核壓力容器接管安全端不同焊接結(jié)構(gòu)的失效評定圖

潘建賓 王國珍 軒福貞 涂善東

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核壓力容器接管安全端不同焊接結(jié)構(gòu)的失效評定圖

潘建賓 王國珍 軒福貞 涂善東

（華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室 上海200237）

基于英國R6規(guī)范選擇3的方法構(gòu)建了核壓力容器接管安全端兩種異種金屬焊接結(jié)構(gòu)（含隔離層的四材料結(jié)構(gòu)和不含隔離層的三材料結(jié)構(gòu)）的失效評定圖(Failure assessment diagram, FAD)，并分析了裂紋位置和裂紋深度對FAD的影響。結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)的極限載荷基本相同，裂紋位置對極限載荷基本沒有影響。隨裂紋位置由管嘴向316L安全端管區(qū)域靠近及隨裂紋深度的增加，失效評定曲線(Failure assessment curve, FAC)下移，結(jié)構(gòu)的安全性降低。由于兩種焊接結(jié)構(gòu)中，相同位置、相同尺寸裂紋的FAD和極限載荷基本相同，因而其抗斷裂性能和結(jié)構(gòu)強度基本相同。

失效評定圖，異種金屬焊接接頭，核壓力容器，安全端，裂紋

在核電一回路系統(tǒng)中，存在許多連接核壓力容器（如反應(yīng)堆壓力容器、蒸發(fā)器、穩(wěn)壓器等）接管嘴與安全端的異種金屬焊接接頭(Dissimilar metal welded joint, DMWJ)。核電站運行歷史表明，這些焊接接頭是容易發(fā)生失效的薄弱部件。往往在遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計壽命期限時，異種金屬焊接接頭內(nèi)即產(chǎn)生了許多應(yīng)力腐蝕裂紋缺陷[1?3]。當(dāng)接頭中產(chǎn)生裂紋缺陷后，需要對其安全性做出評價。在實際工程中通常是將安全端及其焊接接頭簡化成直管處理，并采用通用失效評定圖(Failure assessment diagram, FAD)[4]評價缺陷的安全性。安全端具有復(fù)雜的幾何和異種金屬焊接結(jié)構(gòu)，由包括兩種母材、兩種焊縫及界面區(qū)的復(fù)雜材料所構(gòu)成，與簡化的直管相比，異種金屬焊接接頭存在較大的力學(xué)性能不均勻，接頭不同位置的裂紋附近存在不同的材料性能失 配[5]。簡化的評價方法忽略了安全端焊接結(jié)構(gòu)幾何及材料的復(fù)雜性對結(jié)構(gòu)失效行為的影響，其評價結(jié)果可能會產(chǎn)生過于保守或者不安全的情況[6]。因此，在進(jìn)行安全評定時，需要考慮安全端不同的焊接接頭結(jié)構(gòu)、局部材料性能及服役載荷的復(fù)雜性，建立與這些因素相關(guān)的準(zhǔn)確FAD[6]。

目前核電壓力容器接管與安全端焊接結(jié)構(gòu)普遍采用的設(shè)計和制造過程是：首先在容器接管端堆焊鎳基合金隔離層，在隔離層堆焊后進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，與安全端對接后不進(jìn)行熱處理，再用鎳基合金焊材與不銹鋼安全端進(jìn)行對接焊，隔離層堆焊和對接焊均采用鎢極氬弧焊(Gas Tungsten Arc Weld, GTAW)，從而形成四材料安全端結(jié)構(gòu)（圖1(a)和(b)）。但近年來，為簡化制造工藝，也開始采用接管嘴與安全端之間直接采用鎳基合金焊材進(jìn)行鎢極氬弧焊的方法[7?8]，而形成三材料結(jié)構(gòu)（圖1(c)），接管與安全端對接焊完成后一般進(jìn)行600oC保溫16 h左右的消除應(yīng)力熱處理。三材料結(jié)構(gòu)有利于縮短制造周期、減少成本，但是其結(jié)構(gòu)強度及含缺陷時的結(jié)構(gòu)完整性能否達(dá)到四材料結(jié)構(gòu)的水平，目前還缺乏研究。本文對三材料和四材料兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)中不同位置和尺寸的裂紋分別建立FAD，比較研究兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)、裂紋位置及尺寸對極限載荷、FAD及接頭結(jié)構(gòu)完整性的影響。為低成本制造的三材料安全端結(jié)構(gòu)的設(shè)計、應(yīng)用及結(jié)構(gòu)完整性評價提供依據(jù)。

