郭 舒，王海濤，韓恩厚

(中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，核用材料安全與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016)

0 引 言

目前，我國(guó)在役與在建壓水堆(PWR)核電站的設(shè)計(jì)制造廣泛采用自主品牌核電技術(shù)CPR1000(二代改進(jìn)型)。同時(shí)，三代核電技術(shù)AP1000(美國(guó)西屋)與EPR(法國(guó)阿?，m)也已引進(jìn)并投入使用[1-3]。核電站核島主設(shè)備包括反應(yīng)堆壓力容器(Reactor Pressure Vessel,RPV)、蒸汽發(fā)生器(Steam Generator,SG)、穩(wěn)壓器(Pressurizer,PZR)等承壓容器[4-6]，是一回路系統(tǒng)的重要組成部分與壓力邊界[7-11]，制造標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛[7,12]。接管安全端異種金屬焊接接頭(Dissimilar Metal Weld Joint,DMWJ)是指用不銹鋼或鎳基合金焊料焊接低合金鋼接管嘴和不銹鋼安全端形成的用于連接低合金鋼壓力容器與不銹鋼管道的重要過(guò)渡部件和特征結(jié)構(gòu)[8,13-16]。該異種金屬焊接接頭的結(jié)構(gòu)完整性與核電站安全密切相關(guān)[7,13,17-19]，其焊接質(zhì)量對(duì)核電設(shè)備正常運(yùn)行至關(guān)重要[20-21]，屬于核安全重點(diǎn)關(guān)注部位[11]。接管安全端異種金屬焊接是壓力容器制造的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)[7,12,15,22]，其焊接工藝要求高，難度大[12,16,18,20]，對(duì)焊材、設(shè)備、環(huán)境、焊接參數(shù)選擇、施焊人員以及無(wú)損檢驗(yàn)工藝等都有極為嚴(yán)格的要求[12,16]。

接管安全端異種金屬焊接接頭長(zhǎng)期處于高溫、高壓、交變復(fù)雜應(yīng)力載荷、腐蝕性介質(zhì)與中子輻照交互作用的工況下[7,8,11,17,23-24]，是一回路系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[11,14,21-23]。焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(Primary Water Stress Corrosion Cracking,PWSCC)的主要驅(qū)動(dòng)因素之一[14,25]。在壓水堆高溫和水化學(xué)環(huán)境下，含較高焊接殘余應(yīng)力的600鎳基合金焊縫金屬易于發(fā)生一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[26-27]。過(guò)去20 a間，世界各地關(guān)于壓水堆核電站的600鎳基合金焊接接頭出現(xiàn)一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂跡象和泄露的事故屢有報(bào)道[28]。一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂最常出現(xiàn)在壓水堆主設(shè)備反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器與穩(wěn)壓器的接管嘴安全端異種金屬焊接接頭中[29]。上述問(wèn)題是核電站與核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)最為關(guān)心的問(wèn)題[30]，引發(fā)了國(guó)際上對(duì)該問(wèn)題的廣泛研究以及對(duì)緩解方案的不斷探索[31]。美、日、英等國(guó)相關(guān)組織都曾設(shè)立大量的研究項(xiàng)目來(lái)評(píng)估影響異種金屬焊接接頭的一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為，尋求建立準(zhǔn)確衡量焊接殘余應(yīng)力的方法，其中包括嘗試設(shè)計(jì)制造具有代表性的接管安全端試件、采用深孔法等方法測(cè)定殘余應(yīng)力，以及使用有限元方法對(duì)不同尺寸異種金屬焊接接頭的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)等[27,29]。目前，美國(guó)ASME和法國(guó)RSE-M標(biāo)準(zhǔn)均要求對(duì)核級(jí)接頭執(zhí)行役前和在役檢查[10]，同時(shí)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)也明確指出接管安全端異種金屬焊接件的可靠性預(yù)測(cè)是保證PWR安全運(yùn)行的關(guān)鍵[32]。

