聲束調(diào)控替代核電CV消應(yīng)力熱處理可行性研究

肖志威 劉衛(wèi)華 曾凡勇 董俊杰 高智能 吳海賓 方一

摘要：針對(duì)核電鋼制安全殼（CV）消應(yīng)力熱處理需求進(jìn)行論證，從理論上分析了聲束調(diào)控替代熱處理的優(yōu)越性和可行性;對(duì)比分析了焊態(tài)、熱處理態(tài)和聲束調(diào)控態(tài)的焊件力學(xué)性能和殘余應(yīng)力分布。結(jié)果表明，聲束調(diào)控應(yīng)用可有效降低接頭殘余應(yīng)力，平均應(yīng)力消減率達(dá)24.4%，聲束調(diào)控2 h的應(yīng)力消減效果與熱處理保溫10 h的效果相當(dāng)，且聲束調(diào)控對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度、延伸率、沖擊性能并無(wú)劣化影響。這說(shuō)明聲束調(diào)控技術(shù)可替代消應(yīng)力熱處理，并給出了需進(jìn)一步深入研究的方向。

關(guān)鍵詞：鋼制安全殼;消應(yīng)力熱處理;聲束調(diào)控;殘余應(yīng)力;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG441.8? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）07-0050-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.09

0? ? 前言

焊接殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊接接頭疲勞強(qiáng)度和抗蠕變能力降低，一直以來(lái)備受制造人員的關(guān)注。核電鋼制安全殼作為核安全重要設(shè)備之一，主要由厚板高強(qiáng)鋼拼焊而成，為了消除焊接殘余應(yīng)力對(duì)其服役過(guò)程的不利影響，一般采用熱處理方式進(jìn)行去應(yīng)力處理。但傳統(tǒng)的熱處理方式能耗較大、對(duì)工件尺寸有限制、有時(shí)高溫加熱影響構(gòu)件的穩(wěn)定性，且難以滿足自動(dòng)、高效、綠色的發(fā)展需求。

文中闡述了核電鋼制安全殼消應(yīng)力熱處理的必要性和目前熱處理方式的缺點(diǎn)，從理論上分析采用高能聲束替代傳統(tǒng)熱處理消應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)及可行性，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了高能聲束調(diào)控對(duì)接頭性能和殘余應(yīng)力的影響，分析了采用聲束調(diào)控替代焊后消應(yīng)力熱處理的可行性，為后續(xù)深入研究及應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 殘余應(yīng)力消除必要性分析

鋼制安全殼（Containment Vessel，簡(jiǎn)稱CV）是AP/CAP 系列非能動(dòng)壓水堆核電站的第三道安全屏障，在反應(yīng)堆發(fā)生冷卻劑失水的事故中可以包容堆芯輻射，是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中最重要的核安全設(shè)備之一。CV是由頂封頭、筒體、底封頭構(gòu)成的類似大型膠囊狀鋼制容器，屬于MC級(jí)核安全設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。CV頂、底封頭和筒體由多塊瓣片和弧形板焊接而成。

CV的設(shè)計(jì)、建造采用ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范。根據(jù)ASME NE分卷表NE-4622.7（b）-1所述，鋼制安全殼焊后需做熱處理（PWHT），免除焊后熱處理允許的最大壁厚為44.5 mm[1]。以AP1000和CAP1400鋼制安全殼用鋼SA-738Gr.B為例，碳鋼和低合金鋼等材料的下轉(zhuǎn)變溫度近似值為725 ℃。根據(jù)張效寧等[2]的研究，SA-738Gr.B的下轉(zhuǎn)變溫度為737 ℃（加熱速度為36 ℃/s時(shí)），ASME Ⅲ NE-4622.1規(guī)定對(duì)于此組別材料的PWHT的保溫溫度區(qū)間規(guī)定為595～675 ℃，AP1000和CAP1400鋼制安全殼設(shè)備規(guī)格書(shū)中對(duì)SA-738Gr.B的PWHT的保溫溫度區(qū)間為595～620 ℃。由此可見(jiàn)，鋼制安全殼焊后熱處理的最高保溫溫度低于下轉(zhuǎn)變溫度50 ℃以上，是一種典型的低于下轉(zhuǎn)變溫度的焊后熱處理，這類焊后熱處理的首要目的是釋放焊接接頭的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸。

