核電BOSS頭Overlay焊縫優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)力模擬

侯陽 楊曉冬 劉金平 馬明豪 潘國偉 馮英超

摘? 要：BOSS頭由于其三通結(jié)構(gòu)和功能上的特殊性，使其在核電管道領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用?？紤]到BOSS頭的作用重要性以及其裂紋引發(fā)事故的危害性，本文針對在役核電BOSS頭Overlay修復(fù)問題，采用有限元分析法對堆焊前后的BOSS焊縫進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力模擬，通過堆焊層設(shè)計，得到了能有效改善焊縫及附近區(qū)域殘余應(yīng)力的堆焊層數(shù)及堆焊方式的。計算結(jié)果表明，采取從上往下的堆焊方式覆蓋2層后，能在接頭附近形成明顯的壓應(yīng)力區(qū)，有效抑制裂紋的擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：核電BOSS頭? Overlay修復(fù)? 數(shù)值模擬? 焊接殘余應(yīng)力場

中圖分類號：TG441? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0079-06

Abstract： Boss head plays an important role in the field of nuclear power pipeline because of its special structure and function. Considering the importance of boss head and the harm of its cracks， this paper aiming at the problem of overlay repair of boss head in service， adopts the finite element analysis method to simulate the stress of boss weld before and after surfacing. Through the design of surfacing layer， the number of surfacing layers and surfacing method which can effectively improve the residual stress of welding seam and nearby area are obtained. The results show that the obvious compressive stress zone can be formed near the joint by overlaying 2 layers from top to bottom， which can effectively restrain the crack propagation.

Key Words： Nuclear BOSS head; Overlay repair; Numerical simulation; Welding residual stress field

我國在役核電站大量的BOSS焊縫（管道上安放式支管焊縫）長期處于高溫、高壓、放射、腐蝕的環(huán)境中[1]。因此，當(dāng)出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷或發(fā)生泄漏時，復(fù)雜工況和作業(yè)環(huán)境會對檢修造成很多困難。當(dāng)前，針對BOSS頭的缺陷處理方案主要分為挖補(bǔ)返修、管件更換、Overlay 堆焊修復(fù)等[2]。同時需配合使用專用工具控制打磨剩余壁厚并進(jìn)行焊縫背面充氬保護(hù)[3]。目前BOSS焊縫overlay修復(fù)技術(shù)被國外檢修公司壟斷，一道BOSS焊縫overlay修復(fù)技術(shù)收費(fèi)為5000美元以上，國內(nèi)針對BOSS頭修復(fù)的堆焊有限元分析和控制系統(tǒng)設(shè)備尚處于研究階段[4]。當(dāng)前，已有單位采用ansys等軟件對某核級管道 BOSS 頭含缺陷焊縫處置方案展開優(yōu)化研究[5]。但由于BOSS焊縫為復(fù)雜的相貫線焊縫，包含裂紋的殘余應(yīng)力模擬更為復(fù)雜，因此BOSS頭堆焊后接頭應(yīng)力模擬、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計以及接頭失效評估分析一直是困擾模擬計算的難題。為此，本文依托福清核電1-4#機(jī)組，針對含缺陷的BOSS頭進(jìn)行Overlay前后堆焊層優(yōu)化設(shè)計、接頭及裂紋附近的應(yīng)力的計算分析。

1? 有限元模型的建立及其前處理

1.1 材料屬性

BOSS頭模擬件的規(guī)格詳見表1。堆焊焊絲選用ASMESFA-5.14所規(guī)定的ERNiCrFe-7A鎳基焊絲，焊道分布如圖1所示，堆焊焊道厚2～3mm，寬3～4mm，焊接電流90-120A，焊速為160-180mm/min。

1.2 三維建模

對原始焊縫的焊后應(yīng)力采用MSC.Marc軟件進(jìn)行模擬，根據(jù)圖紙完成構(gòu)件的三維造型后，按照距離焊縫位置的遠(yuǎn)近以及網(wǎng)格的粗細(xì)程度的劃分準(zhǔn)則對每個域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。同時根據(jù)實(shí)際缺陷檢測結(jié)果與等效原理，焊縫的起弧、收弧位置在焊后承受的三向拉應(yīng)力最大，因此將缺陷置于起弧與收弧位置。

1.3 材料參數(shù)的定義

本研究采用的材料參數(shù)由實(shí)驗(yàn)測得，對于高溫物理性能參數(shù)，通過對已有的材料參數(shù)和模擬經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)的外延，表2和為材料參數(shù)定義的界面截圖和各參數(shù)隨溫度變化趨勢，定義完成后加載到所有單元上。

2? Overlay焊縫層設(shè)計

2.1 原始焊縫焊接

含裂紋BOSS頭在不同方向的應(yīng)力分布云圖如圖3所示，其中黃色部分表現(xiàn)為拉應(yīng)力，藍(lán)色部分表現(xiàn)為壓應(yīng)力。從圖中可以看出，試件高應(yīng)力區(qū)域主要集中在焊縫及周圍的主管上。這是因?yàn)槎押覆牧系臒釋?dǎo)率和線膨脹系數(shù)較大、強(qiáng)度較低，而主管剛度較大，對焊縫及附近材料降溫收縮的拘束很大，造成應(yīng)力在交界處集中。

BOSS頭裂紋處焊縫的應(yīng)力分布云圖如圖4所示。從圖中可以看出，BOSS頭在裂紋處及起弧點(diǎn)附近區(qū)域應(yīng)力值遠(yuǎn)大于其他位置，其中應(yīng)力峰值出現(xiàn)在裂紋兩端點(diǎn)處。同時裂紋附近的周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力都比較大，加之此處易存在冶金缺陷，是結(jié)構(gòu)的危險位置。應(yīng)力集中可能會導(dǎo)致裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展進(jìn)而影響到BOSS頭的安全運(yùn)行。

