34256

(1.上海電氣核電集團(tuán)有限公司，上海 201306;2.上海核電裝備焊接及檢測工程技術(shù)研究中心，上海 201306;3.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳 518172;4.核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518172;5.上海電氣核電設(shè)備有限公司，上海 201306;6.上海交通大學(xué)，上海 201306)

0 引言

核能具有能量密度高、潔凈、低碳的特點(diǎn)，核電發(fā)展對保障我國能源供應(yīng)與安全，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展、提升我國綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力、工業(yè)技術(shù)水平和國際地位具有重要的戰(zhàn)略意義[1-3]。壓水堆核電站是目前世界在運(yùn)行和在建的主要堆型，接管安全端異種金屬焊接接頭是壓水堆核電站核島主設(shè)備一回路的關(guān)鍵焊接接頭。壓水堆核電站接管安全端主要有兩種類型：根據(jù)美國西屋公司(West House)的設(shè)計(jì)要求，接管安全端焊接接頭帶鎳基合金隔離層，制造過程中先在低合金鋼接管端面堆焊鎳基合金隔離層，再與不銹鋼安全端采用鎳基合金焊材進(jìn)行對接焊；根據(jù)法國阿海琺公司(AREVA)的設(shè)計(jì)要求，不需要在接管端面堆焊隔離層，直接對低合金鋼接管和不銹鋼安全端采用鎳基合金焊材進(jìn)行焊接。兩種類型接管安全端焊接接頭在焊材消耗量、尤其是制造周期上存在明顯的差異。

目前對于接管安全端焊接接頭的研究，主要集中在殘余應(yīng)力研究方面[4-8]，對斷裂韌性研究較少，對帶鎳基合金隔離層和不帶隔離層兩種類型接管安全端焊接接頭的常溫?cái)嗔秧g性進(jìn)行對比研究，可以為選擇合理類型的接管安全端提供數(shù)據(jù)支撐，因此具有重要的工程意義。

1 試驗(yàn)

分別制備了帶鎳基合金隔離層和無隔離層兩種接管安全端焊接接頭，如圖1(a)和圖1(b)所示。

(a)帶隔離層安全端接頭 (b)無隔離層安全端接頭

圖1 兩種類型接管安全端焊接接頭

針對帶鎳基合金接頭，先在SA508Gr.3Cl.2低合金鋼接管內(nèi)壁堆焊不銹鋼(用WS1表示);接著在接管近端面的內(nèi)壁堆焊鎳基合金(用WS2表示);然后在接管端面堆焊鎳基合金隔離層(用WS3表示)，隔離層堆焊完成后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理；最后進(jìn)行接管與不銹鋼安全端的對接焊(用WS4表示)，對接焊后不進(jìn)行熱處理。而對于無隔離層的安全端接頭，WS1和WS2分別為在低合金鋼接管內(nèi)壁和在接近端面的內(nèi)壁堆焊不銹鋼和鎳基合金，最后采用鎳基合金焊材進(jìn)行接管和安全端的對接焊(WS4)，對接焊后進(jìn)行熱處理。

兩種類型安全端接頭對接完成后的滲透檢測(PT)、超聲檢測(UT)、射線檢測(RT)結(jié)果均滿足要求，成分、組織及性能檢測結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

對帶鎳基合金隔離層和無隔離層接管安全端焊接接頭取樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。根據(jù)ASTM E1820標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，三點(diǎn)彎曲SEN(B) 試樣的尺寸如圖2所示，試樣寬度W=18 mm,厚度B=12 mm,裂紋深度比a/W=0.5，試樣長度為124 mm,加載跨距S=4W=72 mm。試樣的初始裂紋位置情況如表1所示。

圖2 三點(diǎn)彎曲SEN(B)試樣

表1 試樣初始裂紋位置

2 常溫J-R阻力曲線和斷裂韌性計(jì)算及分析

2.1 常溫J-R阻力曲線和斷裂韌性計(jì)算

用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測得的裂紋擴(kuò)展的載荷-位移曲線、初始裂紋長度a0和最終裂紋擴(kuò)展長度af，通過計(jì)算，獲得J積分和裂紋擴(kuò)展長度Δa之間的關(guān)系曲線，即J-R曲線[9,11]。將初始裂紋長度a0代入式(1)計(jì)算得到裂紋尖端開動(dòng)力Ji和修正裂紋長度abi。

(1)

式中Ki——對應(yīng)載荷點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子,MPa·m1/2；

υ，E——材料的泊松比和彈性模量(MPa)；

Jpli——對應(yīng)載荷Pi和初始裂紋長度a0的塑性J積分,kJ/m2；

ηpl——塑性因子，取值為1.9；

Apli——載荷-塑性位移曲線下圍成的面積,mm2；

BN——試樣的有效厚度(不開側(cè)向槽時(shí)BN=B),mm;

b0——初始韌帶尺寸，即試樣寬度與初始裂紋長度的差,mm；

σY——流變應(yīng)力，為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度和的一半,MPa。

然后根據(jù)修正裂紋長度abi和載荷-位移數(shù)據(jù)，并根據(jù)式(2)計(jì)算得到歸一化載荷PNi和歸一化塑性位移vpli。

(2)