因此，了解和掌握不同尺寸的壓力容器接管安全端異種金屬焊接接頭內(nèi)，尤其是貫穿接頭厚度方向的殘余應(yīng)力分布并進(jìn)行系統(tǒng)性的研究對(duì)保障我國(guó)核電主設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性具有重要意義；基于殘余應(yīng)力分布研究，一方面可以開(kāi)展一次側(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，另一方面可以推動(dòng)壓力容器焊接工藝的優(yōu)化與改進(jìn)研究。相比于試驗(yàn)檢測(cè)方法，有限元方法能清晰地表征復(fù)雜焊接件整體結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布，因此廣泛用于焊接殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)。作者主要對(duì)有限元數(shù)值模擬在接管安全端異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，擬給相關(guān)研究人員提供參考。

1 接管安全端異種金屬焊接接頭的特征

1.1 結(jié)構(gòu)特征

如前文所述，反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等壓水堆核島主設(shè)備都有典型的接管安全端異種金屬焊接接頭結(jié)構(gòu)形式[5,14,17,25,32-34]。以穩(wěn)壓器頂部的安全泄壓閥(Safety Relief Valve,SRV)接管安全端為例，如圖1[35]所示，展示典型的接管安全端異種金屬焊接接頭的結(jié)構(gòu)組成[29-30]。可見(jiàn)接管安全端異種金屬焊接接頭主要由低合金鋼接管嘴(母材)、接管內(nèi)壁堆焊層、接管側(cè)坡口預(yù)堆邊(隔離層)、異種金屬對(duì)接焊縫和不銹鋼安全端(母材)組成[14,19,36]。為確保焊接質(zhì)量，一般在設(shè)備制造廠中對(duì)接管嘴和安全端進(jìn)行對(duì)接焊；在安裝現(xiàn)場(chǎng)，只需進(jìn)行不銹鋼部件之間的焊接[2,17,19,37-38]，即不銹鋼安全端與不銹鋼管道之間的同種金屬焊接。

圖1 穩(wěn)壓器安全泄壓閥接管安全端的典型結(jié)構(gòu)示意[35]Fig.1 Typical structure diagram of nozzle to safe-end ofregulator safety relief valve[35]

不同企業(yè)設(shè)計(jì)制造出的接管安全端幾何尺寸會(huì)有一些差異，并且與常規(guī)的二代加堆型相比，三代核電技術(shù)下主設(shè)備的尺寸和壁厚增大。通常，反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器的接管安全端異種金屬焊接接頭外徑在840～1 000 mm，壁厚在75～90 mm[12,19,34]；穩(wěn)壓器的接管安全端異種金屬焊接接頭外徑在120～350 mm，壁厚在20～50 mm[27,39]。

以秦山核電站300 MW級(jí)核電機(jī)組一回路主系統(tǒng)為例，其以600鎳基合金為焊接材料(焊材)的異種金屬焊接接頭焊縫的數(shù)量統(tǒng)計(jì)如下：反應(yīng)堆壓力容器中的600鎳基合金焊縫共計(jì)34條，包括4條進(jìn)水口、出水口安全端焊縫，另有底部測(cè)量管套管貫穿件J型焊縫30條；一回路主系統(tǒng)共有2臺(tái)蒸汽發(fā)生器，每臺(tái)有進(jìn)水口、出水口安全端焊縫各1條；穩(wěn)壓器共有600鎳基合金焊縫95條，上封頭有與噴霧管、安全泄壓管連接的安全端焊縫4條，下封頭有與波動(dòng)管連接的安全端焊縫1條(另有90條與電加熱器套管連接的貫穿件焊縫)；一回路主系統(tǒng)共有2臺(tái)主冷卻劑泵(Reactor Coolant Pump,RCP)，每臺(tái)泵上有進(jìn)水口、出水口安全端焊縫各1條[25]。

