異種金屬管道焊縫的修補(bǔ)焊殘余應(yīng)力

Sanjooram Paddea,饒德林,葉晉,羅凡,張書彥

(1.東莞材料基因高等理工研究院,廣東 東莞523808；2.上海市醫(yī)藥學(xué)校,上海200135)

0 前言

應(yīng)力腐蝕開裂(Stress corrosion crack,SCC)是能源、化工行業(yè)管道的常見失效問題。壓水堆或重水堆核電廠一回路的水具有腐蝕性,如果一回路的管道材料有較大的殘余拉伸應(yīng)力,在腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下,管道就存在嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂傾向。杜東海等人[1]在研究AP1000核電管道材料時(shí)指出,焊接殘余應(yīng)力加速了焊接熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展速率；而異種金屬焊縫的殘余應(yīng)力分布復(fù)雜,是各國學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。加拿大學(xué)者Duan等人[2]認(rèn)為一回路管道應(yīng)力腐蝕裂紋在異種金屬焊縫中的產(chǎn)生和擴(kuò)展主要是由焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致的,對(duì)殘余應(yīng)力的檢測(cè)是評(píng)價(jià)管道焊接質(zhì)量的重要內(nèi)容。黃本生等人[3]在研究Q345/316L異種鋼焊接殘余應(yīng)力時(shí)指出,焊縫和焊縫附近區(qū)域殘余應(yīng)力的分布是不連續(xù)和不對(duì)稱的,最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在Q345側(cè)的熔合線處；蔡建鵬等人[4]分析和測(cè)量了Q345/SUS304異種鋼對(duì)接接頭的殘余應(yīng)力和變形,指出SUS304側(cè)的縱向拉伸應(yīng)力區(qū)明顯寬于Q345側(cè)。目前,焊接殘余應(yīng)力的檢測(cè)通常采用X射線衍射方法,但由于X射線衍射法測(cè)得的應(yīng)力僅限于材料表面微米深度,無法實(shí)現(xiàn)沿材料厚度方向的應(yīng)力測(cè)量。對(duì)于異種金屬材料的焊縫,隨著材料服役時(shí)間的增加,SCC導(dǎo)致的焊縫開裂問題可能更嚴(yán)重。張俊寶等人[5]研究了SA508低合金鋼和SA351不銹鋼的異種鋼對(duì)接鋼管焊接殘余應(yīng)力,并采用盲孔法對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量,指出熱影響區(qū)存在較高殘余應(yīng)力是SCC的危險(xiǎn)區(qū)域。

對(duì)于長期服役且已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的焊縫,出現(xiàn)所謂的破前漏(Leak before break,LBB)問題,需要進(jìn)行修補(bǔ)焊,這種焊縫局部的補(bǔ)焊必將引起殘余應(yīng)力的重新分布,文獻(xiàn)[6-7]指出,經(jīng)歷補(bǔ)焊過程后,補(bǔ)焊焊縫和附近熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。如果不對(duì)補(bǔ)焊的殘余應(yīng)力進(jìn)行再評(píng)估,有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂。文獻(xiàn)[8]就提到,美國VC summer核電站在反應(yīng)堆壓力容器安全端焊縫區(qū)多次補(bǔ)焊產(chǎn)生了熱裂紋,焊縫殘余應(yīng)力較高,最終導(dǎo)致一回路水管道因SCC泄漏。上世紀(jì)70和80年代建造的核電廠一回路管道很多出現(xiàn)了SCC問題和破前漏問題,需要對(duì)管道進(jìn)行修補(bǔ)焊。為了評(píng)價(jià)補(bǔ)焊后的整個(gè)焊接接頭的殘余應(yīng)力分布,降低管道SCC風(fēng)險(xiǎn),該研究制備了專用的異種金屬焊接管道試樣,并對(duì)試樣焊縫進(jìn)行了切削和修補(bǔ)焊接,采用輪廓法對(duì)異種金屬管道對(duì)接焊的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量,檢驗(yàn)修補(bǔ)焊工藝是否滿足ASTM的相關(guān)規(guī)定要求。

