(kuò)展。缺陷表面光滑圓融，具有氣孔或空洞類冶金缺陷的自由凝固表面特征。除平行堆焊方向試棒斷口從內(nèi)部起裂外，其余兩個(gè)試棒均起裂于表面，向內(nèi)擴(kuò)展。3件斷口的擴(kuò)展區(qū)均可觀察到清晰的疲勞條紋，終斷區(qū)均為韌窩狀斷口。

圖5 堆焊高度方向真應(yīng)力與塑性變形關(guān)系Fig.5 Stress and plastic strain for weld thickness

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.6 Comparison for test data

圖7 垂直堆焊方向試樣低倍疲勞斷口Fig.7 Fracture profile by low magnification for specimen perpendicular to welding

斷口分析表明，平行堆焊方向（見圖8）試棒從內(nèi)部冶金缺陷處萌生疲勞裂紋，缺陷尺寸約0.57mm；其余兩件試棒均從表面起裂，斷口上沒有異常冶金缺陷。

圖8 平行堆焊方向低倍疲勞斷口Fig.8 Fracture profile by low magnification for specimen parallel to welding

另外，ASME第Ⅲ卷附錄Ⅰ并未提供焊縫金屬的疲勞曲線，在設(shè)計(jì)力學(xué)評(píng)定時(shí)一般采用相應(yīng)母材的疲勞曲線進(jìn)行分析，因此，本研究曲線將以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)與ASME第Ⅲ卷附錄Ⅰ提供的設(shè)計(jì)疲勞曲線進(jìn)行了對(duì)比，三條試驗(yàn)曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于ASME基準(zhǔn)曲線的上方，見圖10，說明被測(cè)材料的疲勞性能滿足ASME規(guī)范要求，采用ASME第Ⅲ卷附錄Ⅰ提供的母材的疲勞曲線進(jìn)行熔敷金屬的力學(xué)評(píng)定是合適的[3-4]。

圖9 堆焊高度方向低倍疲勞斷口Fig.9 Fracture profile by low magnification for specimen of weld thickness

圖10 與設(shè)計(jì)疲勞曲線對(duì)比Fig.10 Comparision drawing with design fatigue curve

3 結(jié)論

（1）采用ASME第Ⅲ卷附錄I提供的母材疲勞曲線進(jìn)行CAP1000反應(yīng)堆壓力容器堆測(cè)接管管座的力學(xué)評(píng)定是合適的。

（2）CAP1000反應(yīng)堆壓力容器堆測(cè)接管堆焊管座三個(gè)方向疲勞試驗(yàn)結(jié)果基本相當(dāng)，疲勞性能分散性較小。

[1]關(guān)橋.焊接/連接與增材制造(3D)打印[J].焊接，2014（5）：1-8.

[2]杜洪奎，潘家?guī)?低合金鋼微缺陷的裂紋萌生擴(kuò)展規(guī)律[J].機(jī)械工程材料，2008（2）：18-20.

[3]李臻.低碳低合金鋼的變幅疲勞壽命估算[J].壓力容器，2006（7）：10-14.

[4]李冬霞，賈寶春，邱太生，等.焊接接頭TIG熔修的疲勞強(qiáng)度及低溫性能研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2005，27（1）：126-129.

Fatigue property of quickloc instrument nozzle(QIN)weld build-up of CAP1000 reactor pressure vessel

ZHANG Junbao，GU Yu，MEI Le，YU Yan
（Shanghai Nuclear Engineering Research&Design Institute，Shanghai 200233，China）

CAP1000 reactor pressure vessel quickloc instrumentation nozzle is a build-up low alloy steel structure by SAW，and buildup is considered as the original additive manufacturing.This kind of design is not mostly used as a component，so this paper performs fatigue test from perpendicular to welding direction，parallel to welding direction，and the weld thickness direction for SAW build-up. The test results show that fatigue property from the three directions is equivalent.Comparing the fatigue test results with the material fatigue curve of ASME SectionⅢappendixⅠ，data points of the three test curves are all above ASME base curve，so performing mechanical evaluation with the material fatigue curve of ASME SectionⅢappendixⅠis proper for quickloc instrument nozzle(QIN) weld build-up.

CAP1000；quickloc instrumentation nozzle；SAW；fatigue property

TG407

A

1001－2303（2016）12－0011-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.03

獻(xiàn)

張俊寶，谷雨，梅樂，等.CAP1000反應(yīng)堆壓力容器堆測(cè)接管堆焊管座疲勞性能[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：11-15.

2016-05-27

張俊寶（1976—），男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事核電設(shè)備的焊接設(shè)計(jì)工作。