1.2 材料特征

在接管安全端異種金屬焊接接頭中，與核壓力容器相連的接管嘴材料為SA508低合金鋼，與一回路管道相連的安全端材料為316L奧氏體不銹鋼[2-3,7-8,18,21,32,34,40-41]；反應(yīng)堆冷卻劑管道材料一般采用耐蝕性較好的奧氏體不銹鋼[2]。低合金鋼與奧氏體不銹鋼在化學(xué)成分、物理性能和力學(xué)性能上存在較大差距，如低合金鋼強(qiáng)度高，奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)比低合金鋼大30%～50%，熱導(dǎo)率卻只有低合金鋼的1/3(20～600 ℃溫度范圍)[42]；二者之間的焊接比同種材料焊接困難[43]。因此，正確選擇用作填充金屬的焊材很關(guān)鍵。填充金屬應(yīng)能承受母材的稀釋作用，能抵抗碳擴(kuò)散遷移層的形成，應(yīng)具有與母材相適應(yīng)的物理性能，同時(shí)形成的焊縫金屬應(yīng)保持組織與性能的穩(wěn)定[44]。此外，在選擇焊材時(shí)還應(yīng)考慮熱開(kāi)裂和殘余應(yīng)力等問(wèn)題[44]。

目前，核電站使用的焊材涉及碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金4大類[17,45-47]，具體由主設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主體材料類型、技術(shù)條件、生產(chǎn)設(shè)備和焊接工藝決定[48]?，F(xiàn)階段通常用不銹鋼焊絲或者鎳基合金焊絲連接低合金鋼接管嘴和奧氏體不銹鋼安全端，不銹鋼焊絲一般采用308L、309L奧氏體不銹鋼，鎳基合金焊絲一般采用600系鎳基合金(82合金、182合金)以及690系鎳基合金(52合金、152合金)[2,11,32,40,43]。我國(guó)二代加CPR1000核電站的接管安全端焊接接頭主要采用不銹鋼焊材[3,11,40]，三代AP1000核電站的接管安全端堆焊隔離層和異種金屬對(duì)接焊縫的填充金屬主要采用鎳基合金焊材[3-4,6-7,18]。鎳基合金焊材能防止碳遷移，其室溫強(qiáng)度與低合金鋼相當(dāng)，高溫強(qiáng)度介于低合金鋼與奧氏體不銹鋼之間，線膨脹系數(shù)介于奧氏體不銹鋼與低合金鋼之間，更接近低合金鋼，有利于降低內(nèi)應(yīng)力[2,18,42,44]；不銹鋼焊材的優(yōu)點(diǎn)在于熱敏感性和使用成本低[2]。

但是，鎳基合金的焊接性不佳。鎳基合金熔敷金屬的黏度大，流動(dòng)性、潤(rùn)濕性差[12,18,41,45,48-49]，與坡口面親和力差，易產(chǎn)生側(cè)壁未熔合等缺陷[12,45,48-49]；高溫熔化狀態(tài)下鎳基合金極易發(fā)生氧化，產(chǎn)生低熔點(diǎn)氧化鎳雜質(zhì)，氧化鎳成為焊縫的夾渣，影響焊縫熔合[12,41,45,48-49]；鎳基合金對(duì)磷、硫等雜質(zhì)元素敏感，這些雜質(zhì)元素極易熔入焊縫金屬，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生微裂紋[18,48-49]。為此，研究人員開(kāi)發(fā)了具有更高鉻含量的鎳基合金焊材(52焊絲/ERNiCrFe-7焊絲)；該種焊絲形成的焊縫在熱處理和具體服役過(guò)程中不易在晶界形成貧鉻帶，從而提高了焊縫的應(yīng)力腐蝕抗性，但是容易產(chǎn)生失延裂紋。于是，研究人員又在52焊絲的基礎(chǔ)上研制出52M/152M焊絲，以減少異種金屬焊接接頭的失延開(kāi)裂現(xiàn)象。52M/52/152焊絲目前廣泛應(yīng)用于核電設(shè)備制造及配件更換中[43]。