1 安全端異種金屬焊接結(jié)構(gòu)的有限元建模

1.1 安全端結(jié)構(gòu)和材料

典型核壓力容器的安全端結(jié)構(gòu)二維尺寸如圖1(a)所示，四材料和三材料兩種異種金屬焊接接頭的組成材料和結(jié)構(gòu)尺寸分別如圖1(b)和(c)所示。管嘴的材料為低合金鋼(A508)，堆焊層和焊縫的材料都為鎳基合金(Alloy52M)，安全端接管材料為奧氏體不銹鋼(316L)。三材料安全端接頭結(jié)構(gòu)沒有鎳基合金堆焊層，其余與四材料結(jié)構(gòu)相同。研究組前期工作中測定的4種材料在340oC下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示[9]，彈性模量為1.8×105MPa，泊松比為0.3。

圖1 連接核壓力容器接管嘴和安全端的典型異種金屬焊接接頭結(jié)構(gòu)(a)與四材料(b)和三材料(c)的焊接接頭

圖2 異種金屬焊接接頭四材料在340oC下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線[9]

1.2 有限元模型

采用ABAQUS軟件對圖1中的兩種安全端結(jié)構(gòu)建立三維有限元(Finite Element Method, FEM)分析模型。由于安全端管結(jié)構(gòu)的對稱性，選取實際結(jié)構(gòu)的一半建立模型。因為管嘴是焊在反應(yīng)堆壓力容器上，連接剛性大，所以在左端設(shè)置固定約束；對稱面上設(shè)置對稱約束。安全端管設(shè)計內(nèi)壓是17 MPa，以內(nèi)表面均布壓力的方式加載。在安全端右側(cè)與一回路管道連接處用耦合的方式在參考點上施加彎矩。結(jié)構(gòu)所受軸向力施加在模型右端面，按內(nèi)壓計算為35.8 MPa。通過設(shè)置材料密度屬性和重力加速度的方式施加重力。

模型采用一次減縮積分單元C3D8R，在裂紋尖端劃分足夠細(xì)的網(wǎng)格，以提高求解精度。圖3是接管安全端三維結(jié)構(gòu)的整體網(wǎng)格和裂尖前網(wǎng)格分布。FEM網(wǎng)格總數(shù)量為58 610個，裂尖前2 mm采用足夠細(xì)的網(wǎng)格劃分（網(wǎng)格數(shù)為20 192個）以得到準(zhǔn)確的極限載荷和積分計算結(jié)果。材料彈塑性本構(gòu)采用圖2的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，積分回路無關(guān)性已分析驗證，因而FEM模型是可靠的。

圖3 接管安全端模型整體網(wǎng)格(a)和裂尖局部網(wǎng)格分布(b)

1.3 FAD的構(gòu)建

對安全端接頭區(qū)內(nèi)表面未穿透周向裂紋建立FAD，裂紋尺寸表征見圖4。裂紋深度為，裂紋沿管道內(nèi)表面長度為2。裂紋尺寸表征參數(shù)為/和/（為管道壁厚）。

