王東輝，張靜，李志杰

（1.國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海200233；2.上海輝策信息科技有限公司，上海200233）

0 引言

壓水堆核電站一回路主要承壓容器包括核反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等，這些承壓容器通過(guò)接管安全端與一回路主管道相連。接管安全端由容器接管與安全端通過(guò)異種金屬焊接而成。接管安全端的焊接過(guò)程中存在異種金屬焊接和同種金屬焊接，復(fù)雜的焊接熱循環(huán)可引起低韌性材料組織和較高的焊接殘余應(yīng)力，降低接頭的使用性能和服役壽命，屬于核安全重點(diǎn)關(guān)注部位。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）在制定的核安全標(biāo)準(zhǔn)中明確指出：接管安全端異種金屬焊接件性能的合理評(píng)價(jià)及可靠性預(yù)測(cè)是保障壓水堆核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本文以反應(yīng)堆壓力容器出口接管安全端為例，采用有限元及裂紋擴(kuò)展分析方法，對(duì)含缺陷焊接接頭進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)比了不同殘余應(yīng)力分布及裂紋擴(kuò)展速率模型下裂紋擴(kuò)展過(guò)程的異同，為異種金屬焊接接頭的安全評(píng)估提供了有益的參考。

1 裂紋擴(kuò)展計(jì)算

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)

參考反應(yīng)堆壓力容器出口管嘴及安全端焊后結(jié)構(gòu)尺寸建立分析模型，考慮安全端焊縫、不銹鋼焊縫，同時(shí)考慮管嘴預(yù)堆邊的影響。

壓力容器出口管嘴安全端由多種材料組成，其中，接管材料為低合金鋼SA508-3，堆焊層材料為鎳基Alloy152，異種金屬焊縫材料為鎳基Alloy52/152，安全端、主管道及相應(yīng)焊縫的材料為奧氏體不銹鋼316L。表1給出了異種金屬焊縫材料的部分性能參數(shù)，其他材料的熱、力學(xué)參數(shù)由ASME II材料D篇[1]查得。

表1 Alloy52/152材料特性

1.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格

假設(shè)管嘴焊縫位置存在半橢圓周向裂紋，裂紋深度a/t=0.026，長(zhǎng)深比2c/a=21。依據(jù)初始裂紋的形狀和尺寸，劃分得到無(wú)裂紋網(wǎng)格，再用Zencrack中的Crack-Block映射后得到的含裂紋的網(wǎng)格如圖1所示，該含裂紋的網(wǎng)格共有434712個(gè)單元和475415個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元類型為C3D8T和C3D6T。

圖1 安全端結(jié)構(gòu)尺寸及分析模型

1.3 位移邊界條件及求解

計(jì)算考慮約束管嘴端面的軸向（x）位移，并約束端面上的兩節(jié)點(diǎn)的y向位移和一個(gè)節(jié)點(diǎn)的z向位移以保證管嘴不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其徑向可以自由膨脹，即UX=URX=0。在進(jìn)行有限元求解時(shí)，采用ABAQUS求解器的各項(xiàng)默認(rèn)設(shè)置，取擴(kuò)展計(jì)算步長(zhǎng)為100000s（約27.78小時(shí)）。計(jì)算時(shí)兩次有限計(jì)算之間的能量釋放率誤差不超過(guò)5%。

1.4 載荷及擴(kuò)展計(jì)算

反應(yīng)堆壓力容器在服役期間所承受的載荷主要包括：高溫高壓流體產(chǎn)生的內(nèi)壓及溫度載荷，自重、地震工況等產(chǎn)生的接管載荷，同時(shí)需考慮焊接殘余應(yīng)力的影響；由于裂紋位于接管的內(nèi)壁，且為表面裂紋，在計(jì)算時(shí)考慮裂紋面上的壓力；由于裂紋容積微小，其內(nèi)部基本無(wú)流體流動(dòng)，因此忽略其上的換熱條件。