使用不銹鋼焊材時(shí)存在以下不足：不銹鋼的熱膨脹系數(shù)和低合金鋼母材相差較大[16,22]，在熱循環(huán)作用下會(huì)形成較大的熱應(yīng)力；在不銹鋼焊縫與低合金鋼母材的界面處容易發(fā)生碳遷移，使得低合金鋼側(cè)出現(xiàn)淬硬層/脆性過(guò)渡層[16,22]；不銹鋼焊縫易受到低合金鋼母材的稀釋，導(dǎo)致成分和組織發(fā)生顯著變化[22]；此外，不銹鋼焊縫還存在易敏化、易腐蝕的問(wèn)題[22]。所以，不銹鋼焊材僅在早期的安全端焊接中得到廣泛使用，20世紀(jì)90年代后接管嘴安全端的焊接大多采用鎳基合金焊材[16]。

焊材的選擇可參考相關(guān)國(guó)際規(guī)范，根據(jù)規(guī)范要求，焊材必須經(jīng)大量試驗(yàn)驗(yàn)收工藝評(píng)定后才可用于產(chǎn)品。比如，法國(guó)《RCC-M壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》就是一種核電制造規(guī)范[16]，該規(guī)范通過(guò)借鑒ASME規(guī)范，吸收法國(guó)工業(yè)發(fā)展實(shí)踐成果制定而成。RCC-M規(guī)范對(duì)焊材的要求極高，卡片沒(méi)有的材料不準(zhǔn)使用。RCC-M規(guī)范給焊材制造廠和設(shè)備制造廠的自由選擇空間很小，是一部安全性與操作性極強(qiáng)的設(shè)備制造規(guī)范[47]。

目前我國(guó)核島主設(shè)備使用的鍛件材料基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但是核I級(jí)設(shè)備焊接所使用的焊材仍以進(jìn)口為主[17,45,47]。國(guó)內(nèi)一些科研及焊材制造企業(yè)已在核電焊材國(guó)產(chǎn)化方面做了很多工作，獲得一定成果。通過(guò)推動(dòng)核電焊材的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)與應(yīng)用，掌握核I級(jí)焊材焊接性能評(píng)價(jià)技術(shù)，從而帶動(dòng)核電設(shè)備焊接技術(shù)的進(jìn)步，需要國(guó)內(nèi)相關(guān)單位的共同努力[17]。

1.3 工藝特征

1.3.1 保障焊縫成形質(zhì)量的措施

如上文所述，鎳基合金焊縫易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，這是產(chǎn)品焊接時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注和解決的問(wèn)題[17]。為此，有2個(gè)重要因素需要注意：焊道表面打磨質(zhì)量和焊接時(shí)的氣體保護(hù)效果[12,41,45]。在焊接過(guò)程中，鎳基合金焊材易形成氧化膜，如不及時(shí)清理，接頭易產(chǎn)生未熔合與夾渣缺陷[18,41]。因此，每完成一道焊都需要清理打磨焊道表面[45]、起弧收弧以及成形不良位置[18,41]，務(wù)必將氧化膜和焊接雜質(zhì)去除干凈[12,41]，使焊道露出金屬光澤[41]。接管嘴與安全端常采用氬弧對(duì)接焊工藝，氬氣能將熔池與空氣隔絕，阻礙熔池中金屬氧化物的形成，從而減少焊縫內(nèi)的氧化物夾渣和未熔合等缺陷[12]。在對(duì)接焊過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)用保護(hù)罩充分遮蓋、圍蔽住整個(gè)焊接工位[18,45]，以確保氣體保護(hù)效果，防止保護(hù)氣氛被流動(dòng)空氣破壞[18]；為更好地隔絕空氣以防止焊縫氧化，還可以采用多級(jí)氣體保護(hù)措施。應(yīng)當(dāng)注意的是，保護(hù)氣體流量應(yīng)合理：流量過(guò)大，可能吹偏熔池，不利于焊接質(zhì)量；流量過(guò)小，則不能有效保護(hù)焊縫[12]。

