□ 吳 瓊 □ 楊 俊 □ 許文濤

上海電氣核電設(shè)備有限公司 上海 201306

1 研究背景

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站最重要的核心設(shè)備之一[1],其質(zhì)量是核電站主設(shè)備制造商最重視的問(wèn)題,任何偏離設(shè)計(jì)要求與標(biāo)準(zhǔn)的操作,都有可能造成質(zhì)量缺陷。

蒸汽發(fā)生器上的手孔在設(shè)計(jì)工況與事故工況下,都需要進(jìn)行應(yīng)力分析與計(jì)算[2]。手孔先采用低合金鋼焊絲埋弧堆焊一定厚度后,再進(jìn)行機(jī)加工成型[3]。手孔埋弧堆焊后需進(jìn)行熱處理,以去除堆焊過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)RCC-M相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行熱處理時(shí),升、降溫速率應(yīng)控制在55 ℃/h以下[4]。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于溫度的慣性,或熱處理操作不及時(shí)等原因,容易導(dǎo)致熱處理升、降溫速率高于55 ℃/h,違反設(shè)計(jì)要求與標(biāo)準(zhǔn)。熱處理升、降溫速率的變化,會(huì)引起堆焊層殘余應(yīng)力的變化。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

蒸汽發(fā)生器手孔低合金鋼堆焊層在經(jīng)過(guò)55 ℃/h與60 ℃/h升、降溫速率消除應(yīng)力的熱處理后,筆者檢測(cè)手孔堆焊層的殘余應(yīng)力,具體做法為:采用鉆孔應(yīng)變釋放法[5-8],分別測(cè)量?jī)煞N升、降溫速率下的堆焊層殘余應(yīng)變,再通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn),確定應(yīng)變釋放系數(shù),進(jìn)而獲得表面殘余應(yīng)力。

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

對(duì)核電站蒸汽發(fā)生器手孔低合金鋼埋弧堆焊層分別進(jìn)行升、降溫速率55 ℃/h與60 ℃/h熱處理,熱處理曲線如圖1所示。

圖1 熱處理曲線

4 基本原理

殘余應(yīng)力測(cè)量采用鉆孔應(yīng)變釋放法,試驗(yàn)中采用電阻應(yīng)變片,如圖2所示。在電阻應(yīng)變片上對(duì)應(yīng)的圓孔內(nèi)采用慢速鉆孔儀打孔,孔徑和孔深均為2 mm。通過(guò)專用設(shè)備測(cè)得相應(yīng)的應(yīng)變,利用式(1)～式(3),即可確定相應(yīng)的主應(yīng)力。

圖2 電阻應(yīng)變片

式中:σ1、σ2為鉆孔前殘余應(yīng)力的主應(yīng)力,MPa;ε1、ε2、ε3依次為0°、45°和90°位置測(cè)得的釋放應(yīng)變;A、B為標(biāo)定試驗(yàn)得到的應(yīng)變釋放系數(shù),10-7MPa-1;γ=-2β,β為最大主應(yīng)力方向與0°方向的夾角。

另外,對(duì)于圓形堆焊層,徑向和周向應(yīng)力可用式(4)、式(5)計(jì)算:

(4)

(5)

式中:εx為徑向釋放應(yīng)變;εy為周向釋放應(yīng)變;σx為徑向應(yīng)力,MPa;σy為周向應(yīng)力,MPa。

5 測(cè)量設(shè)備

殘余應(yīng)力測(cè)量采用鉆孔應(yīng)變釋放法,應(yīng)變儀為60通道的DH3816,如圖3所示。數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)通用串行總線自動(dòng)進(jìn)行采集。

圖3 應(yīng)變儀

6 標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)在標(biāo)定試樣上進(jìn)行,標(biāo)定試樣尺寸如圖4所示,實(shí)物如圖5所示。標(biāo)定試樣上貼電阻應(yīng)變片,并通過(guò)屏蔽線與應(yīng)變儀連接。在300 kN的SANS拉伸機(jī)上,對(duì)粘貼電阻應(yīng)變片的標(biāo)定試樣施加單向應(yīng)力,應(yīng)力為18MND5鋼屈服強(qiáng)度的1/3～1/2,取150 kN,同時(shí)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。在電阻應(yīng)變片上鉆孔,如圖6所示。之后再一次采用相同的載荷進(jìn)行單向拉伸,并用應(yīng)變儀記錄鉆孔后的應(yīng)變。計(jì)算前后兩次應(yīng)變的差值,按式(7)、式(8)計(jì)算A、B。