考慮應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展與時(shí)間相關(guān)。因啟停機(jī)時(shí)間相對(duì)于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間較短，盡管可能會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力強(qiáng)度因子值，但其應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展量與長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的擴(kuò)展量相比較小?；谶@一條件，計(jì)算裂紋擴(kuò)展時(shí)僅考慮穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，即正常運(yùn)行壓力15.5Mpa，正常運(yùn)行出口水溫323.7℃。

焊縫處殘余應(yīng)力分布考慮不同研究結(jié)果中給出的模型進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

文獻(xiàn)[2]中給出的管道焊縫殘余應(yīng)力通用模型A：

文獻(xiàn)[3]中給出RPV出口管嘴處殘余應(yīng)力分布模型B：

上述多項(xiàng)式中a為由內(nèi)壁表面沿徑向距離，t為壁厚，擬合所得的多項(xiàng)式為公制單位。以上兩類殘余應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 殘余應(yīng)力模擬曲線

600合金和相關(guān)焊縫材料的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率是材料狀態(tài)、溫度、環(huán)境和由持續(xù)載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子的函數(shù)。目前，高鉻含量的鎳基焊材Alloy52和Alloy52M已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)新型壓水堆核電站異種金屬焊接接頭的制造中。但現(xiàn)有ASME XI附錄C[4]給出的PWR環(huán)境下應(yīng)力腐蝕擴(kuò)展模型，僅適用于600合金，具體裂紋擴(kuò)展速率模型如下：

現(xiàn)有研究成果表明，Alloy52/152在一回路水環(huán)境下將表現(xiàn)出較穩(wěn)定的抵抗SCC能力。結(jié)合國(guó)內(nèi)焊接接頭52/152材料的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果[5]，在上述模型中取Φ=1.530×10-14，η=2.2進(jìn)行后續(xù)分析計(jì)算。裂紋擴(kuò)展速率模型見圖3。

圖3 裂紋擴(kuò)展速率模型（52合金325℃）

2 結(jié)果與分析

在給定的載荷及邊界條件下，可以計(jì)算得到焊縫處應(yīng)力分布，并由此基于裂紋尖端張開位移計(jì)算所得到的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子分布。

圖4 基于裂紋尖端張開位移得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子分布

從圖4中可以看出，在給定的載荷條件下，裂紋前緣各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子并不相同?？梢姎堄鄳?yīng)力影響了初始裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子分布。從應(yīng)力強(qiáng)度因子的初始分布還可知，在初始階段一定范圍內(nèi)，最深點(diǎn)會(huì)擴(kuò)展較快，而表面點(diǎn)擴(kuò)展較慢。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，應(yīng)力強(qiáng)度因子沿裂紋前緣分布也會(huì)有所變化。因此，僅憑初始時(shí)裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子分布無(wú)法確定裂紋擴(kuò)展的最終形態(tài)。

兩種殘余應(yīng)力分布條件下，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示，從圖中可以看出，在整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程中，最深點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子始終大于表面點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，且隨著裂紋深度的不斷增加表面點(diǎn)和最深點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。裂紋最深點(diǎn)擴(kuò)展至接近穿透時(shí)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子明顯增大。

圖5 不同殘余應(yīng)力模型下應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋擴(kuò)展變化關(guān)系

表面裂紋擴(kuò)展至穿透后需要重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分以便進(jìn)行穿透裂紋的擴(kuò)展計(jì)算。由于穿透瞬間最深點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子極大，而表面點(diǎn)則呈現(xiàn)出某種閉合趨勢(shì)，因此最深點(diǎn)會(huì)發(fā)生快速斷裂?；谶@種考慮，分析軟件中將裂紋前緣形狀進(jìn)行調(diào)整，如圖6所示。圖中給出其中一條裂紋前沿的示意。隨著時(shí)間的推移，穿透裂紋將繼續(xù)擴(kuò)展。