此外，焊前應(yīng)對(duì)工件進(jìn)行清理，確保焊接區(qū)無(wú)污染無(wú)異物；必須使用丙酮或酒精將坡口表面及周圍區(qū)域擦洗干凈，否則會(huì)使焊縫金屬中熔入雜質(zhì)元素，形成焊接裂紋[18]。

1.3.2 焊接方法的演變

過(guò)去十幾年間，核電主設(shè)備接管安全端焊接接頭的焊接方法發(fā)生了很大變化，比如從手工焊向自動(dòng)焊轉(zhuǎn)變[6,22]，焊接坡口由最初的寬間隙坡口發(fā)展為窄間隙坡口[6]。主設(shè)備安全端焊接最初采用手工鎢極氬弧焊(GTAW)和手工焊條電弧焊(SMAW)[6,16]，而目前接管安全端的焊接工藝主要包括自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊、埋弧自動(dòng)焊與手工藥皮焊條電弧焊[49]。窄間隙自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊是一種高效的適合三代核電站安全端接頭的焊接方法[49]。該工藝使用直達(dá)坡口底端的超長(zhǎng)導(dǎo)電嘴，采用熱輸入較小的脈沖方式，改善了熔池流動(dòng)性，使得焊道與母材邊緣均勻熔合[46]。而且，若在核電站運(yùn)行期間進(jìn)行接頭返修，采用自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊能夠防止焊接操作工受到大劑量的中子輻照[6]。相對(duì)于寬間隙坡口，窄間隙坡口設(shè)計(jì)減少了金屬填充量，降低了焊接變形與焊縫內(nèi)應(yīng)力，從而提高了接頭質(zhì)量[6,46]。

總體而言，各核電站壓力容器的接管安全端異種金屬焊接接頭的焊接工藝較類似[4-7,11-12,14-16,22,24,32,46-48]。首先，在低合金鋼接管嘴和不銹鋼安全端短管口處加工出焊接坡口；其次，通過(guò)熱絲鎢極惰性氣體焊(TIG焊)在低合金鋼接管嘴側(cè)堆焊出鎳基合金隔離層(鎳基合金預(yù)堆邊)；再次，進(jìn)行消除焊接應(yīng)力熱處理、無(wú)損檢測(cè)以及坡口機(jī)加工；最后，通過(guò)冷絲鎢極氬弧焊在接管嘴隔離層和安全端之間進(jìn)行對(duì)接焊，得到異種金屬焊接接頭。

1.3.3 焊接位置

國(guó)內(nèi)幾乎都采用自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊工藝對(duì)鎳基合金隔離層與安全端進(jìn)行對(duì)接焊接[12,17]，但是在具體焊接工藝實(shí)施操作方面存在巨大差異[12,17]，在通過(guò)大量焊接工藝試驗(yàn)確定工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上都獲得了合格的焊接產(chǎn)品[17-18, 41]。比如對(duì)于RPV接管安全端對(duì)接接頭，大部分核電設(shè)備制造廠采用橫焊位工藝進(jìn)行焊接[12,41]，也有一些制造廠采用全位置焊接工藝。橫焊位工藝的特點(diǎn)是在焊接過(guò)程中整個(gè)RPV設(shè)備處于橫躺狀態(tài)[12]，其優(yōu)點(diǎn)為焊接位置固定，焊接參數(shù)易掌握，熔敷金屬與鎳基合金隔離層熔合較好，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性優(yōu)良；缺點(diǎn)在于焊接周期長(zhǎng)，最多同時(shí)對(duì)2個(gè)接管嘴進(jìn)行安全端的焊接[41]。全位置焊接的特點(diǎn)是在焊接過(guò)程中整個(gè)RPV設(shè)備處于豎立狀態(tài)[12]。在全位置自動(dòng)TIG焊過(guò)程中,焊接的空間位置不斷變化(平焊、下坡焊、上坡焊與仰焊)，熔池液態(tài)金屬在不同的空間位置因受力不同而流動(dòng)性不同，焊縫成形質(zhì)量變化顯著。這就需要采用合理的焊接工藝參數(shù)，保持焊接過(guò)程中熔池穩(wěn)定，使得焊縫成形質(zhì)量一致[18]。全位置焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)是焊接效率高，能同時(shí)焊接多達(dá)6個(gè)接管嘴；缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、難度大、穩(wěn)定性不佳，在實(shí)際制造過(guò)程中，接頭返修率較高。