圖4 內(nèi)表面周向裂紋尺寸的表征

2 結(jié)果與討論

2.1 裂紋位置對FAD的影響

為分析裂紋位置對FAD的影響，在有限元分析中，保持裂紋尺寸(/=0.25，/=0.33)不變，改變裂紋在安全端異種金屬接頭中的位置。對于四材料模型，設(shè)置5個裂紋位置，即裂紋分別在A508/ Alloy52Mb界面、Alloy52Mb中心、Alloy52Mb/ Alloy52Mw界面、Alloy52Mw中心和Alloy52Mw/ 316L界面。對于三材料模型，因沒有堆焊隔離層，設(shè)置3個裂紋位置，即裂紋分別在A508/Alloy52Mw界面、Alloy52Mw中心和Alloy52Mw/316L界面。為計算不同位置裂紋的FAD，首先需要計算它們的極限載荷。采用理想彈塑性材料模型（即略去材料應(yīng)變強化特性），計算的不同位置裂紋的安全端彎矩載荷與軸向位移的關(guān)系如圖5所示。由圖5可見，裂紋位置對兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)的極限載荷基本沒有影響，四材料模型5個位置裂紋的極限彎矩載荷分別為6911kN·m、6910 kN·m、6 908 kN·m、6906kN·m、6904 kN·m；三材料模型3個裂紋位置的極限載荷分別為6909 kN·m、6904 kN·m、6901kN·m?？梢钥闯?，當(dāng)裂紋尺寸(/=0.25，/=0.33)一定時，裂紋位置對極限載荷幾乎沒有影響，且兩種結(jié)構(gòu)的極限載荷基本相同。

按英國含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評定R6規(guī)范選擇3的方法構(gòu)建與安全端結(jié)構(gòu)和材料相關(guān)的準(zhǔn)確失效評定曲線(Failure assessment curve, FAC)。極限彎矩載荷(L)從理想彈塑性材料模型計算的載荷-位移曲線上，按零曲率準(zhǔn)則[10]確定。用ABAQUS內(nèi)置的積分計算方法計算圖4中裂紋最深點處的彈性積分e和彈塑性積分隨外加載荷（彎矩）的變化曲線。由r=(e)1/2和r=/L分別計算坐標(biāo)點(r,r)，連接不同下的一系列(r,r)點，即可得到FAC。需要注意的是，按R6規(guī)范選擇3，殘余應(yīng)力作為自平衡的二次應(yīng)力在構(gòu)建FAD中無需考慮。

圖5 載荷-軸向位移曲線 (a) 四材料安全端結(jié)構(gòu)，(b) 三材料安全端結(jié)構(gòu)

極限載荷為結(jié)構(gòu)發(fā)生整體宏觀塑性屈服時所對應(yīng)的載荷。對于不同位置的裂紋，通過觀察極限載荷下的結(jié)構(gòu)中的等效塑性應(yīng)變分布，發(fā)現(xiàn)裂紋前的韌帶未發(fā)生全面屈服，而強度最低的316L安全端管發(fā)生了整體屈服。圖6(a)和(b)分別為四材料和三材料結(jié)構(gòu)中典型Alloy52Mw焊縫中心裂紋在極限載荷下的等效塑性應(yīng)變(Equivalent Plastic Strain in ABAQUS Code, PEEQ)分布?？梢钥闯觯苄宰冃沃饕性谟?16L材料構(gòu)成的安全端管中，裂紋前端的韌帶區(qū)沒有發(fā)生全面塑性變形。這意味著，不同位置裂紋的極限載荷由316L安全端管的整體屈服決定，與裂紋位置無關(guān)。這是裂紋位置不影響極限載荷的原因。

圖6 四材料(a)和三材料(b)異種金屬焊接結(jié)構(gòu)中的Alloy52Mw焊縫裂紋在極限載荷時的等效塑性應(yīng)變分布

為了保證裂紋尖端積分的準(zhǔn)確性，要對其進(jìn)行路徑無關(guān)性的驗證。對A508/Alloy52Mb位置的裂紋，取出彈塑性積分5個積分回路的值，從圖7中可以看出5個積分回路得出的積分相同，表明本文計算的值具有路徑無關(guān)性，因而是可靠的，可以用于構(gòu)建FAD。

圖7 不同回路的J積分值隨彎矩載荷的變化

圖8是計算的四材料模型5個裂紋位置和三材料模型3個裂紋位置的e和隨外加彎矩的變化曲線，可以看出兩種結(jié)構(gòu)的e和隨外加彎矩而增大。隨著裂紋位置向316L材料靠近，e和增大，即在屈服強度較低的316L安全端區(qū)域，材料塑性變形大，相應(yīng)的積分較大。對于所分析的裂紋尺寸(/=0.25，/=0.33)，用這些圖中一定載荷下對應(yīng)的e和值，可計算FAC縱坐標(biāo)r=(e/)1/2點，由r/L計算得到橫坐標(biāo)點。連接不同載荷下的一系列(r,r)點，即可形成FAC。

