大型核電厚壁結(jié)構(gòu)X射線衍射法殘余應(yīng)力測(cè)試

鄒家生， 潘 浩， 劉 川， 許祥平

(江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

焊接殘余應(yīng)力不僅可引起冷裂紋、熱裂紋、脆性斷裂等缺陷,還會(huì)引起焊接構(gòu)件變形、失穩(wěn),影響構(gòu)件尺寸精度,降低其抗疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕及抗蠕變開裂的能力.

現(xiàn)代焊接結(jié)構(gòu)正向著大型化和復(fù)雜化方向發(fā)展,且焊接結(jié)構(gòu)的工作條件越來(lái)越苛刻,要求也越來(lái)越嚴(yán)格.由于核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件長(zhǎng)期在高溫、高壓和高輻照的環(huán)境條件下運(yùn)行,承受環(huán)境腐蝕和疲勞載荷.因此掌握堆芯板與筒體焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)理顯得尤為重要，測(cè)量和控制也具有重大意義.

殘余應(yīng)力測(cè)試方法有很多種:小孔法、盲孔法、切條法等破壞性測(cè)試方法;中子衍射法也只能測(cè)量小型構(gòu)件;X射線衍射殘余應(yīng)力無(wú)損測(cè)試技術(shù)由于其計(jì)算理論成熟、測(cè)試方法可靠、測(cè)試精度較高、測(cè)試速度較快、數(shù)據(jù)可重復(fù)性強(qiáng),便于現(xiàn)場(chǎng)大面積測(cè)試,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域：礦山機(jī)械、航空航天、潛水器、車輛工程、核電以及其他管道[1-2].鑒于X射線衍射法的明顯優(yōu)勢(shì)以及核電大型構(gòu)件應(yīng)用場(chǎng)合的重要性,使得該方法成為核電構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試的首選方法.

文中采用X射線衍射法測(cè)試核電厚壁結(jié)構(gòu)堆芯板端面、堆芯板與吊籃筒體環(huán)焊縫焊接前后應(yīng)力,分析機(jī)加工以及焊接對(duì)大型核電焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響.

1 測(cè)試過(guò)程與方法

1.1 測(cè)試對(duì)象

共測(cè)試兩塊堆芯板(1#和2#),其結(jié)構(gòu)和焊接工藝完全相同，1#堆芯支承板端面上焊接前后應(yīng)力、2#堆芯支承板焊后端面、1#和2#吊籃筒體與堆芯支承板連接環(huán)焊縫及其附近區(qū)域焊接前后外表面應(yīng)力.堆芯板上測(cè)試線、筒體和堆芯板焊縫區(qū)域測(cè)試線示意見圖1.母材為Z3CN18-10NS奧氏體不銹鋼.

圖1 筒體及堆芯板三維示意圖Fig.1 Three-dimensional diagram of barrel shell and core plate

1.2 測(cè)試設(shè)備及參數(shù)

殘余應(yīng)力測(cè)試使用X射線衍射法,所用設(shè)備為加拿大PROTO公司生產(chǎn)的便攜式i-XRD殘余應(yīng)力儀.圖2為堆芯板端面及筒體環(huán)焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試過(guò)程.

a) 堆芯板端面

b) 筒體環(huán)焊縫

1.3 測(cè)試內(nèi)容及方案

對(duì)堆芯支承板焊接前后端面L1,L2,L3,L4線進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試(測(cè)試方案見圖3,為了圖示清楚,堆芯板中部分孔未畫出);連接環(huán)焊縫及其附近區(qū)域焊接前后外表面0°,90°,180°及270°線殘余應(yīng)力測(cè)試(圖1).由于是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,該堆芯板直徑約3.5 m,若對(duì)整個(gè)端面進(jìn)行測(cè)試耗時(shí)耗力，所以該方案主要測(cè)試堆芯板端面的1/4(第四象限)區(qū)域,其它象限則測(cè)量1至2個(gè)點(diǎn)作為參照比較.

圖3 堆芯支撐板端面測(cè)試示意圖Fig.3 Measuring locations on core plate end face

2 結(jié)果與分析

2.1 1#堆芯板焊接前后殘余應(yīng)力

圖4,5分別為1#堆芯板焊前和焊后殘余應(yīng)力分布圖.

a)焊前徑向殘余應(yīng)力

b)焊前切向殘余應(yīng)力

a)焊后徑向殘余應(yīng)力

b)焊后切向殘余應(yīng)力

圖4，5中可以看出,徑向殘余應(yīng)力(σx)既有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力;除L2線外,其余各測(cè)試線上的切向應(yīng)力(σy)為拉應(yīng)力;堆芯板焊前的徑向和切向拉應(yīng)力均在-100～400 MPa之間且峰值均不超過(guò)400 MPa.由于焊前沒有預(yù)熱,所以測(cè)出堆芯支承板焊前殘余應(yīng)力均為表面機(jī)加工殘余應(yīng)力.文獻(xiàn)[3]進(jìn)行的試驗(yàn)也表明車削加工工件表面切向殘余應(yīng)力多為拉應(yīng)力.由于堆芯板表面機(jī)加工是為旋轉(zhuǎn)加工,其切削線速度隨徑向尺寸變化而變化,因此其表面殘余應(yīng)力分布不均.

