郭 瑞，薛 河，崔英浩

(1.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054；2.布魯內(nèi)爾大學 工程設(shè)計與自然科學學院，英國 倫敦 UB8 3PH)

0 引 言

中國在運行和在建的核電站以壓水堆型為主，反應堆建造過程中各種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的連接廣泛采用焊接方式。壓水堆一回路存在眾多由異種金屬焊接而成的安全端，由于其工作環(huán)境為高溫高壓輻照水環(huán)境，極易產(chǎn)生由水化學因素、材料因素和力學因素共同導致的環(huán)境致裂[1]，其中以應力腐蝕開裂(SCC)為代表的環(huán)境致裂是影響核電設(shè)備長期安全運行的關(guān)鍵問題之一[2]。國際上核電先進國家長期運行的經(jīng)驗表明，以應力腐蝕開裂為代表的環(huán)境致裂已成為壓水堆構(gòu)件失效的主要原因之一[3-4]。

自發(fā)現(xiàn)壓水堆一回路中異種焊接件的SCC以來，針對焊接件SCC行為和機理，研究者采用實驗[5-6]、分析和模擬[7]等手段圍繞材料微觀結(jié)構(gòu)[8]、殘余應力[9]和水化學[10-11]等主要影響因素開展了研究，研究發(fā)現(xiàn)，焊接過程所產(chǎn)生的焊接殘余應力是導致應力開裂的主要原因[12]。同時，這些異種金屬焊接構(gòu)件由于焊接母材的顯著差異[13]，焊接和焊后處理中會產(chǎn)生一系列材料和力學問題[14]。安全端中應力腐蝕開裂裂紋受殘余應力、材料不均勻性和組織不均勻性等眾多因素的影響，使得裂紋尖端力學氛圍變得復雜。

焊接殘余應力主要是由焊接結(jié)構(gòu)在焊接過程中材料相變和熱脹冷縮產(chǎn)生的殘余應變形成的[15]，有時會達到甚至超過材料的屈服應力[16]，且核電站安全端的工作載荷相對較小，焊接殘余應力便成為SCC裂紋擴展的主要驅(qū)動載荷。國外對于核電關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中殘余應力對其中SCC裂紋尖端的影響已有較深入的研究。Fricke等人通過數(shù)值模擬手段模擬焊接過程Hayashi等利用數(shù)值模擬手段對壓水堆和沸水堆中安全端焊接接頭殘余應力與SCC裂紋擴展速率的影響關(guān)系做了研究和對比；Zhao Lingyan等通過對壓水堆安全端焊接接頭受力學性能不均勻性影響的SCC裂尖應力應變進行了分析，認為材料失配會導致其中裂尖局部應力和塑性應變的變化[17]；另外侯娟等通過實驗發(fā)現(xiàn)，異種金屬焊接接頭中焊接界面可能導致裂紋擴展速率和方向的改變[18]，可知力學性能不均勻性對于焊件中的裂紋有很大影響。

有限元(FEM)軟件作為一種數(shù)值模擬實驗工具，現(xiàn)已被學術(shù)界廣為接受[19]。文中利用ABAQUS有限元軟件模擬核電反應堆一回路壓力容器安全端焊接接頭裂紋裂尖力學場，研究壓力容器安全端異種金屬焊接結(jié)構(gòu)中焊接殘余應力對擴展裂紋尖端力學參量的影響。

1 模型的建立

壓水堆一回路壓力容器安全端焊接接頭示意圖，如圖1所示，焊接管壁厚度74 mm，按材料共可劃分為5個區(qū)域。對如圖1所示的幾何模型做合理簡化，將焊接部位簡化為長160 mm，寬74 mm的二維平面應變模型，寬度方向模擬焊接結(jié)構(gòu)中的管壁厚方向，如圖2所示。

圖1 幾何模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometric model

圖2 模型幾何尺寸示意圖(mm)Fig.2 Schematic diagram of model geometric measurement(mm)

壓水堆一回路壓力容器安全端焊接接頭軸向殘余應力場分布曲線，如圖3所示。

圖3 導入應力法模擬軸向殘余應力Fig.3 Simulation of axial residual stress by the method of stress import

為避免因材料力學不均勻?qū)е碌念A加的殘余應力場分布的變化，文中采用有限元軟件預定義分析場在如圖2的二維模型上施加模擬溫度場，同時對模型中的所有區(qū)域的材料均定義為同一種線彈性材料，并定義y方向的膨脹系數(shù)，并對y方向兩側(cè)施加全約束邊界條件，得出軸向焊接模擬殘余應力分布。另建立完全相同的有限元模型，材料按照見表1的核電一回路安全端焊接接頭真實情況定義。保持y方向兩側(cè)邊界約束保持不變，通過預定義場導入均質(zhì)線彈性材料模型中擬出的殘余應力場，作為本課題研究的有限元模型。通過與原始標準數(shù)據(jù)作比較[9]，得出圖3，顯然，通過導入應力場得出的殘余應力分布是比較合理的。

表1 焊接接頭試樣的材料性能Tab.1 Material property of welded joint specimen

為了研究裂紋長度對核電一回路壓力容器安全端殘余應力場下的裂尖應力應變的影響，故在如圖2所示的幾何模型中182焊材區(qū)域每5 mm分別建立裂紋模型，得出裂紋存在或擴展到該點時殘余應力場對于其裂尖應力應變場的影響。本文所有模型均采用同樣的裂紋尖端網(wǎng)格細化，以保證數(shù)據(jù)模擬結(jié)果的精確性。單元采用平面應變CPE8R型，模型單元數(shù)量約30 000.