式中W，B——試樣的寬度和厚度,mm;

Ci——對應(yīng)裂紋長度ai的彈性柔度。

對于載荷-位移曲線上的最后一點(diǎn)，按照最終裂紋長度af求取歸一化載荷PNf和歸一化塑性位移vplf，定義數(shù)對(PNf，vplf)為對應(yīng)的停機(jī)錨點(diǎn)。選取vpli<0.001 和載荷-位移曲線上的最大載荷Pmax之前的歸一載荷及塑性位移數(shù)對(PNi，vpli)，連同停機(jī)錨點(diǎn)的歸一載荷及塑性位移數(shù)對(PNf，vplf)，作出試樣的歸一載荷-塑性位移曲線,然后對歸一載荷-塑性位移曲線按照公式(3)擬合，得到擬合方程，要求擬合線最后一點(diǎn)和錨點(diǎn)的誤差在1%以內(nèi)。

(3)

式中c1，c2，c3，c4——曲線擬合系數(shù)。

得到式(3)的擬合方程后，在初始裂紋長度a0和最終裂紋長度af之間劃分若干裂紋長度段，分別為(a0，a0Δa，a02Δa，，，af)，之后將劃分裂紋長度段代入式(4)并從載荷-位移曲線上最后一點(diǎn)逆推載荷-位移數(shù)對(Pi，Vi)，當(dāng)滿足φ小于或等于0.01時(shí)，認(rèn)為載荷-位移數(shù)對(Pi，Vi)和裂紋長度ai是對應(yīng)的。

(4)

最后由載荷-位移數(shù)對(Pi，Vi)和裂紋長度ai，按照式(1)和式(4)計(jì)算對應(yīng)的裂紋尖端驅(qū)動(dòng)力Ji(ai)。

(5)

由裂紋長度ai和初始裂紋長度a0的差，計(jì)算得到裂紋擴(kuò)展長度Δai。將Δai和Ji(ai)在圖上作出并用冪律函數(shù)擬合即得到試樣的J-Δa裂紋擴(kuò)展阻力曲線。

2.2 常溫J-R阻力曲線和斷裂韌性結(jié)果及分析

兩種類型接管安全端焊接接頭各材料區(qū)常溫三點(diǎn)彎曲試樣的載荷-位移(P-V)曲線如圖3，4所示。

(a)SA508區(qū) (b)隔離層52Mb區(qū)

(c)焊縫52Mw區(qū) (d)316L區(qū)

圖3 常溫下含隔離層接頭各區(qū)裂紋試樣的載荷-位移曲線

(a)SA508區(qū)

(b)焊縫52Mw區(qū)

(c)316L區(qū)圖4 常溫下無隔離層接頭各區(qū)裂紋試樣的 載荷-位移曲線

載荷-位移(P-V)曲線下的面積為試樣從變形到斷裂所吸收的能量，用于計(jì)算裂紋擴(kuò)展阻力曲線(J-R曲線)和延性斷裂韌性J1c。P-V曲線所圍面積越大，表示材料的抗斷裂性能越好。從圖3，4可以看出，兩種類型焊接接頭中的界面裂紋(如SA508/52Mb界面，52Mw/316L界面，52Mb/52Mw界面等)試樣的P-V曲線所圍面積小于SA508區(qū)、52Mb,52Mw,152W區(qū)及316L區(qū)(其中316L區(qū)P-V曲線所圍面積較大，而SA508區(qū)P-V曲線所圍面積較小，52Mb,52Mw及152W區(qū)介于兩者之間)，表明界面抗延性斷裂的性能最差，316L區(qū)抗延性斷裂性能最好，52Mb,52Mw及152W區(qū)抗延性斷裂性能在SA508區(qū)和316L區(qū)之間。

圖5,6是兩種類型安全端接頭的延性裂紋擴(kuò)展阻力曲線(J-R曲線)，即J積分與裂紋擴(kuò)展長度Δa之間的關(guān)系曲線。材料的J-R阻力曲線一般用于核承壓設(shè)備的延性撕裂評定和破前泄漏(LBB)安全分析。在相同裂紋擴(kuò)展長度Δa下，J積分(斷裂吸收能)大的材料，其裂紋擴(kuò)展阻力大，安全性高。從圖5,6中可以看出，在每種焊接接頭中的界面裂紋(如SA508/52Mb界面，52Mw/316L界面，52Mb/52Mw界面等)的J-R阻力曲線最低，這表明接頭中不同材料界面處對延性裂紋的擴(kuò)展阻力最小，一般是接頭的最薄弱環(huán)節(jié)；此外，SA508區(qū)裂紋試樣J-R阻力曲線均較低，而316L區(qū)裂紋試樣的J-R阻力曲線均較高，52Mb，52Mw及152W區(qū)裂紋試樣的J-R阻力曲線介于SA508區(qū)和316L區(qū)之間，這表明每種接頭中SA508區(qū)的裂紋擴(kuò)展阻力較低，316L區(qū)的裂紋擴(kuò)展阻力較高，52Mb，52Mw及152W區(qū)的裂紋擴(kuò)展阻力介于SA508和316L之間。對比每種接頭中相同裂紋位置試樣可以看出，含隔離層試樣的裂紋擴(kuò)展阻力略高于無隔離層試樣的裂紋擴(kuò)展阻力。