圖5中看出,焊接后支承板各個(gè)測(cè)試區(qū)域的殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)跟焊前大體相似,殘余拉應(yīng)力峰值仍然和焊前一樣,并未超過(guò)400 MPa.由于吊籃筒體和堆芯支承板尺寸大,堆芯支承板端面離焊接區(qū)域較遠(yuǎn),焊接應(yīng)力對(duì)堆芯支承板端面影響甚微,因此焊后其表面殘余應(yīng)力并不會(huì)發(fā)生大的變化;另外焊縫下部設(shè)計(jì)有應(yīng)力釋放槽,所以焊接環(huán)焊縫對(duì)堆芯板表面影響不大,主要還是機(jī)加工應(yīng)力.

2.2 1#，2#堆芯板環(huán)焊縫殘余應(yīng)力

圖6，7分別為焊后1#堆芯板和2#堆芯板環(huán)焊縫殘余應(yīng)力分布圖.

a)焊縫焊后環(huán)向殘余應(yīng)力

b)焊縫焊后軸向殘余應(yīng)力

a)焊縫焊后環(huán)向殘余應(yīng)力

b)焊縫焊后軸向殘余應(yīng)力

由圖6,7可以看出焊后焊縫區(qū)環(huán)向殘余應(yīng)力(σH)基本上為拉應(yīng)力,1#板90°，270°和2#板0°，90°位置線應(yīng)力分布趨勢(shì)相近,焊縫中心高于焊趾,而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的母材環(huán)向應(yīng)力偏高.1#板0°，180°和2#板180°，270°位置線上的環(huán)向應(yīng)力在焊縫區(qū)域較低,部分區(qū)域出現(xiàn)壓應(yīng)力.文獻(xiàn)[4]和[5]的研究中也存在著各個(gè)角度線測(cè)試趨勢(shì)不一致的現(xiàn)象.可能是焊接引弧熄弧、加工打磨和修補(bǔ)焊原因所致.軸向殘余應(yīng)力(σz)焊縫區(qū)基本上為壓應(yīng)力;壓應(yīng)力峰值均在400 MPa左右,且1#板和2#板各測(cè)試線的應(yīng)力分布趨勢(shì)均較一致.這種應(yīng)力分布狀態(tài)和文獻(xiàn)[4-8]中管道對(duì)接焊縫區(qū)域應(yīng)力分布狀態(tài)相似.文中測(cè)試的筒體結(jié)構(gòu)為厚壁大型結(jié)構(gòu),且焊縫經(jīng)過(guò)打磨,打磨焊縫會(huì)造成測(cè)試應(yīng)力的分散.

堆芯板和筒壁遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的應(yīng)力值較大,其與機(jī)加工和測(cè)量時(shí)的表面狀態(tài)有關(guān).由于本測(cè)試是直接對(duì)工程用構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量,不可避免的受到工程中一些實(shí)際因素的影響,但是其結(jié)果仍能夠較好地反應(yīng)環(huán)焊縫總體應(yīng)力分布趨勢(shì),體現(xiàn)出工程中原始的應(yīng)力狀態(tài).

圖6，7中個(gè)別測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力值很大,甚至超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度,這可能是由于筒體和堆芯板經(jīng)過(guò)車削加工產(chǎn)生加工硬化造成的.此外,X射線衍射法是基于彈性變形理論,材料表面發(fā)生的塑性變形也會(huì)致使測(cè)量結(jié)果有所偏大;測(cè)試件表面的粗糙度也會(huì)造成測(cè)試值發(fā)生偏差.

3 結(jié)論

1)堆芯板端面焊前殘余應(yīng)力主要是機(jī)加工應(yīng)力,不管是徑向應(yīng)力還是切向應(yīng)力,峰值均不大,均不超過(guò)400 MPa；

2)焊接并未對(duì)堆芯板和環(huán)焊縫附近機(jī)加工區(qū)域殘余應(yīng)力造成大的影響,機(jī)加工殘余應(yīng)力仍然是該區(qū)域的主要應(yīng)力；

3)1#,2#堆芯板環(huán)焊縫軸向殘余應(yīng)力趨勢(shì)明顯:焊縫區(qū)為壓應(yīng)力,母材為拉應(yīng)力.

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