(7)

(8)

式中:σ為單向應(yīng)力,MPa。

圖4 標(biāo)定試樣尺寸

圖5 標(biāo)定試樣

圖6 鉆孔后電阻應(yīng)變片

7 殘余應(yīng)變測(cè)試

定義1號(hào)試樣為55 ℃/h升、降溫速率熱處理后的堆焊層,2號(hào)試樣為60 ℃/h升、降溫速率熱處理后的堆焊層。分別在兩種堆焊層表面選取六個(gè)點(diǎn),貼上同樣的電阻應(yīng)變片,電阻應(yīng)變片與被測(cè)表面緊密貼合,如圖7所示。貼電阻應(yīng)變片前,對(duì)待貼部位進(jìn)行研磨,并進(jìn)行清潔。電阻應(yīng)變片的0°和90°方向分別對(duì)應(yīng)圓形堆焊層的徑向和周向。通過(guò)屏蔽銅導(dǎo)線與應(yīng)變儀進(jìn)行連接,數(shù)據(jù)通過(guò)與應(yīng)變儀配套的軟件獲取。打孔前對(duì)電阻應(yīng)變片進(jìn)行平衡操作,之后即可打孔,同時(shí)每20 s采集一次數(shù)據(jù)。盲孔深為2 mm,直徑為2 mm。打孔完成后,繼續(xù)采集約5 min,所得的數(shù)據(jù)即為最后的釋放應(yīng)變。

圖7 電阻應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)分布

8 結(jié)果與分析

主應(yīng)力由式(1)～式(3)計(jì)算獲得,徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力由式(4)、式(5)計(jì)算獲得。

標(biāo)定試驗(yàn)得到18MND5鋼的應(yīng)變釋放系數(shù)A為-0.629×10-7MPa-1,B為-0.864×10-7MPa-1。

表1和表2分別列出了1號(hào)試樣和2號(hào)試樣不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)量值,以及根據(jù)式(1)～式(5)計(jì)算得到的主應(yīng)力、徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力。測(cè)試中,3號(hào)測(cè)點(diǎn)電阻應(yīng)變片與鉆頭接觸損壞。

第一主應(yīng)力分布如圖8所示,第二主應(yīng)力分布如圖9所示,徑向應(yīng)力分布如圖10所示,周向應(yīng)力分布如圖11所示。從應(yīng)力分布圖中可以看出,1號(hào)試樣與2號(hào)試樣的各項(xiàng)應(yīng)力都較為接近,相差不大,且各項(xiàng)應(yīng)力相對(duì)很小。

表1 1號(hào)試樣測(cè)量結(jié)果

表2 2號(hào)試樣測(cè)量結(jié)果

圖8 第一主應(yīng)力分布

圖9 第二主應(yīng)力分布

圖10 徑向應(yīng)力分布

圖11 周向應(yīng)力分布

9 結(jié)論

18MND5鋼的應(yīng)變釋放系數(shù)A為-0.629×10-7MPa-1,B為-0.864×10-7MPa-1。升、降溫速率55 ℃/h的熱處理后,堆焊層的第一主應(yīng)力范圍為-1.7 MPa～55.7 MPa,第二主應(yīng)力范圍為26.1 MPa～74.9 MPa,徑向應(yīng)力范圍為1.7 MPa～53.8 MPa,周向應(yīng)力范圍為13.0 MPa～45.3 MPa。升、降溫速率60 ℃/h的熱處理后,堆焊層的第一主應(yīng)力范圍為-12.0 MPa～70.7 MPa,第二主應(yīng)力范圍為27.2 MPa～58.0 MPa,徑向應(yīng)力范圍為2.1 MPa～58.0 MPa,周向應(yīng)力范圍為27.3 MPa～58.6 MPa。

綜合以上測(cè)試結(jié)果,蒸汽發(fā)生器手孔低合金鋼埋弧堆焊層在經(jīng)歷升、降溫速率為55 ℃/h和60 ℃/h的熱處理后,手孔堆焊層的殘余應(yīng)力水平相近,且殘余應(yīng)力值較小。經(jīng)歷升、降溫速率60 ℃/h的熱處理后,手孔堆焊層殘余應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求與標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是,在蒸汽發(fā)生器實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,相關(guān)熱處理操作應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求與標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。