2 有限元模擬接管安全端異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力

奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率與低合金鋼差異較大，因此在這兩種材料焊接過(guò)程中會(huì)形成較大的熱應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致焊接變形和焊接殘余應(yīng)力。異種金屬焊接件的焊接殘余應(yīng)力很難通過(guò)焊后熱處理來(lái)消除，焊后熱處理只能引起殘余應(yīng)力的重新分布，同時(shí)還會(huì)誘發(fā)其他焊接缺陷如晶粒粗化等[42]。在缺陷評(píng)定分析中，一次側(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生、擴(kuò)展均與核部件內(nèi)殘余應(yīng)力分布密切相關(guān)[50]。在采用試驗(yàn)方法測(cè)試異種金屬焊接件的殘余應(yīng)力時(shí)，無(wú)論是破壞性還是非破壞性方法都有一定局限性，如：一般只能檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面和附近的殘余應(yīng)力，難以獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布；中子衍射法雖然能測(cè)試焊接接頭內(nèi)部的殘余應(yīng)力，但是對(duì)試樣尺寸有限制。因此，通過(guò)有限元方法模擬焊接過(guò)程，以獲得核電站大尺寸厚壁部件——接管安全端異種金屬焊接接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小和分布變得尤為重要。

2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2000年起，歐洲提出評(píng)價(jià)老化管道異種金屬焊接接頭結(jié)構(gòu)完整性(Assessment of Aged Piping Dissimilar Metal Weld Integrity,ADIMEW)項(xiàng)目，采用簡(jiǎn)化2D軸對(duì)稱模型模擬了鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼異種金屬焊接接頭的殘余應(yīng)力，并在室溫與運(yùn)行溫度下對(duì)異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試與分析[51]。隨后十幾年間，鑒于世界各地壓水堆中接管安全端鎳基合金環(huán)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象時(shí)有出現(xiàn)，各國(guó)陸續(xù)開(kāi)展了針對(duì)接管安全端異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬研究。