圖8 安全端結(jié)構(gòu)不同位置裂紋的J和Je隨彎矩M的變化 (a) 四材料結(jié)構(gòu)，(b) 三材料結(jié)構(gòu)

圖9是/=0.25、/=0.33的裂紋位于兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)不同位置時的FAD。為了比較，R6選擇1 (option 1)曲線也描在圖9中。

圖9 四材料(a)和三材料(b)安全端焊接結(jié)構(gòu)不同位置裂紋的FAD

從圖9中可以看出，不管是三材料還是四材料結(jié)構(gòu)，所有的FAC都位于R6選擇1曲線之上，表明選擇1曲線是最保守的。當(dāng)裂紋位于316L材料與焊縫Alloy52Mw的界面時，F(xiàn)AC最低，并且靠近R6選擇1曲線，表明該位置裂紋的安全性較低。當(dāng)裂紋位于A508材料與堆焊層Alloy52Mb的界面時，F(xiàn)AC最高，表明該區(qū)域裂紋的安全性較高。總體上，當(dāng)裂紋位置逐漸靠近316L區(qū)域時，F(xiàn)AC向下移動，裂紋的安全性降低。原因是兩種安全端結(jié)構(gòu)的幾何尺寸相同，當(dāng)裂紋位置逐漸靠近316L區(qū)域時，裂尖的積分遠(yuǎn)大于e（圖7），從而使r=(e/)1/2減小。而裂尖積分的增大主要是由于316L區(qū)域材料的屈服強度低，塑性變形大，使塑性積分增大。

2.2 裂紋深度對兩種結(jié)構(gòu)FAD的影響

圖9表明，Alloy52Mw和316L界面區(qū)的FAC最靠近R6選擇1曲線，當(dāng)裂紋位于這一區(qū)域時FAD上的安全區(qū)域最小，更容易發(fā)生斷裂失效，所以選擇此位置裂紋，研究裂紋深度對兩種結(jié)構(gòu)FAD的影響。將裂紋尺寸為(/=0.25,/=0.33)和(/=0.50,/=0.33)的裂紋FAC進(jìn)行對比，其他條件如內(nèi)壓、自重、彎矩載荷等保持不變。

圖10是兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)不同深度的Alloy52Mw/316L界面裂紋的FAD對比。從圖10中可以看出，(/=0.50,/=0.33)的深裂紋的FAC位于(/=0.25,/=0.33)的淺裂紋之下，即隨裂紋深度的增加，F(xiàn)AC下移，裂紋的安全性降低。這是由于隨裂紋深度增加，裂尖增大，裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力增加，裂紋更容易發(fā)生起裂失效。

圖10 四材料(a)和三材料(b)焊接結(jié)構(gòu)不同深度的Alloy52Mw/316L界面裂紋的FAD

2.3 三材料和四材料安全端結(jié)構(gòu)FAD比較

為了比較分析三材料和四材料兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)的FAD，對兩種結(jié)構(gòu)中相同位置的兩個裂紋（Alloy52Mw/316L界面裂紋和Alloy52Mw焊縫中心裂紋）的FAD對比于圖11中。