CAP1400/CAP1700鋼制安全殼筒體段壁厚均超過(guò)44.5 mm，若按規(guī)范要求，筒體段環(huán)焊縫應(yīng)進(jìn)行整圈焊后熱處理[3-4]。因需整體加熱，能耗較大，且時(shí)間較長(zhǎng)（至少10 h）;另在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際焊接時(shí)，存在現(xiàn)場(chǎng)供電容量不足、熱處理難度較大等問(wèn)題，且工藝控制不當(dāng)會(huì)帶來(lái)更大的殘余應(yīng)力或變形、抗拉強(qiáng)度降低、蠕變強(qiáng)度降低和韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高、構(gòu)件失穩(wěn)等安全隱患。因此，尋求一種可替代傳統(tǒng)焊后消應(yīng)力熱處理的高效、節(jié)能、可靠的方法，以消除鋼制安全殼焊后殘余應(yīng)力，將是解決這一難題的良好途徑。

2 聲束調(diào)控殘余應(yīng)力原理及應(yīng)用

消除或調(diào)控殘余應(yīng)力的方法很多，如常規(guī)的自然時(shí)效、機(jī)械拉伸、熱處理、振動(dòng)時(shí)效、錘擊等工藝。由于核電CV體積大、施工工期緊、場(chǎng)地空間有限，自然時(shí)效不符合工程建造實(shí)際;振動(dòng)時(shí)效和錘擊僅適合體積較小構(gòu)件，因此常規(guī)應(yīng)力調(diào)控工藝并不適合。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了一些新型的殘余應(yīng)力調(diào)控方法，包括磁脈沖法、電脈沖法[5]、超聲沖擊[6-7]。此類方法共同的特點(diǎn)是將外加能量注入材料內(nèi)部，使工件內(nèi)部或表面產(chǎn)生塑性變形，形成應(yīng)力松弛。其中超聲沖擊是利用高頻超聲針對(duì)材料表面（一般是焊趾部位）進(jìn)行機(jī)械沖擊，該方法最早由前蘇聯(lián)Paton焊接研究所于1972年提出，此后一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者重視。目前超聲沖擊在國(guó)內(nèi)已形成系列手持式或機(jī)械式產(chǎn)品。本質(zhì)上超聲沖擊與機(jī)械錘擊相同，區(qū)別在于超聲沖擊頻率高，沖擊力度均勻。材料表面在受到超聲沖擊后會(huì)產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的塑性變形，若處理不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生微裂紋，極大地影響整體結(jié)構(gòu)的可靠性。但與常規(guī)熱處理相比，操作方便，節(jié)約能耗。

聲束調(diào)控與超聲沖擊類似，是利用超聲的聲致塑性效應(yīng)引起材料內(nèi)部的軟化。法國(guó)Langenecker[8]發(fā)現(xiàn)將超聲加載在鋁材料拉伸試樣上，隨著功率密度的增加，屈服強(qiáng)度隨之降低，與對(duì)試件進(jìn)行加熱的效果相同。達(dá)到相同的變形效果，超聲能的需求僅為熱能的千萬(wàn)分之一?；诖?，北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了利用聲束調(diào)控殘余應(yīng)力的方法及相關(guān)設(shè)備[9-11]，基本原理如圖2所示。

聲束殘余應(yīng)力調(diào)控是將大功率聲波能量注入到應(yīng)力調(diào)控區(qū)域，利用彈性波的波動(dòng)能量改變?cè)械膹椥晕诲e(cuò)結(jié)構(gòu)，使得彈性位錯(cuò)從不穩(wěn)定的高能位運(yùn)動(dòng)到低能位相對(duì)穩(wěn)定的位置，原來(lái)的位錯(cuò)構(gòu)造被打破，重新形成新的低組態(tài)能、低彈性性能的構(gòu)造，改變殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)[12]。聲束調(diào)控系統(tǒng)通過(guò)聲束耦合模式，利用高能彈性波的能量作用到任意曲面固體材料內(nèi)部，改變殘余應(yīng)力勢(shì)能場(chǎng)，對(duì)內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行消減，從而達(dá)到消減和調(diào)控殘余應(yīng)力集中區(qū)域的目的。與超聲沖擊不同，聲束調(diào)控是直接將超聲能量注入到材料內(nèi)部而非對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊，或者聲束調(diào)控沖擊振幅足夠小。北京理工大學(xué)任延飛[7]對(duì)6061鋁合金和45鋼進(jìn)行了殘余應(yīng)力調(diào)控，殘余應(yīng)力消除率在50%以上，微觀組織未發(fā)生明顯變化。

綜上理論分析，采用聲束調(diào)控CV接頭殘余應(yīng)力是可行的，且此種調(diào)控方式綠色高效，若能將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)，將極大提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。為了驗(yàn)證實(shí)際調(diào)控效果，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

3.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料為某型號(hào)高強(qiáng)鋼，如表1所示。試件坡口為X型，坡口角度60°，組對(duì)間隙為2～5 mm。

焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)和調(diào)控設(shè)備為北京理工大學(xué)自研設(shè)備及系統(tǒng);熱處理設(shè)備為WCK-240智能型熱處理溫度控制箱。

3.2 試驗(yàn)方法

采用多層多道手工焊接，焊接位置為立焊。焊前，清理和預(yù)熱待焊區(qū)域及鄰近區(qū)域，預(yù)熱溫度不低于120 ℃，層/道間溫度不低于預(yù)熱溫度，且不高于200 ℃。焊后熱處理工藝與工程施工焊接工藝評(píng)定一致，保溫溫度為595～620 ℃，保溫時(shí)間為10 h。

焊后對(duì)焊縫兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示，沿焊縫軸線方向每側(cè)均布30個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)距離焊趾約12 mm，檢測(cè)方向?yàn)闄M向。采用超聲應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)探頭寬度為10 mm，超聲頻率為5 MHz。檢測(cè)前用砂輪機(jī)將被檢測(cè)區(qū)域打磨至金屬光澤，檢測(cè)時(shí)探頭表面涂抹適量耦合劑，并保證探頭與檢測(cè)位置貼合良好。檢測(cè)所有應(yīng)力值都是以零應(yīng)力標(biāo)定點(diǎn)位為基準(zhǔn)的應(yīng)力值。

采用垂直入射法對(duì)接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力聲束調(diào)控，如圖4所示。操作時(shí)通過(guò)電磁夾緊器將試件與聲束頭固定接觸，聲束頭直徑為φ70 mm，聲束頭中心間距為210 mm;接觸面涂抹黃油，調(diào)控時(shí)間設(shè)置為120 min，超聲頻率為20 kHz。

為研究聲束調(diào)控對(duì)接頭力學(xué)性能的影響，對(duì)不同狀態(tài)（焊態(tài)、熱處理態(tài)、聲束調(diào)控態(tài)）下的接頭進(jìn)行了常溫拉伸試驗(yàn)和低溫（-30 ℃）沖擊試驗(yàn)。拉伸試樣取樣按照ASME Ⅸ卷QW-462.1執(zhí)行，數(shù)量為2個(gè);沖擊試樣按照ASTM A370進(jìn)行制備，開(kāi)V型缺口，取樣位置包括熱影響區(qū)和母材，數(shù)量為3個(gè)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 力學(xué)性能

接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯暿{(diào)控后的接頭抗拉強(qiáng)度和延伸率不低于焊態(tài)，且略優(yōu)于熱處理態(tài);數(shù)值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可以認(rèn)為聲束調(diào)控處理并未對(duì)接頭造成劣化影響。

從沖擊試驗(yàn)結(jié)果中可看出（見(jiàn)表2、圖6），熱影響區(qū)沖擊性能遠(yuǎn)高于焊縫，不同處理狀態(tài)下的沖擊性能相差不大。整體來(lái)看，各狀態(tài)下的沖擊性能均滿足要求，說(shuō)明經(jīng)焊后熱處理或聲束調(diào)控處理對(duì)接頭沖擊性能無(wú)劣化影響。

根據(jù)聲束調(diào)控的機(jī)理，超聲能量會(huì)優(yōu)先被內(nèi)部組織的缺陷（如位錯(cuò)）吸收，使得金屬軟化，殘余應(yīng)力較高區(qū)域在聲束輔助作用下達(dá)到屈服條件，發(fā)生塑性變形。對(duì)于塑性較好的材料，殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能并不會(huì)產(chǎn)生破壞，因此接頭力學(xué)性能并未降低。有研究表明，聲束調(diào)控并不會(huì)改變材料組織，這從根本上避免了采用焊后熱處理造成的如熱處理工藝控制不當(dāng)、組織過(guò)熱粗化等問(wèn)題。

4.2 殘余應(yīng)力對(duì)比分析

為了對(duì)比分析焊后熱處理與聲束調(diào)控對(duì)殘余應(yīng)力的影響，引入殘余應(yīng)力消減率η

式中 σ1、σ2分別為焊態(tài)、熱處理態(tài)或聲束調(diào)控態(tài)的殘余應(yīng)力值。

為了清晰對(duì)比處理前后殘余應(yīng)力值分布的差異，將30個(gè)殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)位分成6個(gè)不同區(qū)位，即左1～左6，右1～右6共12個(gè)區(qū)域，相當(dāng)于每個(gè)區(qū)位對(duì)應(yīng)5個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，各區(qū)位的殘余應(yīng)力值取每個(gè)測(cè)試點(diǎn)位的平均值。