基于圖5，6的J-R阻力曲線，按照ASTM E1820用裂紋擴(kuò)展0.2 mm的鈍化線方法測定的兩種接頭各區(qū)域的延性斷裂韌性J1c值(J1c值表征材料對延性起裂的阻力)列于表2?？梢钥闯?，在每種接頭中，界面裂紋的J1c最低，帶鎳基合金隔離層接頭中，低合金鋼與隔離層界面的斷裂韌性為376 kJ/m2，鎳基合金對接焊縫與不銹鋼界面的斷裂韌性為317 kJ/m2。無隔離層接頭低合金鋼與鎳基合金焊縫界面的斷裂韌性為289 kJ/m2，鎳基合金對接焊縫與不銹鋼界面的斷裂韌性J1c=365 kJ/m2，這表明界面處的裂紋最容易起裂，含隔離層接頭試樣的斷裂韌性略高于無隔離層接頭試樣的斷裂韌性。

(a)SA508區(qū) (b)隔離層52Mb區(qū)

(c)焊縫52Mw區(qū)

(d)316L區(qū)

圖5 常溫下含隔離層接頭各區(qū)裂紋試樣的J-R阻力曲線

圖5,6及表2表明，兩種類型接管安全端焊接接頭中，界面和近界面裂紋的J-R曲線和延性斷裂韌性J1c低于其他區(qū)域，是接頭發(fā)生斷裂的薄弱環(huán)節(jié)。其主要原因，一方面是當(dāng)裂紋位于焊接接頭各材料區(qū)界面及近界面時(shí)，此處存在較大的力學(xué)性能不均勻性，強(qiáng)度及硬度較高，并存在較大變化，接頭界面區(qū)域主要是焊接熔合區(qū)和粗晶熱影響區(qū)，其高的強(qiáng)度和硬度及低的塑性源于復(fù)雜的成分和組織，由于材料韌性是由強(qiáng)度和塑性綜合所決定的性能，過高的強(qiáng)度/硬度及低塑性的材料組織易于裂紋的起裂和擴(kuò)展，因而其斷裂韌性較低；另一方面，界面裂紋兩側(cè)材料存在較大的強(qiáng)度失配(強(qiáng)度的劇烈變化)，在高載荷作用下，裂尖大范圍的塑性區(qū)一般呈非對稱分布，并主要在低強(qiáng)度材料一側(cè)發(fā)展，導(dǎo)致低強(qiáng)度材料一側(cè)產(chǎn)生高的三軸應(yīng)力，從而推動(dòng)裂紋向低強(qiáng)度材料一側(cè)擴(kuò)展，從而引起裂紋擴(kuò)展阻力和斷裂韌性的降低[12-13]。

對于兩種類型接管安全端焊接接頭中的母材和焊縫金屬中心裂紋，由于其強(qiáng)度較低和塑性較高，且裂紋兩側(cè)的材料不存在強(qiáng)度失配和材料拘束效應(yīng)，因此其延性斷裂韌性比界面區(qū)裂紋高。

(a)SA508區(qū)

(b)焊縫52Mw區(qū)

(c)316L區(qū)圖6 常溫下無隔離層接頭各區(qū)裂紋試樣的J-R阻力曲線

表2接頭各位置的延性斷裂韌性J1c

接頭類型裂紋位置斷裂韌性J1c/(kJ·m-2)帶隔離層接頭SA508506SA508-SA508/52Mb458SA508/52Mb37652Mb-SA508/52Mb51352Mb center79852Mb-52Mb/52Mw55252Mb/52Mw48352Mw-52Mb/52Mw62052Mw center50652Mw-52Mw/316L41752Mw/316L317316L-52Mw/316L716316L center984無隔離層接頭SA508488SA508-SA508/52Mw367SA508/52Mw28952Mw-SA508/52Mw54552Mw center46552Mw-52Mw/316L42552Mw/316L365316L-52Mw/316L503316L center904

3 結(jié)論

對帶鎳基合金隔離層和無隔離層兩種類型接管安全端焊接接頭進(jìn)行常溫?cái)嗔秧g性對比研究，獲得的研究結(jié)果主要有以下方面。

(1)接頭焊縫區(qū)裂紋試樣的J-R阻力曲線和斷裂韌性高于SA508區(qū)域，低于316L區(qū)域。

(2)接頭界面裂紋的J-R阻力曲線和斷裂韌性最低，接頭中不同材料的界面區(qū)域的延性裂紋起裂和擴(kuò)展阻力最小，是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

(3)含隔離層接頭中熔合區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫中心區(qū)的J-R阻力曲線和斷裂韌性J1c略高于無隔離層接頭的各對應(yīng)區(qū)域。

(4)無隔離層接管安全端接頭的J-R阻力曲線和斷裂韌性可以達(dá)到含隔離層接頭的斷裂韌性水平。