宋世杰 金亮 葉序彬 黃騰飛 匡艷軍

摘要：采用一種免焊后熱處理的回火焊道焊接工藝在碳鋼試板上進(jìn)行反應(yīng)堆壓力容器用低合金鋼焊絲堆焊工藝試驗，獲取低合金鋼焊絲焊態(tài)熔敷金屬。根據(jù)ASTM E466和ASTM E606標(biāo)準(zhǔn)對焊態(tài)熔敷金屬進(jìn)行室溫下低周和高周疲勞性能試驗，并使用Coffin-Mansion方程與三參數(shù)方程擬合焊態(tài)熔敷金屬低周疲勞和高周疲勞壽命曲線。同時，根據(jù)核電設(shè)備設(shè)計規(guī)范RCC-M中推薦的修正系數(shù)對試驗獲得的疲勞曲線進(jìn)行修正，獲得修正后的S-N曲線，并與RCC-M規(guī)范中低合金鋼疲勞設(shè)計曲線進(jìn)行對比。試驗結(jié)果表明：基于RCC-M修正后的焊態(tài)熔敷金屬低周疲勞S-N曲線與RCC-M中的低合金鋼低周疲勞設(shè)計曲線基本重合;基于RCC-M修正后的焊態(tài)熔敷金屬高周疲勞S-N曲線位于RCC-M中的低合金鋼高周疲勞設(shè)計曲線之上。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆壓力容器;焊態(tài);熔敷金屬;S-N曲線;疲勞設(shè)計曲線

中圖分類號：TG406? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0051-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.09

0? ? 前言

反應(yīng)堆壓力容器（RPV）是核電站重要部件之一，長期處于高溫、高壓工作狀態(tài)。在服役期間，隨著時間的增加會出現(xiàn)需要焊接返修的缺陷。通常，RPV用低合金鋼在焊接返修過程中因焊接熱循環(huán)作用會產(chǎn)生修復(fù)部位殘余應(yīng)力增加、熱影響區(qū)韌性下降等問題，傳統(tǒng)焊接修復(fù)后需采用熱處理工藝來改善修復(fù)區(qū)域的性能。然而，核電廠大型設(shè)備在制造、役前及在役期間，基于一些客觀條件（如：核電設(shè)備的大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，焊后熱處理會帶來不可預(yù)知的變形風(fēng)險;現(xiàn)場熱處理條件不具備以及時間成本等問題）無法實施焊后熱處理。生產(chǎn)現(xiàn)場通常采用回火焊道對補焊位置進(jìn)行處理?；鼗鸷傅篮附蛹夹g(shù)無需焊后熱處理，是利用層道間的焊接熱循環(huán)作用達(dá)到焊后熱處理的效果。回火焊道焊接修復(fù)后焊態(tài)熔敷金屬的疲勞性能能否滿足核電設(shè)備設(shè)計規(guī)范RCC-M規(guī)范要求，對于核電站的安全運行至關(guān)重要。但目前國內(nèi)文獻(xiàn)資料尚無相關(guān)研究。

文中采用一種免焊后熱處理的回火焊道焊接工藝在碳鋼試板上進(jìn)行低合金鋼焊絲堆焊工藝試驗，獲取低合金鋼焊態(tài)熔敷金屬。根據(jù)ASTM E466和ASTM E606標(biāo)準(zhǔn)對焊態(tài)熔敷金屬進(jìn)行室溫下的低周疲勞和高周疲勞性能試驗，以獲取疲勞循環(huán)壽命，并使用Coffin-Mansion方程與三參數(shù)方程擬合出焊態(tài)熔敷金屬的低周疲勞和高周疲勞壽命曲線。同時，根據(jù)設(shè)計規(guī)范RCC-M中推薦的修正系數(shù)對試驗獲得的疲勞曲線進(jìn)行修正，獲得修正后的S-N曲線。對比試驗獲得的疲勞壽命曲線與RCC-M中低合金鋼疲勞設(shè)計曲線的保守性，為反應(yīng)堆壓力容器免熱處理的焊接修復(fù)及疲勞力學(xué)評價提供數(shù)據(jù)支撐[1-7]。

1 試驗材料與方法

1.1 疲勞試樣制備

在室溫下采用一種免焊后熱處理的回火焊道焊接工藝在Q235鋼板（規(guī)格400 mm×280 mm×20 mm）上進(jìn)行低合金鋼焊絲堆焊工藝試驗，焊絲是一種自主研制的反應(yīng)堆壓力容器配套用低合金焊絲（成分保密），規(guī)格φ1.0 mm，采用機械-鎢極惰性氣體保護焊，堆焊熔敷金屬厚度至少為20 mm，并進(jìn)行疲勞試驗取樣，如圖1所示。

