核電BOSS頭Overlay焊縫缺陷等效分析

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1 序言

BOSS頭焊縫[1]是一種核電用三通類焊縫，流通介質(zhì)屬于高溫、高壓、放射類介質(zhì)，焊縫內(nèi)部存在裂紋、夾渣、氣孔、未熔合及未焊透等缺陷。BOSS頭焊縫出現(xiàn)缺陷[2]時，國內(nèi)返修是先對管道區(qū)域進(jìn)行核清潔，待清潔完成后，由焊接操作工以焊條電弧焊的形式進(jìn)行返修，耗時費(fèi)力[3]。國外返修采用過BOSS Overlay技術(shù)，對BOSS頭焊縫進(jìn)行模型建立，分析結(jié)構(gòu)的幾何特性及材料特性，完成Overlay層焊接模擬，根據(jù)模擬結(jié)果以自動焊的形式進(jìn)行BOSS頭返修。在這一過程中，需要將焊接缺陷添加到模型中，實(shí)際情況中，缺陷的種類和分布情況均極為復(fù)雜，缺陷類型多、位置多、形狀不規(guī)則，因此有必要在模擬前對缺陷進(jìn)行等效處理，等效出最具代表性、最危險的焊接缺陷，保證Overlay層模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2 缺陷類型的等效處理

對某核電機(jī)組BOSS頭焊縫缺陷檢測結(jié)果（見表1），進(jìn)行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)顯示，缺陷的類型包括夾渣、氣孔、未熔合、未焊透、裂紋及根部內(nèi)凹等，其中出現(xiàn)最多的是未熔合和夾渣，因此也著重考慮這兩種缺陷。為簡化分析，考慮將不同類型的缺陷等效為一種類型的缺陷。標(biāo)準(zhǔn)中提到，在缺陷等效過程中，應(yīng)考慮將其等效為更保守的類型，以確保后續(xù)結(jié)論的安全、可靠。在所有缺陷類型中，裂紋是最嚴(yán)重的缺陷，因此應(yīng)將各種類型的缺陷等效處理為最為嚴(yán)重的裂紋（未熔合）缺陷，便于后續(xù)分析過程，并同時確保結(jié)論的可靠性。

表1 某核電機(jī)組BOSS頭焊縫檢測結(jié)果

3 缺陷形狀尺寸的等效處理

依據(jù)缺陷尺寸、位置及分布狀態(tài)，可劃分為表面平面缺陷、深埋平面缺陷、復(fù)合平面缺陷、非平面缺陷、平行平面缺陷、層狀缺陷、非鏈形共面缺陷、鏈形單獨(dú)缺陷及線狀缺陷等。對于實(shí)際情況中的缺陷，即便其類型已經(jīng)確定，但由于其形態(tài)和分布狀況仍較為復(fù)雜，故在后續(xù)處理過程中也有較大困難。

對于單個線狀缺陷，將缺陷投影到厚度方向上，投影后缺陷的長度即為等效缺陷長度；對于多個分布狀態(tài)不同的缺陷，在投影后參考美國ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅺ卷中的缺陷形狀和尺寸確定的圖示，進(jìn)行長度等效處理。根據(jù)實(shí)際射線檢測報告，已知多數(shù)缺陷的總長度遠(yuǎn)大于管道厚度，但缺陷數(shù)量和位置未知。在當(dāng)前情況下應(yīng)選擇更加保守的缺陷等效方式，因此不考慮缺陷的數(shù)量和分布狀態(tài)，假設(shè)裂紋缺陷在厚度方向上已經(jīng)貫穿管道，即等效長度等于管道壁厚。將線狀缺陷等效為矩形處理，在確定缺陷長度之后，還需要設(shè)定等效缺陷的寬度。標(biāo)準(zhǔn)中提到，若去除堆焊層后的矩形缺陷長度為a、寬度為d，則對于缺陷的深寬比應(yīng)有a/d≤1，即寬度d≥a，也即寬度不小于管道壁厚。

4 缺陷位置的確定

對于缺陷位置的處理，在能夠確定缺陷實(shí)際位置的情況下，應(yīng)如標(biāo)準(zhǔn)所述將缺陷置于實(shí)際的位置上進(jìn)行處理。否則，應(yīng)將缺陷等效為最危險位置的缺陷處理。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，等效后的矩形缺陷，其深度a與內(nèi)側(cè)承壓表面垂直，長度l應(yīng)與內(nèi)側(cè)承壓表面平行。此時缺陷存在投影周向和軸向兩種情況，如圖1所示。

圖1 缺陷投影到周向和軸向平面

為確定等效缺陷所在平面，需考慮周向和軸向缺陷的危險程度，盡量選擇更保守的類型。在相同應(yīng)力比、相同缺陷長度的情況下，軸向缺陷的允許深度更小，因此也是更危險的缺陷，等效缺陷應(yīng)選擇保守的軸向缺陷類型[4，5]。

基于射線檢測難以獲得缺陷的精確位置，因此將缺陷置于最危險位置等效處理。對原始焊縫的焊后應(yīng)力采用MSC.Marc軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果采用柱坐標(biāo)系顯示，原點(diǎn)為支管底部中心，y軸沿支管軸向向上。圖中網(wǎng)格為有限元單元，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。根據(jù)模擬結(jié)果，原始焊縫的起弧、收弧位置在焊后承受的三向拉應(yīng)力最大，拉應(yīng)力促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，因此該處的裂紋擴(kuò)展速度更快，相應(yīng)地使用壽命更短，將缺陷置于此處是更保守的。

圖2 原始焊縫焊后應(yīng)力模擬云圖

5 等效模型

根據(jù)實(shí)際缺陷檢測結(jié)果與等效原理，最終將缺陷等效為裂紋形式進(jìn)行處理，形狀為矩形，徑向上的深度為貫穿管壁，軸向上的寬度不小于支管壁厚，置于起弧與收弧位置，且處于焊縫中心部位，如圖3所示。最后依據(jù)此等效缺陷位置和尺寸，進(jìn)行后續(xù)可靠性評估和計算。

圖3 等效缺陷

6 結(jié)束語

本文對BOSS頭焊縫缺陷等效方式進(jìn)行研究，從缺陷類型、缺陷形狀尺寸、缺陷位置三個方面進(jìn)行分析，具體結(jié)論如下。

1）對于缺陷類型，等效時應(yīng)將缺陷等效為更加保守的類型，因此將缺陷類型統(tǒng)一等效為裂紋處理。

2）對于缺陷形狀尺寸，將缺陷形狀等效為矩形，并使其能夠覆蓋整個缺陷范圍，將缺陷在深度方向上貫穿壁厚，缺陷寬度等效為垂直方向上不小于支管壁厚。

3）對于缺陷位置，將缺陷等效置于起弧、收弧位置，因?yàn)樵撎幦蚶瓚?yīng)力最大，也是缺陷最易產(chǎn)生和擴(kuò)展的位置。