AP1000核電站主管道自動(dòng)焊接頭殘余應(yīng)力分析

申 浩，馮英超，王海東，李竹淵，楊秦政

（1.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京101300；2.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124）

AP1000核電站主管道自動(dòng)焊接頭殘余應(yīng)力分析

申 浩1，馮英超1，王海東1，李竹淵1，楊秦政2

（1.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京101300；2.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124）

采用X射線衍射法對AP1000核電站主管道自動(dòng)焊接頭進(jìn)行應(yīng)力演變及焊后殘余應(yīng)力測試。分析討論管道內(nèi)壁及外壁的環(huán)向及軸向殘余應(yīng)力分布。結(jié)果表明：管道內(nèi)壁近縫處環(huán)向殘余應(yīng)力值先增大后減小并逐漸穩(wěn)定，而遠(yuǎn)縫處殘余應(yīng)力則保持緩慢上升并逐漸穩(wěn)定。焊后狀態(tài)下，管道外壁軸向殘余應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離焊縫，先減小后增大至母材水平，而環(huán)向殘余應(yīng)力則先上升后下降。

AP1000；主管道；殘余應(yīng)力

0 前言

AP1000屬于第三代先進(jìn)壓水反應(yīng)堆。核電站主管道承擔(dān)著連接反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器、主冷卻劑泵的功能，是保證核電站一回路壓力邊界完整性的重要設(shè)備[1]。焊接殘余應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的重要影響因素。對于奧氏體不銹鋼而言，熔敷金屬的晶間腐蝕問題較為突出。其原因除了服役環(huán)境之外，主要還有晶間貧鉻以及局部應(yīng)力分布。主管道母材奧氏體不銹鋼因其熱導(dǎo)率較小、熱膨脹系數(shù)較大，焊接過程導(dǎo)致的殘余應(yīng)力水平較高，惡劣的焊接殘余應(yīng)力分布將促進(jìn)晶間應(yīng)力腐蝕開裂[2-5]。

本研究采用X射線衍射法進(jìn)行接頭應(yīng)力演變及殘余應(yīng)力測試，對管道內(nèi)壁及外壁的環(huán)向及軸向殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行了分析與討論，為建立我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的窄間隙自動(dòng)焊工藝提供理論和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，為自動(dòng)焊接應(yīng)力變形的調(diào)控提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

AP1000主管道母材采用ASME/TP316LN，規(guī)格φ952.5×82.6 mm。該牌號(hào)不銹鋼為低碳控氮型不銹鋼，其耐應(yīng)力腐蝕性能較好，強(qiáng)度較高；使用焊絲牌號(hào)為ASME/ER316L，規(guī)格φ1.0 mm。母材及焊絲的名義成分如表1所示。

坡口形式采用窄間隙坡口，如圖1所示。管道焊接層間溫度100℃～150℃，管道焊接位置為5G，全位置TIG自動(dòng)焊。將管道的一端用點(diǎn)焊至工裝夾具上，另一端僅由焊接夾具支撐，如圖2所示。

表1 TP316LN及ER316L的名義化學(xué)成分%

圖1 坡口幾何形狀

實(shí)際焊接將焊口焊滿共需要70道，焊接參數(shù)為：前6道為打底焊接，焊接電流分別為90/40 A，180/80A，200/105A，220/120A，240/120A，265/130A；填充焊道使用的峰值電流為260～340 A，基值電流為160～240 A；填充末期焊道（剩余深度≤5 mm）的焊接電流為280/180 A；蓋面焊道使用的焊接電流為240/140 A。焊接電壓9.5～10.0 V，焊接速度2.5～2.8 ipm，頻率1.8 pps，占空比50%。

測試應(yīng)力方法采用X射線衍射法，選取半高寬定峰法處理測試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)用設(shè)備為加拿大Proto公司生產(chǎn)的iXRD-MG40P應(yīng)力分析儀，該設(shè)備主要分為控制系統(tǒng)、電源和測試系統(tǒng)三部分。焊接母材為奧氏體不銹鋼，根據(jù)晶格類型，選取的應(yīng)力測試參數(shù)如表2所示。

圖2 管道焊接工裝示意

表2 X射線應(yīng)力測試參數(shù)

在測試焊后殘余應(yīng)力前需對被測試樣表面進(jìn)行電解拋光處理（該拋光方法不引入附加應(yīng)力），以消除在其他加工過程中引起的局部應(yīng)力，減小表面粗糙度，再對焊件表面進(jìn)行應(yīng)力測試。在本研究中，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液作為電解液，電壓20 V，電流10 mA，單個(gè)測試點(diǎn)拋光時(shí)間30 s。拋光完成后用脫脂棉蘸取酒精擦拭測試點(diǎn)。