1 材料與方法

試驗(yàn)用兩種管道材料分別是SA106B碳鋼和Inconel 600合金,焊絲(條)材料是 Incoweld A,管道及焊接材料的主要力學(xué)性能參數(shù)和熱物理性能參數(shù)見表1。管子內(nèi)徑74 mm,厚度7.4 mm,按照ASME BPVC相關(guān)要求制備了四種異種金屬焊接管道對(duì)接焊試樣,分別采用手動(dòng)焊接和自動(dòng)焊接方法進(jìn)行對(duì)接環(huán)焊縫的焊接。手工焊時(shí)采用直徑2.38 mm的Incoweld A焊條,共5層焊縫；自動(dòng)焊時(shí),采用直徑0.89 mm的同種焊絲,分10層焊完,然后分別進(jìn)行修補(bǔ)焊接。對(duì)于手動(dòng)焊接管道試樣,首先將環(huán)焊縫的0°～120°段從焊縫頂部到根部將焊縫打磨掉,然后使用焊條電弧焊(SMAW)將該區(qū)域管道重新焊接。對(duì)于自動(dòng)焊接管道試樣,首先將環(huán)焊縫0°～90°的焊縫部分從外徑切割到根部,然后使用鎢極氬弧焊(GTAW)將該區(qū)域管道重新修補(bǔ)焊接,典型修補(bǔ)焊接工藝參數(shù)見表2。試驗(yàn)總共有4種焊接管道試樣,分別是手工焊接原始管道、手工焊接修補(bǔ)焊管道、自動(dòng)焊接原始管道和自動(dòng)焊接修補(bǔ)管道。圖1顯示SA106B碳鋼與Inconel 600合金管異種金屬焊縫實(shí)物。

表1 焊接材料的主要力學(xué)和熱物理性能參數(shù)

表2 典型修補(bǔ)焊工藝參數(shù)

圖1 異種金屬焊接管道及環(huán)焊縫

異種金屬管道焊接接頭存在較高的殘余應(yīng)力,但目前的殘余應(yīng)力測(cè)量方法主要是測(cè)量表面(X射線衍射法)或淺表面(盲孔法)的應(yīng)力,雖然中子衍射技術(shù)可以測(cè)量材料內(nèi)部深層的應(yīng)力,但國內(nèi)此種設(shè)備很少。而輪廓法殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)將位移測(cè)量與應(yīng)力重構(gòu)結(jié)合在一起,很適用于結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)量,能夠快速地測(cè)量出焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力分布[9],已經(jīng)在焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測(cè)量方面得到了成功的應(yīng)用[10-13]。輪廓法測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)需要將待測(cè)工件的表面用高精度線切割的方法切開,再采用三坐標(biāo)儀對(duì)切割截面進(jìn)行掃描測(cè)量,獲得應(yīng)力釋放后表面的尺寸輪廓線,進(jìn)而得到表面形變數(shù)據(jù),通過有限元分析、反演計(jì)算,得到表面的殘余應(yīng)力分布。有研究指出[14],對(duì)不銹鋼和鎳基合金材料焊接接頭,輪廓法應(yīng)力測(cè)量的不確定度大約是20～40 MPa。

該研究主要考察了焊接管道環(huán)向和軸向焊接殘余應(yīng)力,因此切割方法有環(huán)向應(yīng)力切割和軸向應(yīng)力切割兩種方式,如圖2所示。準(zhǔn)備有多個(gè)試樣分別用于兩種切割方式,圖3顯示了在夾具上準(zhǔn)備進(jìn)行環(huán)向應(yīng)力切割的管道試樣及切割完成后的截面。

圖2 異種金屬焊接管道及切割方式

圖3 管道環(huán)向應(yīng)力切割及切割后的截面

2 結(jié)果與討論

高精度線切割后,試樣切割截面采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)表面輪廓的尺寸進(jìn)行了精密測(cè)量,獲得了應(yīng)力釋放后表面的變形數(shù)據(jù),測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)有限元計(jì)算得到了切割面的殘余應(yīng)力分布。有限元計(jì)算采用ABAQUS軟件,模型采用三維線性減縮積分單元(C3D8R),焊接材料的應(yīng)力應(yīng)變采用線性本構(gòu)關(guān)系,已有的研究分析表明采用這一單元模型可以較精確地求解位移和變形。