2 計算結(jié)果及分析

圖4～圖8為裂紋擴展到長度為5，10，15，20，25，30 mm時裂尖處直徑1 mm范圍內(nèi)的應力應變和J積分分布。

圖4 距內(nèi)壁不同長度裂紋尖端Y向拉伸應力分布Fig.4 Tensile stress distributions on Y direction at different length crack tips from inner wall

如圖4(a)～(c)所示，當裂紋長度小于15 mm時，裂紋尖端Y向拉伸應力隨著裂紋長度的增大而增大；如圖4(c)～(f)中當裂紋長度大于15 mm，裂紋尖端Y向拉伸應力隨著裂紋長度的增大而減小，這與焊接結(jié)構(gòu)中的焊接殘余應力分布趨勢一致，從而說明焊接殘余應力對于焊縫中裂紋尖端的應力分布有很大的影響。

另外觀察圖4中的(e)和(f)，可明顯看出(e)中，Y向拉伸應力分布在焊縫兩側(cè)不均勻，這是由于此處的焊接軸向殘余應力為壓應力，裂紋均靠近焊接界面，焊接結(jié)構(gòu)的力學性能不均勻性導致其應力分布的不均勻；而(f)中，Y向拉伸應力全部低于200 MPa，小于材料的屈服應力。

提取裂紋裂尖0.02 mm處應力值繪制裂尖Y向拉伸應力分布曲線，如圖5所示，與普通Ⅰ型裂紋不同，該結(jié)構(gòu)中的裂尖應力并非隨裂紋長度的增大而持續(xù)增加。在裂紋長度達到10 mm之前，裂紋尖端Y向拉伸應力隨裂紋長度的增大而增大，裂紋長度大于10 mm后，裂尖應力隨裂紋長度的增大而減小。且從圖中可知當a=30 mm時，裂尖拉伸應力為負值，無裂尖奇異性，即裂尖受到壓應力影響，說明殘余應力不再驅(qū)動該裂紋。對照圖3繪出的殘余應力分布曲線，可知距離管內(nèi)壁10～30 mm范圍內(nèi)焊接殘余應力為遞減趨勢，且在20～60 mm范圍內(nèi)焊接殘余應力均為負值，可知殘余應力分布趨勢與裂紋尖端拉伸應力分布趨勢呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 裂紋尖端區(qū)域Y向拉伸應力分布曲線Fig.5 Tensile stress distribution on Y derection curve at crack tips

圖6 距內(nèi)壁不同長度裂紋尖端Y向塑性應變分布Fig.6 Tensile plastic strain distributions on Y directionat different length crack tips from inner wall

如圖6(a)～(f)所示，核電一回路壓力容器安全端焊接接頭中長度在5～30 mm區(qū)間的裂紋，其裂尖Y向拉伸塑性應變隨裂紋長度的增大而減小，當裂紋長度達到25 mm時，裂尖1 mm范圍內(nèi)的Y向拉伸塑性應變已經(jīng)很小，裂紋長度達到30 mm時，裂尖Y向拉伸塑性應變?nèi)康陀?.此處關(guān)注圖中的(f)，其裂尖Y向塑性拉伸應變已小于0，由此可推測，此裂尖處不再受到Y(jié)向拉伸應力，認為該結(jié)構(gòu)中30 mm裂紋不受軸向焊接殘余應力驅(qū)動。

提取裂紋裂尖0.02 mm處應變值繪制裂尖Y向拉伸塑性應變分布曲線。如圖7所示，長度為5 mm的裂紋裂尖區(qū)域Y向拉伸應變最大。裂尖Y向拉伸塑性應變整體趨勢為隨著裂紋長度的增大而減小，該趨勢與結(jié)構(gòu)中焊接殘余應力分布趨勢總體一致，說明焊接殘余應力對結(jié)構(gòu)中裂尖應變有重要影響。注意長度為30 mm的裂紋，其裂尖區(qū)域Y向拉伸塑性應變?yōu)?，說明軸向焊接殘余應力已不再驅(qū)動該裂紋擴展。

圖7 裂紋尖端區(qū)域Y向拉伸塑性應變分布趨勢Fig.7 Tensile plastic strain distribution on Y direction trend curve at crack tips

提取這6個不同長度裂紋的J積分值，繪制曲線，如圖8所示。長度小于10 mm的裂紋擴展驅(qū)動力隨裂紋長度增大而增大，之后隨著裂紋長度的增加，裂紋擴展驅(qū)動力逐漸降低，最終在裂紋長度為30 mm時降至0，裂紋可能停止擴展。

圖8 焊縫中6個取樣長度裂紋J積分趨勢Fig.8 J-integral distribution for 6 sample length cracks in welding line

3 結(jié) 論

1)一回路壓力容器安全端殘余應力非均布，其中裂紋裂尖拉伸應力先升高，后逐漸降至負值。拉伸塑性應變隨裂紋長度的增大而減小。J積分分布與殘余應力分布最為接近，但略有滯后；

2)壓力容器安全端軸向裂紋受軸向焊接殘余應力作用，各力學參量在裂紋擴展到壁厚的40%時均降至0，可能導致SCC裂紋擴展停滯。

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