X射線應(yīng)力測試分兩部分進(jìn)行。第一部分為焊接過程中的焊接殘余應(yīng)力變化測試。跟隨焊接過程的進(jìn)行，在每個(gè)工作日焊接計(jì)劃完成后，對預(yù)先設(shè)置的測試點(diǎn)進(jìn)行測試。第二部分為焊接過程全部結(jié)束后的焊接殘余應(yīng)力測試。測試點(diǎn)安排如圖3所示，管道以5G位置進(jìn)行焊接，取管道最高點(diǎn)為0°，最低點(diǎn)為180°。

焊接應(yīng)力演變監(jiān)測安排測試點(diǎn)18個(gè)，依次距焊縫中心0，10，15，20，25，30，40，50，60，70，80，90，100，110，120，130，140，150 mm。

焊后在外壁取60°位置進(jìn)行測試，安排測試點(diǎn)20個(gè)，依次距焊縫中心0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，12，14，16，18，20，25，30，40，50，80，100 mm。測外壁軸向應(yīng)力時(shí)取測試點(diǎn)中前15個(gè)點(diǎn)，測外壁環(huán)向應(yīng)力時(shí)取全部20個(gè)測試點(diǎn)。

圖3 應(yīng)力測試點(diǎn)分布示意

2 分析與討論

隨著焊接過程進(jìn)行，內(nèi)壁測試點(diǎn)環(huán)向的應(yīng)力變化如圖4所示。無論是在焊接過程的初期還是末期，管道內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離焊縫都遵循先上升后下降至母材水平的規(guī)律，最大值都出現(xiàn)在測試點(diǎn)3～7之間，已達(dá)到拉應(yīng)力300 MPa的水平，即最大值出現(xiàn)在距離焊縫中心20～50mm處，之后隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，應(yīng)力值逐漸下降。

由于殘余應(yīng)力屬于彈性范疇，因此可認(rèn)為測試點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值與母材初始應(yīng)力數(shù)值之差即為焊接過程引起的應(yīng)力。從這一點(diǎn)來看，焊接過程引起的應(yīng)力主要是拉應(yīng)力，并且拉應(yīng)力很大，約為700 MPa?？紤]到管道表面初始?xì)堄鄳?yīng)力分布不均勻，數(shù)值上有一定差異，因此即使母材初始應(yīng)力為壓應(yīng)力，也很有可能因焊接過程引起較大的拉應(yīng)力。

圖4 焊接過程中內(nèi)壁測試點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力

從每次測試結(jié)果整體來看，在整個(gè)焊接過程中，內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力在母材應(yīng)力水平上發(fā)生變化的區(qū)域基本上都在距離焊縫80 mm的范圍內(nèi)。該范圍之外，應(yīng)力水平都穩(wěn)定在母材初始應(yīng)力水平上，因此可以認(rèn)為該焊接工藝條件下，焊接過程引起的管道內(nèi)壁的環(huán)向應(yīng)力變化就只發(fā)生在沿管道軸向距離焊趾80 mm的范圍內(nèi)。在這個(gè)范圍內(nèi)應(yīng)力數(shù)值較小，即因焊接產(chǎn)生的拉應(yīng)力數(shù)值較大的區(qū)域大致在測試點(diǎn)2～8之間，即在軸向上距離焊趾處15～60 mm范圍內(nèi)壓應(yīng)力數(shù)值較小，在焊接過程初期，從壓應(yīng)力演變?yōu)槔瓚?yīng)力的趨勢。

從不同階段的應(yīng)力變化來看，變化最大的階段發(fā)生在前38道焊接過程中，應(yīng)力發(fā)生較大變化的區(qū)域集中在軸向上距離焊趾處15～60mm的范圍內(nèi)。在此之后，焊接過程對管道內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力的影響逐漸減小。這是因?yàn)檫@個(gè)階段的焊接熔池已經(jīng)遠(yuǎn)離了管道內(nèi)壁，管道內(nèi)壁的溫度幅值已經(jīng)比較低，由溫度不均勻性帶來的應(yīng)力變化也就比較小。此外焊接熔池及附近的高溫金屬區(qū)域已經(jīng)遠(yuǎn)離管道內(nèi)壁，由焊接熔池凝固以及焊接熔池周圍金屬在高溫時(shí)產(chǎn)生的壓縮塑性變形無法直接影響管道內(nèi)壁的應(yīng)力，此時(shí)管道內(nèi)壁的應(yīng)力變化只是結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的響應(yīng)。因此在焊接完成前38道后，管道內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力的數(shù)值比焊接過程初期的變化更小。

綜上所述，AP1000主管道焊接過程中，管道內(nèi)壁的環(huán)向焊接殘余應(yīng)力發(fā)生較大變化的階段主要在前38道焊接過程中，由焊接引起的管道內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力的變化范圍主要在距離焊趾處80 mm的范圍內(nèi)，其中應(yīng)力變化較大的區(qū)域大約在距離焊趾處15～60 mm范圍內(nèi)。