試驗所獲得的焊態(tài)熔敷金屬（見圖2）的顯微組織及力學(xué)性能（見表1）均滿足設(shè)計要求。疲勞試驗試樣形式及尺寸根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E466和ASTM E606）統(tǒng)一采用圓型棒狀試樣（見圖3、圖4）。

1.2 疲勞試驗過程

采用MTS 370 100KN電液伺服材料試驗機和Flextest 40控制系統(tǒng)進(jìn)行疲勞試驗，采用MTS 632.27F引伸計測量應(yīng)變，試驗機載荷傳感器和引伸計精度為0.5級，試驗溫度為23 ℃。

高周疲勞試驗采用應(yīng)力控制，按ASTM E466-2007標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，分別取3個應(yīng)力水平σmax=400 MPa、370 MPa、360 MPa進(jìn)行高周疲勞試驗，試驗頻率10 Hz，應(yīng)力比R=-1，加載波形為正弦波。

低周疲勞試驗采用應(yīng)變控制，按ASTM E606-2012標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，分別取5個應(yīng)變量εmax=2.3%、1.5%、0.8%、0.5%、0.4%進(jìn)行低周疲勞試驗，試驗加載速率為0.5%/s，應(yīng)變比R=-1，加載波形為三角波。

試樣失效壽命為試樣斷裂時對應(yīng)循環(huán)次數(shù)。

2 試驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

2.1 高周疲勞試驗結(jié)果

根據(jù)高周疲勞各應(yīng)力水平下測得的疲勞壽命，以應(yīng)力幅為縱坐標(biāo)，疲勞壽命為橫坐標(biāo)，得到焊態(tài)熔敷金屬的應(yīng)力幅-疲勞壽命關(guān)系。

通常在對數(shù)坐標(biāo)系中，應(yīng)力幅與疲勞壽命之間呈線性關(guān)系[1]。經(jīng)前期試驗驗證，三參數(shù)數(shù)學(xué)模型可以擬合應(yīng)力幅與疲勞壽命的關(guān)系[3]

采用最小二乘法原理對高周疲勞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示。三參數(shù)數(shù)學(xué)模型中，σt/2表示試樣所受的最大應(yīng)力，N為循環(huán)次數(shù);A1、A2、A3為擬合常數(shù)，擬合方程如下：

由圖5可知，隨著應(yīng)力水平提高，熔敷金屬疲勞壽命呈現(xiàn)下降趨勢。在同一應(yīng)力水平下，其疲勞壽命分散性較小。在360 MPa應(yīng)力水平時疲勞壽命為1×106次左右。

2.2 低周疲勞試驗結(jié)果

同理，對熔敷金屬低周疲勞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理。在低周疲勞試驗中，一個循環(huán)中加、卸載方向存在兩次損傷，采用反向次數(shù)2Nf與應(yīng)變幅Δεt/2的關(guān)系得到Δεt/2-2Nf曲線，表征低周疲勞臨界破壞行為。采用Coffin-Manson表達(dá)應(yīng)變-壽命曲線的關(guān)系式為

式中 第一項為彈性部分，反映了彈性應(yīng)變幅與壽命之間的關(guān)系;σf'為疲勞強度系數(shù);b為疲勞強度指數(shù)，是lg（Δεt/2）-lg（2Nf）或lg（Δεe/2）-lg（2Nf）曲線的斜率。第二部分為塑性部分，反映塑性應(yīng)變幅與壽命之間的關(guān)系;εf'為疲勞延性系數(shù)，是lg（Δεp/2）-lg（2Nf）或曲線上2Nf =1處的縱坐標(biāo)截距; c為疲勞強度指數(shù)，是lg（Δεp/2）-lg（2Nf）曲線的斜率。采用Coffin-Manson壽命模型對堆焊金屬低周疲勞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到ε-N關(guān)系，即

由于Δεt可分為彈性分量Δεe與塑性分量Δεp，故可得到彈性分量線Δεe/2-2Nf與塑性分量線Δεp/2-2Nf。由圖6可知，在2×104壽命范圍內(nèi)，對疲勞壽命的影響以塑性應(yīng)變幅為主，彈性應(yīng)變幅的影響可以忽略。這反映了此熔敷金屬在低壽命區(qū)的疲勞壽命特征與高周疲勞壽命特征的不同：高周疲勞條件下，金屬在彈性范圍內(nèi)循環(huán)加載，不受塑性影響。

2.3 基于RCC-M修正后的疲勞曲線

基于RCC-M規(guī)范給出的疲勞曲線修正方法，對低合金鋼焊絲焊態(tài)熔敷金屬疲勞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以驗證其應(yīng)用于反應(yīng)堆壓力容器的焊接修復(fù)的可能性。

