核電站管道護(hù)板焊縫殘余應(yīng)力分析試驗(yàn)

核電站主蒸汽管道是通過護(hù)板角焊縫、整體支架連接到另一端固定在墻壁的阻尼器上。國內(nèi)某核電機(jī)組檢修期間在對護(hù)板角焊縫進(jìn)行液體滲透檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)多處超標(biāo)線性缺陷，而這與焊縫結(jié)構(gòu)、焊接工藝和殘余應(yīng)力分布有關(guān)。為了確定造成這一現(xiàn)象的具體原因，廠家找到南京聚航，希望我們能夠幫他們解決這一問題。

經(jīng)技術(shù)們商討后，聚航科技決定采用盲孔法測應(yīng)力方法，分析護(hù)板角焊縫殘余應(yīng)力影響因素及其分布規(guī)律，我們共設(shè)計(jì)了4種不同工藝條件的焊接模擬試件，下面就是試驗(yàn)的具體步驟。

模擬試件結(jié)構(gòu)

模擬試件結(jié)構(gòu)、材質(zhì)規(guī)格與真實(shí)焊縫相近，全封閉帶坡口護(hù)板角焊縫，由左右兩條軸向焊縫和上下兩條周向焊縫組成，而半封閉試件沒有軸向焊縫。模擬管道母材為106B，尺寸Φ660mm*30mm。模擬護(hù)板母材為Q235B，尺寸為300mm*300mm*25mm，倒角50mm，加工成與管道相匹配的圓弧。

工藝條件

為綜合分析焊縫結(jié)構(gòu)（是否全封閉）、坡口形式、熱處理工藝等對焊縫殘余應(yīng)力分布的影響，制定了模擬試件工藝條件（詳情見表1）。模擬試件采用焊條電弧焊接，焊接材料為E5015焊條。護(hù)板四周開高度為20mm的45°坡口。采取熱處理工藝時(shí)，焊前采用火焰加熱預(yù)熱，溫度為160℃。焊后采用電加熱熱處理，溫度為630℃，保溫1h。

使用儀器

使用JHMK多點(diǎn)殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK殘余應(yīng)力鉆孔裝置組合。JH直角應(yīng)變片，電阻值為120Ω，靈敏系數(shù)為2.07±0.01，測試用鉆頭直徑1.5mm、鉆孔深度2.0mm，系數(shù)A為-0.3498，系數(shù)B為-0.6643。

測點(diǎn)分布

測點(diǎn)分布是根據(jù)殘余應(yīng)力分析的要求和被測構(gòu)建表面附近的實(shí)際空間狀態(tài)來確定的。

軸向焊縫：以焊縫*心線為*心，沿周向每隔10mm設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，布點(diǎn)范圍直到焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)30mm，1^#和2^#焊接試件軸向焊縫共測量6條線，每條線9個(gè)點(diǎn)，一共54個(gè)點(diǎn)。

周向焊縫：以焊縫熔合線為起點(diǎn)，沿軸向每隔10mm設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，布點(diǎn)范圍直到焊縫熱影響區(qū)30mm，一共4種試件，每個(gè)試件測量3條線，每條線測6個(gè)點(diǎn)（焊縫區(qū)3個(gè)，熱影響區(qū)3個(gè)）。

測量步驟及注意事項(xiàng)

表面狀態(tài)直接影響應(yīng)力測試結(jié)果，首先需對表面進(jìn)行打磨拋光處理：采用砂輪對焊縫進(jìn)行表面粗磨，打磨時(shí)要用力均勻、適當(dāng)。避免在同一位置長時(shí)間打磨致使表面溫度過高甚至變色，破壞原始應(yīng)力狀態(tài)；對粗磨過的表面進(jìn)行拋光處理，進(jìn)一步減小由于表面粗磨造成的附加應(yīng)力；采用100-200^#紗布沿相互垂直方向打磨。將表面機(jī)械打磨引入的附加應(yīng)力減至*小，便于應(yīng)變片粘貼。

應(yīng)變片粘貼

應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量是應(yīng)力測量結(jié)果準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵，為確定測量精度，粘貼應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)將兩個(gè)相互垂直的應(yīng)變柵盡量與主應(yīng)力方向相一致。如測量焊縫應(yīng)力，則可沿焊縫和垂直焊縫方向粘貼。

鉆孔測量

1. 應(yīng)變片粘貼牢固后，將應(yīng)變片和補(bǔ)償片按儀器使用說明的接線方法進(jìn)行接線，預(yù)熱15min后按“初始”鍵，觀察應(yīng)變平衡情況。

2. 通過顯微鏡將應(yīng)變片上的鉆孔*心與顯微鏡*心點(diǎn)調(diào)節(jié)至重合。

3. 移除顯微鏡，插入銑刀，左右方向各旋轉(zhuǎn)一次，將應(yīng)變片表面劃開。然后將鉆桿放入，放入墊片，將螺栓鎖死，定好深度，完成鉆孔。此時(shí)應(yīng)變輸出C1、C2、C3值，即為鉆孔后的應(yīng)變增量。

結(jié)論

1. 護(hù)板焊縫焊后殘余應(yīng)力較高，以軸向焊縫為例，焊縫區(qū)主應(yīng)力平均值為351MPa，接近0.8σ。焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力*高，進(jìn)入熱影響區(qū)后逐漸降低。

2. 熱處理能夠有效降低焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力，焊縫區(qū)降幅達(dá)20%。此類焊縫的焊接工藝應(yīng)該明確焊前預(yù)熱和焊后熱處理要求。熱處理工藝根據(jù)管材、板材不同有所差別，但焊前預(yù)熱溫度為130-160℃，焊后熱處理溫度控制在550-650℃。

3. 封閉焊縫比半封閉焊縫的應(yīng)力集中程度高。在封閉焊縫中，軸向焊縫在焊趾處產(chǎn)生的應(yīng)力集中較大，環(huán)向焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中較小。