法國(guó)阿?，m公司(AREVA)提出了使用ANSYS軟件模擬核電站異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力的方法并應(yīng)用到2D軸對(duì)稱模型中，經(jīng)與結(jié)構(gòu)件實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，證明了該方法可行[26]；隨后又采用上述方法計(jì)算了穩(wěn)壓器波動(dòng)管焊接接頭殘余應(yīng)力，同樣通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果予以驗(yàn)證[52]。三菱重工聯(lián)合日本核能安全組織采用相同工藝制造了日本壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器出水管管嘴實(shí)體模型，通過(guò)有限元分析計(jì)算了該模型焊縫區(qū)殘余應(yīng)力分布，并與試驗(yàn)測(cè)得的132鎳基合金焊縫的應(yīng)力進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好[28]，據(jù)此建立起了一套殘余應(yīng)力評(píng)估方法[29]。英國(guó)能源公司(BE)發(fā)起若干項(xiàng)目來(lái)評(píng)估一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂對(duì)異種金屬接頭殘余應(yīng)力分布的影響，并聯(lián)合澳大利亞核科技組織(ANSTO)、美國(guó)西屋公司等共同對(duì)穩(wěn)壓器安全泄壓閥接管安全端進(jìn)行了焊接全過(guò)程模擬，研究了焊接熱輸入、材料本構(gòu)模型以及接管安全端尺寸等因素對(duì)該接管安全端焊接接頭殘余應(yīng)力分布場(chǎng)的影響[27,30-31]。美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)與電力研究院(EPRI)合作設(shè)立了焊接殘余應(yīng)力驗(yàn)證項(xiàng)目，旨在研究如何驗(yàn)證壓水堆一回路冷卻系統(tǒng)中異種金屬焊接接頭內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力模擬結(jié)果，世界各地相關(guān)研究人員都受邀參與其中，并分別對(duì)核電站穩(wěn)壓器波動(dòng)管和安全泄壓閥管嘴模型進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力模擬[35]。此外，還進(jìn)行了參數(shù)敏感性研究，以確定哪些輸入?yún)?shù)對(duì)焊接殘余應(yīng)力影響最大[53]。SONG等[39,54]等研究了幾何結(jié)構(gòu)因素(如接管嘴壁厚和半徑、安全端長(zhǎng)度)、堆焊修復(fù)層等對(duì)壓水堆核電站接管安全端異種金屬焊接接頭焊接殘余應(yīng)力的影響。

我國(guó)現(xiàn)役與在建的CPR1000、AP1000、EPR等核電站中，異種金屬焊接接頭得到廣泛使用。研究與經(jīng)驗(yàn)顯示，該結(jié)構(gòu)是我國(guó)核電站系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，其服役壽命低于設(shè)計(jì)壽命[55]。近年來(lái)，核電站異種金屬接頭焊接殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)研究得到了我國(guó)學(xué)者們的關(guān)注。很多學(xué)者使用熱-彈-塑性有限元模型計(jì)算了不同類型核電主設(shè)備接管安全端異種金屬焊接接頭的殘余應(yīng)力，但采用的模擬假設(shè)和方法不盡相同。滿浩[5]、張倩等[32]利用Abaqus軟件建立2D軸對(duì)稱模型，分別模擬了反應(yīng)堆壓力容器熱水管段與穩(wěn)壓器安全泄壓管接管嘴的焊接過(guò)程，研究了焊接接頭的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，以及安全端長(zhǎng)度、焊接約束條件對(duì)異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力的影響。李曉波[56]和王英儒[57]使用ANSYS和Abaqus有限元軟件分別對(duì)反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器接管安全端建立3D全局模型與局部模型，對(duì)各自的焊接過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，獲得了瞬時(shí)溫度和殘余應(yīng)力的分布特征。蔡建鵬[42]采用Abaqus有限元軟件建立2D軸對(duì)稱模型，考慮加工硬化和退火等因素的影響，計(jì)算得到穩(wěn)壓器波動(dòng)管接管安全端焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力，研究了不同坡口形式對(duì)異種金屬平板對(duì)接接頭焊接殘余應(yīng)力的影響。葛可可[58]通過(guò)Sysweld有限元軟件分別建立2D與3D模型，考慮焊后熱處理和切削加工等因素的影響，計(jì)算得到蒸汽發(fā)生器水室下封頭組件冷卻劑出口接管安全端的焊接殘余應(yīng)力分布，并與盲孔法實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。林方強(qiáng)等[23]、張世偉等[59]采用ANSYS有限元軟件分別建立了穩(wěn)壓器噴霧管2D軸對(duì)稱模型，模擬了該結(jié)構(gòu)的堆焊修復(fù)過(guò)程，研究了堆焊修復(fù)對(duì)異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力的作用。DONG等[55]通過(guò)Sysweld有限元軟件建立了CAP1400核電站某厚壁接管安全端焊接接頭的2D軸對(duì)稱模型，模擬了該結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程(考慮了內(nèi)壁堆焊、隔離層堆焊、焊后熱處理以及異種金屬焊接接頭多層多道焊)，分析了對(duì)應(yīng)的焊接殘余應(yīng)力演變規(guī)律。