圖11 四材料和三材料安全端焊接結(jié)構(gòu)的FAD對比 (a) Alloy52Mw/316L界面裂紋，(b) Alloy52Mw焊縫中心裂紋

從圖11可以看出，對兩種結(jié)構(gòu)中相同位置的兩個裂紋（Alloy52Mw/316L界面裂紋和Alloy52Mw焊縫中心裂紋），在相同裂紋尺寸時，三材料和四材料模型的FAC基本相同。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是：兩種安全端結(jié)構(gòu)的總體幾何尺寸相同；兩種結(jié)構(gòu)的極限載荷都由強度最低的316L材料決定，因而基本相同；兩種結(jié)構(gòu)相同位置裂紋前端的材料也相同，因而積分基本相同。由FAD的做圖原理看，當(dāng)極限載荷和積分基本相同時，橫坐標(biāo)的點和縱坐標(biāo)的點基本相同，故FAD基本相同。這意味著兩種結(jié)構(gòu)中相同位置、相同尺寸裂紋的安全性相同。因此，可以推斷兩種結(jié)構(gòu)的抗斷裂性能和結(jié)構(gòu)強度基本相同。因此，從結(jié)構(gòu)完整性或結(jié)構(gòu)強度的角度考慮，三材料安全端結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造是可行的，在保證含裂紋結(jié)構(gòu)完整性的條件下可以降低制造成本。本文建立的兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)的FAD可望用于評價兩種含裂紋結(jié)構(gòu)的安全性。

3 結(jié)語

1) 三材料和四材料兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)的極限載荷基本相同，不同位置裂紋的極限載荷均由低強度的316L安全端管的整體屈服決定，因而裂紋位置對極限載荷基本沒有影響。

2) 對于兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)，隨裂紋位置由管嘴向316L區(qū)域靠近，F(xiàn)AC下移，裂紋安全性降低，其原因是316L區(qū)域的屈服強度低，塑性變形大，彈塑性積分高。隨裂紋深度的增加，F(xiàn)AC也下移，裂紋安全性降低，其原因是深裂紋的積分大，裂紋開動力大。

3) 三材料和四材料兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)中，相同位置、相同尺寸裂紋的FAD和極限載荷基本相同，結(jié)構(gòu)的安全性基本相同。因此，可以推斷兩種結(jié)構(gòu)的抗斷裂性能和結(jié)構(gòu)強度基本相同。

4) 從結(jié)構(gòu)完整性或結(jié)構(gòu)強度的角度考慮，三材料安全端結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造是可行的，可以降低制造成本。本文建立的兩種安全端焊接結(jié)構(gòu)的FAD可望用于評價兩種含裂紋結(jié)構(gòu)的安全性。

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FAD of different welded structures for joining safe end to pipe-nozzle of nuclear pressure vessel

PAN Jianbin WANG Guozhen XUAN Fuzhen TU Shandong

(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety, Ministry of Education, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Background: Dissimilar metal welded joints (DMWJ) were indicated to be vulnerable components in the primary system, and an accurate structural integrity assessment for such DMWJ is needed. Three-material DMWJ structures without buttering layer are also applied in recent years. Purpose & Methods: In order tounderstand the effects of crack locations and crack sizes on failure assessment diagrams (FAD), FADs of two types of dissimilar metal welded structures (four-material structure with buttering layer and three-material structure without buttering layer) for joining safe end to pipe-nozzle of nuclear pressure vessel were constructed by finite element numerical analysis. Results: Limit loads of the two welded structures are basically the same, and the crack locations almost have no effects on the limit loads. With moving crack location from pipe nozzle to 316L safe end pipe and increasing crack depth, the failure assessment curves (FACs) shift downward and the safety margin of the cracked structure decreases. Conclusions: Because the FADs and limit loads of the cracks with the same location and size in the two welded structures are basically the same, their properties against fracture failure and structural strength are almost the same. It is feasible to connect pipe-nozzle with safe end using simplified manufacture process without buttering layer for the consideration of cost saving.

FAD, DMWJ, Nuclear pressure vessel, Safe end, Crack

TL48

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.050605

國家自然科學(xué)基金(No.51575184、No.51375165)資助

潘建賓，男，1992年出生，2015年畢業(yè)于南昌大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究方向為核電設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性評價

王國珍，E-mail: gzwang@ecust.edu.cn

2016-12-29，

2017-03-08

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.51575184, No.51375165)

PAN Jianbin, male, born in 1992, graduated from Nanchang University in 2015, master student, focusing on integrity assessment of nuclearpower equipment

WANG Guozhen, E-mail: gzwang@ecust.edu.cn

2016-12-29, accepted date: 2017-03-08