另外，從每個(gè)測試點(diǎn)應(yīng)力值自身的變化來看，近縫區(qū)測試點(diǎn)的應(yīng)力值經(jīng)歷的是先上升后下降，而后逐漸穩(wěn)定的過程，而遠(yuǎn)縫區(qū)測試點(diǎn)的應(yīng)力值則是一直上升逐漸穩(wěn)定的過程。

對于近縫處，大致在焊縫厚度達(dá)到整體厚度的1/3處應(yīng)力值開始逐漸穩(wěn)定。結(jié)合焊縫收縮量的變化規(guī)律，當(dāng)焊縫厚度達(dá)到一定值時(shí)，母材及接頭組成的結(jié)構(gòu)整體剛度達(dá)到一個(gè)峰值，繼續(xù)進(jìn)行焊接，焊縫收縮導(dǎo)致的殘余應(yīng)力在這樣的結(jié)構(gòu)剛度下不足以使整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形繼續(xù)發(fā)生較大的變化。

從測試結(jié)果數(shù)據(jù)還可知，不同數(shù)據(jù)點(diǎn)的測試結(jié)果波動(dòng)性較大，即使在遠(yuǎn)離焊縫的母材處，應(yīng)力數(shù)值也存在著差異，這是因?yàn)樵撔凸艿罏檎w鍛造管道，管道表面存有相當(dāng)數(shù)值的壓應(yīng)力，并且內(nèi)、外壁不同區(qū)域處的應(yīng)力數(shù)值差異較大，這也導(dǎo)致焊接接頭的殘余應(yīng)力測試結(jié)果有一定的波動(dòng)性。

焊接過程結(jié)束后，管道外壁 60°處軸向、環(huán)向應(yīng)力測試結(jié)果如圖5所示。由圖5a可知，管道接頭軸向應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離焊縫，呈現(xiàn)先下降后上升的過程，最后恢復(fù)到母材水平。由圖5b可知，管道環(huán)向應(yīng)力變化比較復(fù)雜，大體上呈現(xiàn)先上升后下降至母材水平的過程。

圖5 管道外壁60°處軸向、環(huán)向應(yīng)力測試結(jié)果

當(dāng)焊接過程全部完畢后，與環(huán)向應(yīng)力數(shù)值相比管道接頭處軸向應(yīng)力數(shù)值較小。這是因?yàn)楣艿赖谋诤衽c內(nèi)徑之比為0.1，可以看作是一種殼結(jié)構(gòu)，不進(jìn)行外部約束，這種結(jié)構(gòu)的軸向與徑向的內(nèi)拘束度較小而環(huán)向的內(nèi)拘束度較大，實(shí)際焊接過程中，只對管道一側(cè)進(jìn)行了軸向約束，另一側(cè)無軸向約束，可以自由變形，這就導(dǎo)致軸向應(yīng)力數(shù)值相對較小。實(shí)際核島現(xiàn)場安裝過程中，管道必然受到多個(gè)位置與方向的約束，若要保證管道在安裝后服役前的應(yīng)力分布與數(shù)值處于一個(gè)良好的水平，就必須著重考慮裝夾條件的影響，包括裝夾條件作為外部拘束對焊接殘余應(yīng)力分布的影響以及安裝過程對管道焊接殘余應(yīng)力再分布的影響。

在每一次測試過程中，與母材應(yīng)力水平相比，應(yīng)力數(shù)值發(fā)生變化的測試點(diǎn)可以分為兩個(gè)區(qū)域。區(qū)域Ⅰ是完全受到焊接熱過程的影響，經(jīng)歷的峰值溫度很高，初始應(yīng)力完全或大部分被釋放，殘余應(yīng)力全部或大部分是焊接過程引起的，焊縫附近的熱影響區(qū)就屬于這個(gè)區(qū)域；區(qū)域Ⅱ是受到的焊接熱過程影響較小，殘余應(yīng)力數(shù)值是初始?xì)堄鄳?yīng)力與焊接過程引起的殘余應(yīng)力綜合的結(jié)果，遠(yuǎn)離焊縫以及焊接熱影響區(qū)的部分就屬于該區(qū)域。對比圖5a、5b可知，區(qū)域Ⅰ內(nèi)的應(yīng)力變化過程截然相反。對于軸向應(yīng)力而言，在區(qū)域Ⅰ中，焊接引起的焊縫及周圍金屬的壓應(yīng)力與管道初始?jí)簯?yīng)力疊加，造成數(shù)值較大的壓應(yīng)力；在區(qū)域Ⅱ中，隨著與焊縫距離的增加，管道軸向應(yīng)力水平逐漸上升至母材初始應(yīng)力；對于環(huán)向應(yīng)力而言，在區(qū)域Ⅰ中，焊接引起的環(huán)向拉應(yīng)力與管道初始環(huán)向應(yīng)力綜合，與初始應(yīng)力相比，最終的環(huán)向應(yīng)力有所上升；在區(qū)域Ⅱ中則分為兩個(gè)部分，在距離焊趾15～30 mm的區(qū)域內(nèi)，初始?jí)簯?yīng)力與焊接引起的環(huán)向應(yīng)力疊加，使得此區(qū)域內(nèi)的壓應(yīng)力數(shù)值持續(xù)下降，在距離焊趾30 mm之外的區(qū)域，焊接引起的應(yīng)力變化較小，應(yīng)力數(shù)值逐漸上升恢復(fù)至母材水平。