為了得到相對保守的疲勞設(shè)計曲線，RCC-M規(guī)范考慮到被測試樣與實際部件幾何結(jié)構(gòu)之間的相似性、執(zhí)行的測試次數(shù)以及與材料使用溫度相比較的測試溫度，定義ks與kn兩個參數(shù)用來對真實試驗結(jié)果進(jìn)行修正，定義如下：

式中 ksl為尺寸對疲勞壽命的影響因子; ksf為表面粗糙度對疲勞壽命的影響因子;kst為溫度對疲勞壽命的影響因子;kss為統(tǒng)計分散性對試驗結(jié)果的影響因子。

取ks=2，kn=20，kn=ks4.3作為參數(shù)，將試驗室光滑小試樣得出的疲勞數(shù)據(jù)應(yīng)用于建立相對保守的部件疲勞曲線[2]。每個試驗結(jié)果給出一個應(yīng)力-壽命點（Δσt，N），然后，利用系數(shù)ks和kn建立另外兩個修正點：（Δσt/ks，N）和（Δσt，N/kn），將所有結(jié)果進(jìn)行修正后，選取其中外圍的修正點，通過三參數(shù)數(shù)學(xué)模型lgN=A1+A2lg（Δσmax+A3）進(jìn)行擬合，建立疲勞曲線，使得曲線包絡(luò)所有修正點。

針對焊態(tài)熔敷金屬高周疲勞試驗數(shù)據(jù)，采用上述修正方法，獲得修正后S-N曲線關(guān)系如下：

與RCC-M規(guī)范疲勞設(shè)計曲線對比如圖7a所示，修正后的S-N曲線完全在疲勞設(shè)計曲線上方，有充足的安全裕量。

針對焊態(tài)熔敷金屬低周疲勞試驗數(shù)據(jù)，為了得到材料的應(yīng)力壽命曲線，根據(jù)RCC-M規(guī)范，首先假定材料為完全彈性行為，按照胡克定律σ=E·ε，將低周疲勞試驗參數(shù)應(yīng)變范圍Δεt/2轉(zhuǎn)化為應(yīng)力范圍，即：

式中 焊態(tài)熔敷金屬彈性模量E=210 GPa。

取ks=2，kn=20分別應(yīng)用于應(yīng)力范圍與壽命中，得到（Δσt/ks，N）與（Δσt，N/kn）關(guān)系，選取當(dāng)中外圍的修正點，并通過三參數(shù)數(shù)學(xué)模型lgN=A1+A2lg（Δσmax+A3）進(jìn)行S-N曲線擬合，得到擬合關(guān)系為：

將修正后的焊態(tài)熔敷金屬低周S-N曲線與RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中低合金鋼疲勞設(shè)計曲線進(jìn)行對比，如圖7b所示?？梢钥闯觯拚蟮暮笐B(tài)熔敷金屬S-N曲線與RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中低合金鋼疲勞設(shè)計曲線有部分重合：在高應(yīng)力區(qū)，試驗得到的疲勞曲線在設(shè)計疲勞曲線之下;在低應(yīng)力區(qū)，試驗得到的疲勞曲線在設(shè)計疲勞曲線上方。在較低的應(yīng)力區(qū)間范圍內(nèi)，低合金鋼焊絲焊態(tài)熔敷金屬滿足RCC-M規(guī)范設(shè)計疲勞曲線標(biāo)準(zhǔn)，可用于指導(dǎo)反應(yīng)堆壓力容器焊接返修熔敷金屬疲勞性能的力學(xué)評價。

3 結(jié)論

（1）低合金鋼焊絲焊態(tài)熔敷金屬高周疲勞壽命隨加載應(yīng)力幅的降低而增大。

（2）根據(jù)RCC-M疲勞曲線修正方法，修正后的焊態(tài)熔敷金屬低周疲勞曲線與RCC-M中的低合金鋼低周疲勞設(shè)計曲線有部分重合，在低應(yīng)力區(qū)，試驗得到的疲勞曲線在設(shè)計疲勞曲線的上方;高周疲勞曲線位于RCC-M中的低合金鋼高周設(shè)計疲勞曲線之上。

（3）通過對低合金鋼焊絲焊態(tài)熔敷金屬疲勞性能的研究，表明焊態(tài)熔敷金屬的高、低周疲勞性能在較低的應(yīng)力范圍內(nèi)均滿足RCC-M規(guī)范要求，可用于指導(dǎo)反應(yīng)堆壓力容器焊接返修熔敷金屬疲勞性能的力學(xué)評價。

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