在不同殘余應(yīng)力作用下，相同的初始裂紋表現(xiàn)出不同的擴(kuò)展情況。殘余應(yīng)力影響了初始裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子分布，使得不同殘余應(yīng)力作用時(shí)裂紋前緣各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度因子不同，在相同的載荷及裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則下其擴(kuò)展速率也有區(qū)別，最終導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率和裂紋擴(kuò)展形貌有所不同。從分析結(jié)果看出，考慮殘余應(yīng)力模型A的裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)較慢。

圖6 裂紋貫穿時(shí)計(jì)算網(wǎng)格調(diào)整

不同的殘余應(yīng)力作用下，裂紋擴(kuò)展也具有一定的相似性，首先裂紋最深點(diǎn)均擴(kuò)展較快，且其應(yīng)力強(qiáng)度因子較大；隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，應(yīng)力強(qiáng)度因子的分布呈現(xiàn)出靠近外壁較大而靠近內(nèi)壁較小的分布趨勢(shì)，這與載荷有關(guān)。

最終裂紋在不同的殘余應(yīng)力作用下發(fā)展為不同的形貌，如圖7所示。

圖7 裂紋擴(kuò)展形貌

3 允許缺陷限值

采用彈塑性斷裂力學(xué)準(zhǔn)則計(jì)算鎳基合金焊縫允許缺陷限值。對(duì)于周向缺陷，采用ASME XI附錄C給出的Z-因子修正的縱坐標(biāo)應(yīng)力比求解。同時(shí)滿足許用管道彎曲應(yīng)力方程及評(píng)定周期末允許的周向缺陷長(zhǎng)度。

（1）允許缺陷長(zhǎng)度限值

考慮穿透裂紋的穩(wěn)定性，周向缺陷允許的缺陷長(zhǎng)度定義為：

其中，θallow對(duì)應(yīng)每一種使用限制下，滿足式（5）的缺陷半角。

由公式（4）、（5）計(jì)算得到焊縫處周向缺陷允許長(zhǎng)度極限值lallow=1460mm。

（2）允許缺陷深度限值

根據(jù)ASME XI附錄C，得到A級(jí)使用限制下，焊縫處允許周向缺陷深度aallow=0.68t，即最大允許缺陷深度為壁厚68%。

（3）允許彎曲應(yīng)力校核

計(jì)算得到A級(jí)使用限值下允許彎曲應(yīng)力：

將計(jì)算參數(shù)代入式（6），得到允許彎曲應(yīng)力SC=53.3 Mpa，上述周向允許缺陷限值滿足此要求。

表2 不同使用限制下允許缺陷限值表

4 結(jié)語(yǔ)

異種金屬焊接接頭是核電廠壓力容器安全評(píng)估中需要特別關(guān)注的位置，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工過(guò)程中可能存在缺陷。在服役環(huán)境下，安全端焊接接頭對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂較敏感，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋并擴(kuò)展。本文通過(guò)建立接管安全端（包含裂紋）的有限元模型，確定假想缺陷尺寸，分析殘余應(yīng)力等不同因素對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程的影響。對(duì)比分析結(jié)果，得到各影響因素對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程的影響。

（1）焊接殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑和時(shí)間有較大影響，目前各研究成果中給出的殘余應(yīng)力分布曲線保守程度各不相同，使用時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；

（2）應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率是影響異種金屬焊接接頭完整性評(píng)價(jià)的另一主要因素，試驗(yàn)表明52/152合金材料抵抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力更穩(wěn)定，與82/182合金相比，裂紋擴(kuò)展速率約降低100倍。因此，選擇適當(dāng)?shù)牟牧蠑U(kuò)展速率模型對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有較大影響；

（3）在正常運(yùn)行工況下，被評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)焊縫處允許缺陷深度與壁厚比值aallow/t=0.71，允許缺陷周長(zhǎng)限值1460mm。通過(guò)編制允許缺陷限值表，可快速計(jì)算不同管道焊縫處允許缺陷。結(jié)合該位置裂紋擴(kuò)展速率模型，即可對(duì)含裂紋異種金屬焊縫進(jìn)行預(yù)測(cè)壽命。