焊后熱處理對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響如圖7所示?？梢钥闯觯笐B(tài)下測(cè)得的焊縫處殘余應(yīng)力基本為拉應(yīng)力，殘余應(yīng)力值基本在50～180 MPa。區(qū)位內(nèi)部分點(diǎn)位殘余應(yīng)力值超過(guò)200 MPa，這也正說(shuō)明焊后消應(yīng)力處理是有必要的。經(jīng)熱處理后殘余應(yīng)力數(shù)值明顯降低。殘余應(yīng)力下降值和消減率的變化如圖8所示，通過(guò)熱處理平均應(yīng)力下降數(shù)值為30 MPa，最大消減率為41%，平均應(yīng)力消減率為23%。

聲束調(diào)控對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響如圖9所示。同樣焊態(tài)下測(cè)得焊縫處的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，殘余應(yīng)力值基本在60～100 MPa，經(jīng)聲束調(diào)控后殘余應(yīng)力數(shù)值降低明顯。殘余應(yīng)力下降值和消減率的變化如圖10所示，通過(guò)聲束調(diào)控平均降低應(yīng)力數(shù)值21 MPa，平均應(yīng)力消減率為24.4%。可以認(rèn)為，通過(guò)局部進(jìn)行聲束調(diào)控2 h后，應(yīng)力消減的效果與熱處理保溫10 h的效果相當(dāng)。

焊后熱處理和聲束調(diào)控的消減率對(duì)比如圖11所示。在某些區(qū)位（左1區(qū)、左6區(qū)、右3區(qū)、右4區(qū)、右5區(qū)、右6區(qū)）聲束調(diào)控后的消減率高于焊后熱處理方式，但平均殘余應(yīng)力消減率兩者水平相當(dāng)（熱處理態(tài)：23%，聲束調(diào)控態(tài)：24.4%），且經(jīng)處理后接頭的殘余應(yīng)力值均滿足要求。通過(guò)焊件力學(xué)性能和殘余應(yīng)力調(diào)控效果分析，認(rèn)為聲束調(diào)控可替代核電CV消應(yīng)力熱處理。

與采用焊后熱處理不同，聲束調(diào)控可直接用于現(xiàn)場(chǎng)，且能耗更低，處理過(guò)程無(wú)廢氣、廢液、大余量排熱等，因此聲束調(diào)控更加綠色、環(huán)保。綜合以上來(lái)看，聲束調(diào)控的潛力更優(yōu)。

超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)波，它經(jīng)接觸面?zhèn)鞑ブ敛牧蟽?nèi)部，可引起材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的高頻振動(dòng)。對(duì)于應(yīng)力較高的高能態(tài)區(qū)域而言，相對(duì)較小的能量即可發(fā)生塑性變形，使得此區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力降低，其效果就如宏觀機(jī)械拉伸法消應(yīng)力一般。超聲能量在固態(tài)材料中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生能量衰減，應(yīng)力調(diào)控效果會(huì)隨之下降，因此試驗(yàn)時(shí)需要在整條焊縫上布置多個(gè)聲束調(diào)控裝置。即便如此，與熱處理相比，采用聲束調(diào)控殘余應(yīng)力，調(diào)控區(qū)域面積大大降低，功率密度更低;無(wú)需進(jìn)行整體加熱或局部區(qū)域全部加熱，因此能耗大大降低，且節(jié)約處理時(shí)間。另外聲束調(diào)控可以針對(duì)性地對(duì)高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行調(diào)控，有學(xué)者稱為原位調(diào)控或定點(diǎn)調(diào)控，而熱處理無(wú)法做到這一點(diǎn)。綜上，采用聲束調(diào)控可有效降低焊接殘余應(yīng)力，應(yīng)力降低效果與消應(yīng)力熱處理相當(dāng)，且大大節(jié)約時(shí)間和降低能耗。聲束調(diào)控后焊件的力學(xué)性能并未發(fā)生劣化，因此認(rèn)為聲束調(diào)控替代傳統(tǒng)的消應(yīng)力熱處理是可行的。

5 結(jié)論

（1）采用聲束調(diào)控能有效降低接頭殘余應(yīng)力，效果與消應(yīng)力熱處理方式相當(dāng)，且更加綠色、環(huán)保。

（2）聲束調(diào)控對(duì)接頭力學(xué)性能無(wú)劣化影響，可替代核電CV消應(yīng)力熱處理。

（3）后續(xù)待進(jìn)一步深入研究聲束調(diào)控工藝與應(yīng)力消減之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系、聲束調(diào)控工藝的優(yōu)化、實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的聲束調(diào)控工藝等。

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