因此若只考慮焊接殘余拉應(yīng)力的控制與改善，就應(yīng)當(dāng)著重研究環(huán)向焊接殘余應(yīng)力。在靠近焊縫處的區(qū)域內(nèi)，環(huán)向殘余應(yīng)力很有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。進(jìn)一步地，如果管道表面初始?jí)簯?yīng)力數(shù)值較小或者為拉應(yīng)力，這一區(qū)域內(nèi)的環(huán)向殘余應(yīng)力很可能是數(shù)值較大的拉應(yīng)力。對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行控制，可以采用焊前預(yù)熱、改善焊接工藝，如修改焊接順序等、及焊后處理如隨焊后熱、隨焊錘擊等方式。

由于鍛造管道的內(nèi)、外壁都有一定水平的初始?jí)簯?yīng)力，外壁初始?jí)簯?yīng)力約為-300～400 MPa，內(nèi)壁初始?jí)簯?yīng)力約為-400 MPa。即使焊接過程引起焊接殘余應(yīng)力，最終無論是管道外壁還是內(nèi)壁的軸向、環(huán)向應(yīng)力數(shù)值都以壓應(yīng)力為主，只有個(gè)別測試點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)值接近0 MPa。僅從應(yīng)力腐蝕開裂的角度而言，這樣的應(yīng)力分布應(yīng)當(dāng)是比較理想的，但是除了焊接所帶來的應(yīng)力變化外，實(shí)際安裝管道的空間位置、重力、裝配應(yīng)力以及工作狀況也會(huì)對最終管道焊接接頭的應(yīng)力分布造成影響，因此還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）無論是在焊接過程的初期還是末期，管道內(nèi)壁環(huán)向殘余應(yīng)力的分布情況變化不大，都是隨著遠(yuǎn)離焊縫，應(yīng)力值先增大后減小至母材水平。

（2）隨著焊接過程的進(jìn)行，管道內(nèi)壁近縫處環(huán)向殘余應(yīng)力值經(jīng)歷了先增大后減小并逐漸穩(wěn)定的過程，遠(yuǎn)縫處殘余應(yīng)力則保持緩慢上升并逐漸穩(wěn)定的狀態(tài)。環(huán)向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力。

（3）焊后狀態(tài)下，管道外壁軸向殘余應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離焊縫，經(jīng)歷了先減小后增大至母材水平的過程，殘余應(yīng)力絕對數(shù)值較小。而管道外壁環(huán)向殘余應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離焊縫，經(jīng)歷了先上升后下降的過程，殘余應(yīng)力值最大處為拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力絕對數(shù)值較大。在管道未進(jìn)行軸向約束的一端，殘余應(yīng)力絕對數(shù)值較小。

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Analysis on residual stress of automatic welding joints of main pipeline in AP1000 nuclear power plant

SHEN Hao1，F(xiàn)ENG Yingchao1，WANG Haidong1，LI Zhuyuan1，YANG Qinzheng2
（1.Nuclear Engineering Research and Design Co.，Ltd.，Beijing 101300，China；2.Beijing University of Technology，School of Materials Science and Engineering，Beijing 100124，China）

Using X-ray diffraction method,stress evolution and residual stress test after welding were conducted on automatic welding joints of main pipeline in AP1000 nuclear power plant.The distributions of the hoop and axial residual stress of pipe wall and outer wall were analyzed and discussed.The results showed that,the hoop residual stress values of pipe wall near joints increased first and then decreased，and gradually remained stable.While residual stress ones far from joints slowly rised and gradually remained stable.After welding，axial residual stress values of outer wall with far away from joints，decreased first and then increased to the level of parent metal，while the hoop residual stress fell after rising first.

AP1000；main pipeline；residual stress

TG404

A

1001－2303（2017）02－0070-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.13

2016-07-26；

2017-01-09

申 浩（1989—），男，遼寧鞍山人，工程師，碩士，主要從事焊接工藝及設(shè)備方面的研究工作。

獻(xiàn)

申浩，馮英超，王海東，等.AP1000核電站主管道自動(dòng)焊接頭殘余應(yīng)力分析[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：70-75.