圖5為試件危險截面殘余應(yīng)力情況。含裂紋BOSS頭在裂紋路徑上應(yīng)力關(guān)于裂紋兩端基本上呈現(xiàn)對稱分布，裂紋左右兩端點(diǎn)處應(yīng)力值遠(yuǎn)大于中間位置，在靠近裂紋兩端點(diǎn)處應(yīng)力值顯著增大，在裂紋兩端點(diǎn)處均表現(xiàn)出明顯的尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象。接頭處的徑向、周向和軸向應(yīng)力均處于拉應(yīng)力狀態(tài)下，焊縫在裂紋的兩端點(diǎn)處最有可能發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，在此作用下容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2 堆焊層數(shù)優(yōu)化

2.2.1 堆焊1層

試件殘余應(yīng)力情況如圖6所示。其應(yīng)力分布基本規(guī)律與原始焊縫基本相同，危險位置仍位于起收弧所在的焊縫截面。這是由于焊接熱循環(huán)中熱應(yīng)力的產(chǎn)生使得焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的應(yīng)力。同時，危險截面上焊縫的高應(yīng)力區(qū)向收弧位置偏移。這是由于BOSS頭特殊的形狀結(jié)構(gòu)，堆焊加劇了焊接接頭熄弧處的應(yīng)力集中，因此焊縫收弧區(qū)域的殘余應(yīng)力值進(jìn)一步增加。

2.2.2 堆焊2層

試件殘余應(yīng)力情況如圖7所示。同時相對堆焊1層的殘余應(yīng)力分布情況，堆焊2層在高應(yīng)力區(qū)的偏移更加明顯。如圖8所示，原始焊縫基本處于三向拉應(yīng)力狀態(tài)，堆焊1層僅形成區(qū)域很小的軸向壓應(yīng)力區(qū)，堆焊2層3種單向應(yīng)力均出現(xiàn)壓應(yīng)力，且軸向應(yīng)力區(qū)域約占焊縫總厚度的1/3。

2.3 堆焊順序優(yōu)化

考慮以上計算采用的焊接順序均為從主管向支管堆焊（從下往上），雖形成一定區(qū)域的壓應(yīng)力，但采用此堆焊順序的修復(fù)總體效果并不明顯。因此，以下采用從上往下堆焊順序堆焊2層，并進(jìn)行比較分析。試件整體殘余應(yīng)力情況如圖9所示，其應(yīng)力分布基本規(guī)律與原始焊縫基本相同。與從下往上堆焊相比，試件高應(yīng)力區(qū)較高。圖10（b）～（d）為含裂紋BOSS頭的徑向視圖、周向視圖和軸向視圖的應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，應(yīng)力最小值為31.2MPa，分布于遠(yuǎn)離接頭的主管兩端;在焊縫及附近區(qū)域應(yīng)力峰值達(dá)到268MPa，軸向應(yīng)力分布對稱，當(dāng)相較原始焊縫出現(xiàn)一定程度的逆時針偏移，內(nèi)壁應(yīng)力整體值要較高于外側(cè)。

圖11為試件危險截面殘余應(yīng)力情況所示，雖然起收弧點(diǎn)的殘余應(yīng)力水平仍要高于其他位置，但沿厚度方向的應(yīng)力數(shù)值均呈現(xiàn)由內(nèi)向外遞減的趨勢。與從下往上堆焊相比，試件殘余應(yīng)力最大的位置向主管轉(zhuǎn)移，雖然應(yīng)力分布仍由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，但其焊縫整體應(yīng)力數(shù)值明顯下降，說明采取從上往下的焊接順序有效降低了裂紋處的應(yīng)力水平。

圖12給出了壓應(yīng)力的形成情況，可見于從下往上堆焊相比，從上往下堆焊2層形成的壓應(yīng)力區(qū)更大，尤其是徑向壓應(yīng)力區(qū)增大明顯，覆蓋了焊縫危險截面上半部分，從上往下堆焊2層，徑向壓應(yīng)力區(qū)占全部焊縫的1/2，周向壓應(yīng)力區(qū)占原始焊縫厚度約1/3，軸向壓應(yīng)力區(qū)占原始焊縫厚度約1/2。綜上所述，對于試件，從上往下堆焊更有利于壓應(yīng)力區(qū)的形成，2層即可形成明顯的壓應(yīng)力區(qū)，對原始焊縫裂紋的生成和擴(kuò)展形成抑制作用，有效減少接頭處應(yīng)力值。

3? 結(jié)語

本文重點(diǎn)模擬計算了BOSS頭Overlay堆焊工藝對含裂紋的焊接接頭殘余應(yīng)力的影響，對堆焊的修復(fù)效果進(jìn)行理論分析和數(shù)值提取。具體結(jié)論如下：

（1）試件高應(yīng)力區(qū)較大，殘余應(yīng)力最高的位置出現(xiàn)在起收弧點(diǎn)與裂紋處，是結(jié)構(gòu)的危險位置。

（2）增加堆焊層厚度有利于殘余壓應(yīng)力區(qū)的形成，為形成明顯的殘余壓應(yīng)力區(qū)，試件至少堆焊2層。

（3）采取從上往下的堆焊順序更有利于殘余壓應(yīng)力區(qū)的形成，堆焊2層時，徑向壓應(yīng)力區(qū)占全部焊縫的1/2，周向壓應(yīng)力區(qū)占原始焊縫厚度約1/3，軸向壓應(yīng)力區(qū)占原始焊縫厚度約1/2。

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