圖4是采用輪廓法測(cè)量與計(jì)算得到的環(huán)向應(yīng)力分布,圖4顯示較高的拉應(yīng)力集中在Inconel 600合金的熱影響區(qū)(Heat affected zone,HAZ),最大環(huán)向殘余應(yīng)力不大于300 MPa。從表1可見,除導(dǎo)熱系數(shù)外,三種材料的力學(xué)性能和熱物理性能差別不顯著,Inconel 600合金的導(dǎo)熱系數(shù)比SA106B低三倍多,因此焊接過程中Inconel 600合金一側(cè)有較大的溫度梯度,這是引起應(yīng)力分布不對(duì)稱的重要原因。從圖4可見,管子內(nèi)壁焊縫有明顯的凸起,這主要是因?yàn)閮?nèi)壁進(jìn)行了鎢極氬弧焊打底焊。

圖4 環(huán)向焊接殘余應(yīng)力分布

圖5 和圖6是切割得到的焊管截面軸向殘余應(yīng)力分布,由于環(huán)向切割面位于焊縫上,圖5和圖6的管壁都不是完整的圓形,尤其是管子外壁。圖5a是管道手工環(huán)焊后,采用輪廓法測(cè)量到的軸向殘余應(yīng)力分布,切割面距離焊縫中心Inconel 600合金一側(cè)大約3 mm,測(cè)量得到的最大殘余拉應(yīng)力是400 MPa,最小殘余壓應(yīng)力是-418 MPa。圖5b是手工環(huán)焊后,將焊縫一部分切割掉,再手工修補(bǔ)焊后,用輪廓法測(cè)量到的軸向殘余應(yīng)力分布。A點(diǎn)是修補(bǔ)焊的起始點(diǎn),B點(diǎn)是修補(bǔ)焊結(jié)束點(diǎn)。測(cè)量得到的最大殘余拉應(yīng)力是415 MPa,最小殘余壓應(yīng)力是-408 MPa。

圖6是異種金屬自動(dòng)焊接焊縫的軸向殘余應(yīng)力及修補(bǔ)焊后焊縫的軸向殘余應(yīng)力分布,焊縫切割位置距離焊縫中心線Inconel 600合金一側(cè)大約1.5 mm。從圖6可以看到,自動(dòng)焊接焊后的最大殘余拉應(yīng)力是389 MPa,最小殘余壓應(yīng)力是-357 MPa,而修補(bǔ)焊后,最大軸向殘余拉應(yīng)力是328 MPa,最小殘余壓應(yīng)力是-543 MPa。

從圖5和圖6可以看出,焊接修補(bǔ)顯著改變了原始焊縫的殘余應(yīng)力分布。修補(bǔ)焊后,拉伸殘余應(yīng)力集中在焊接修補(bǔ)區(qū)域,拉伸的殘余應(yīng)力區(qū)域被壓應(yīng)力區(qū)域包圍。由于焊接過程伴隨著材料的塑性變形,因此測(cè)量的最大殘余應(yīng)力應(yīng)該大于材料屈服強(qiáng)度小于抗拉強(qiáng)度,從輪廓法殘余應(yīng)力測(cè)量的結(jié)果看,最大殘余應(yīng)力處于屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間,因此測(cè)量及計(jì)算的結(jié)果是合適、有效的。由于測(cè)量得到的最大拉伸殘余應(yīng)力小于415 MPa,結(jié)果也符合相關(guān)管道抗應(yīng)力腐蝕開裂的要求[15]。

圖5 手工焊及修補(bǔ)焊軸向殘余應(yīng)力分布

圖6 自動(dòng)焊焊縫及修補(bǔ)焊軸向殘余應(yīng)力分布

3 結(jié)論

SA106B和Inconel 600異種金屬管道焊接接頭的殘余應(yīng)力分布受修補(bǔ)焊的影響,拉伸殘余應(yīng)力集中在焊接修補(bǔ)區(qū)域,拉伸的殘余應(yīng)力區(qū)域被壓應(yīng)力區(qū)域包圍。對(duì)自動(dòng)焊和手工焊環(huán)縫的修補(bǔ)焊接頭,采用輪廓法進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)量和分析,結(jié)果顯示修補(bǔ)焊前后,殘余應(yīng)力均小于415 MPa,符合相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。