核電站蒸汽發(fā)生器手孔堆焊層熱處理后殘余應(yīng)力的檢測

□ 吳 瓊 □ 楊 俊 □ 許文濤

上海電氣核電設(shè)備有限公司 上海 201306

1 研究背景

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站最重要的核心設(shè)備之一[1],其質(zhì)量是核電站主設(shè)備制造商最重視的問題,任何偏離設(shè)計要求與標(biāo)準的操作,都有可能造成質(zhì)量缺陷。

蒸汽發(fā)生器上的手孔在設(shè)計工況與事故工況下,都需要進行應(yīng)力分析與計算[2]。手孔先采用低合金鋼焊絲埋弧堆焊一定厚度后,再進行機加工成型[3]。手孔埋弧堆焊后需進行熱處理,以去除堆焊過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)RCC-M相關(guān)標(biāo)準,對蒸汽發(fā)生器進行熱處理時,升、降溫速率應(yīng)控制在55 ℃/h以下[4]。但在實際生產(chǎn)過程中,由于溫度的慣性,或熱處理操作不及時等原因,容易導(dǎo)致熱處理升、降溫速率高于55 ℃/h,違反設(shè)計要求與標(biāo)準。熱處理升、降溫速率的變化,會引起堆焊層殘余應(yīng)力的變化。

2 試驗內(nèi)容

蒸汽發(fā)生器手孔低合金鋼堆焊層在經(jīng)過55 ℃/h與60 ℃/h升、降溫速率消除應(yīng)力的熱處理后,筆者檢測手孔堆焊層的殘余應(yīng)力,具體做法為:采用鉆孔應(yīng)變釋放法[5-8],分別測量兩種升、降溫速率下的堆焊層殘余應(yīng)變,再通過標(biāo)定試驗,確定應(yīng)變釋放系數(shù),進而獲得表面殘余應(yīng)力。

3 試驗準備

對核電站蒸汽發(fā)生器手孔低合金鋼埋弧堆焊層分別進行升、降溫速率55 ℃/h與60 ℃/h熱處理,熱處理曲線如圖1所示。

圖1 熱處理曲線

4 基本原理

殘余應(yīng)力測量采用鉆孔應(yīng)變釋放法,試驗中采用電阻應(yīng)變片,如圖2所示。在電阻應(yīng)變片上對應(yīng)的圓孔內(nèi)采用慢速鉆孔儀打孔,孔徑和孔深均為2 mm。通過專用設(shè)備測得相應(yīng)的應(yīng)變,利用式(1)～式(3),即可確定相應(yīng)的主應(yīng)力。

圖2 電阻應(yīng)變片

式中:σ1、σ2為鉆孔前殘余應(yīng)力的主應(yīng)力,MPa;ε1、ε2、ε3依次為0°、45°和90°位置測得的釋放應(yīng)變;A、B為標(biāo)定試驗得到的應(yīng)變釋放系數(shù),10-7MPa-1;γ=-2β,β為最大主應(yīng)力方向與0°方向的夾角。

另外,對于圓形堆焊層,徑向和周向應(yīng)力可用式(4)、式(5)計算:

(4)

(5)

式中:εx為徑向釋放應(yīng)變;εy為周向釋放應(yīng)變;σx為徑向應(yīng)力,MPa;σy為周向應(yīng)力,MPa。

5 測量設(shè)備

殘余應(yīng)力測量采用鉆孔應(yīng)變釋放法,應(yīng)變儀為60通道的DH3816,如圖3所示。數(shù)據(jù)信號通過通用串行總線自動進行采集。

圖3 應(yīng)變儀

6 標(biāo)定試驗

標(biāo)定試驗在標(biāo)定試樣上進行,標(biāo)定試樣尺寸如圖4所示,實物如圖5所示。標(biāo)定試樣上貼電阻應(yīng)變片,并通過屏蔽線與應(yīng)變儀連接。在300 kN的SANS拉伸機上,對粘貼電阻應(yīng)變片的標(biāo)定試樣施加單向應(yīng)力,應(yīng)力為18MND5鋼屈服強度的1/3～1/2,取150 kN,同時采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。在電阻應(yīng)變片上鉆孔,如圖6所示。之后再一次采用相同的載荷進行單向拉伸,并用應(yīng)變儀記錄鉆孔后的應(yīng)變。計算前后兩次應(yīng)變的差值,按式(7)、式(8)計算A、B。

(7)

(8)

式中:σ為單向應(yīng)力,MPa。

圖4 標(biāo)定試樣尺寸

圖5 標(biāo)定試樣

圖6 鉆孔后電阻應(yīng)變片

7 殘余應(yīng)變測試

定義1號試樣為55 ℃/h升、降溫速率熱處理后的堆焊層,2號試樣為60 ℃/h升、降溫速率熱處理后的堆焊層。分別在兩種堆焊層表面選取六個點,貼上同樣的電阻應(yīng)變片,電阻應(yīng)變片與被測表面緊密貼合,如圖7所示。貼電阻應(yīng)變片前,對待貼部位進行研磨,并進行清潔。電阻應(yīng)變片的0°和90°方向分別對應(yīng)圓形堆焊層的徑向和周向。通過屏蔽銅導(dǎo)線與應(yīng)變儀進行連接,數(shù)據(jù)通過與應(yīng)變儀配套的軟件獲取。打孔前對電阻應(yīng)變片進行平衡操作,之后即可打孔,同時每20 s采集一次數(shù)據(jù)。盲孔深為2 mm,直徑為2 mm。打孔完成后,繼續(xù)采集約5 min,所得的數(shù)據(jù)即為最后的釋放應(yīng)變。

圖7 電阻應(yīng)變片測點分布

8 結(jié)果與分析

主應(yīng)力由式(1)～式(3)計算獲得,徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力由式(4)、式(5)計算獲得。

標(biāo)定試驗得到18MND5鋼的應(yīng)變釋放系數(shù)A為-0.629×10-7MPa-1,B為-0.864×10-7MPa-1。

表1和表2分別列出了1號試樣和2號試樣不同測點的應(yīng)變測量值,以及根據(jù)式(1)～式(5)計算得到的主應(yīng)力、徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力。測試中,3號測點電阻應(yīng)變片與鉆頭接觸損壞。

第一主應(yīng)力分布如圖8所示,第二主應(yīng)力分布如圖9所示,徑向應(yīng)力分布如圖10所示,周向應(yīng)力分布如圖11所示。從應(yīng)力分布圖中可以看出,1號試樣與2號試樣的各項應(yīng)力都較為接近,相差不大,且各項應(yīng)力相對很小。

表1 1號試樣測量結(jié)果

表2 2號試樣測量結(jié)果

圖8 第一主應(yīng)力分布

圖9 第二主應(yīng)力分布

圖10 徑向應(yīng)力分布

圖11 周向應(yīng)力分布

9 結(jié)論

18MND5鋼的應(yīng)變釋放系數(shù)A為-0.629×10-7MPa-1,B為-0.864×10-7MPa-1。升、降溫速率55 ℃/h的熱處理后,堆焊層的第一主應(yīng)力范圍為-1.7 MPa～55.7 MPa,第二主應(yīng)力范圍為26.1 MPa～74.9 MPa,徑向應(yīng)力范圍為1.7 MPa～53.8 MPa,周向應(yīng)力范圍為13.0 MPa～45.3 MPa。升、降溫速率60 ℃/h的熱處理后,堆焊層的第一主應(yīng)力范圍為-12.0 MPa～70.7 MPa,第二主應(yīng)力范圍為27.2 MPa～58.0 MPa,徑向應(yīng)力范圍為2.1 MPa～58.0 MPa,周向應(yīng)力范圍為27.3 MPa～58.6 MPa。

綜合以上測試結(jié)果,蒸汽發(fā)生器手孔低合金鋼埋弧堆焊層在經(jīng)歷升、降溫速率為55 ℃/h和60 ℃/h的熱處理后,手孔堆焊層的殘余應(yīng)力水平相近,且殘余應(yīng)力值較小。經(jīng)歷升、降溫速率60 ℃/h的熱處理后,手孔堆焊層殘余應(yīng)力符合設(shè)計要求與標(biāo)準。需要注意的是,在蒸汽發(fā)生器實際生產(chǎn)過程中,相關(guān)熱處理操作應(yīng)嚴格按設(shè)計要求與標(biāo)準執(zhí)行。