2.2 模擬流程

焊接模擬計(jì)算非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楹附舆^(guò)程許多環(huán)節(jié)都具有高度的非線性；材料的熔化-再凝固、極高的瞬態(tài)熱梯度、與溫度相關(guān)的塑性應(yīng)變和相變等都是造成非線性的原因。此外，為了使焊接模擬在工業(yè)生產(chǎn)中具有實(shí)用性，計(jì)算求解時(shí)間必須可控[60]。

為了評(píng)估焊接殘余應(yīng)力分布，需要對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行熱-彈-塑性有限元分析。有限元焊接模擬過(guò)程包含兩個(gè)主要分析模塊——熱分析模塊和力學(xué)分析模塊[60-65]。學(xué)者們通常采用順序耦合分析法來(lái)模擬焊接過(guò)程中的熱流與力學(xué)變形[60,64-65]。在該方法中，第一步，進(jìn)行瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析，以求解整個(gè)焊接過(guò)程中有限元模型溫度的時(shí)間-空間分布；第二步，將計(jì)算獲得的熱歷史作為熱載荷輸入到隨后的力學(xué)分析中，計(jì)算焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)由焊接熱效應(yīng)帶來(lái)的彈塑性殘余應(yīng)力和應(yīng)變[60,64,66]。大量模擬研究表明，在不同焊接模型中應(yīng)用順序耦合法模擬焊接過(guò)程的結(jié)果均較為準(zhǔn)確[60,62,64]。此外，除了順序耦合法，還可以采用直接耦合法求解熱應(yīng)力。直接耦合法是雙向的耦合方法，能直接求解應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，但占用內(nèi)存較大[67-68]。

異種金屬焊接接頭是通過(guò)連續(xù)沉積焊道形成的，其間伴隨著高溫熔融金屬的冷卻、凝固和收縮[53]。焊接過(guò)程中的加熱與冷卻循環(huán)造成了瞬態(tài)熱應(yīng)力，使得焊縫附近材料接近或發(fā)生屈服，這種現(xiàn)象導(dǎo)致了焊接件中殘余應(yīng)力的形成。因此，在焊接數(shù)值分析和焊接殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)過(guò)程中，瞬態(tài)熱求解對(duì)焊接模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的影響是最大的[63]。在熱分析中模擬放置焊條熔珠的焊接過(guò)程，即先將熱能引入焊道，然后將焊縫冷卻至合適的層間溫度。焊接的熱輸入需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，應(yīng)確保在每條焊道的沉積過(guò)程中，都能達(dá)到焊材的熔化溫度(高達(dá)1 700 K)[60,66]。在焊接模擬中，經(jīng)常將焊接電弧視作移動(dòng)體熱源，并采用Goldak提出的雙橢球分布來(lái)描述該熱源?？傊?，熱分析階段焊接模擬遵循的原則是：在逐層逐道焊的基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)際焊接流程中對(duì)接焊縫的焊接順序，通過(guò)有限元軟件的單元添加-移除功能添加焊道，繼而加熱、冷卻焊道[60,64-65]；每條焊道只有當(dāng)其將要沉積的時(shí)候才將其對(duì)應(yīng)單元激活，否則保持未激活狀態(tài)[60,63-64]；當(dāng)一條焊道的填充完成之后，將試樣冷卻至層間溫度，該層間溫度可視作填充下一條焊道的開(kāi)始溫度[63]。焊接熱分析使用了材料的很多熱物性參數(shù)，如密度、比熱容、熱導(dǎo)率、潛熱等，而且這些材料性能參數(shù)囊括了從室溫至材料熔化溫度的整個(gè)溫度范圍[60,63-64]。在焊接加熱和冷卻步驟中，熱量以表面對(duì)流和輻射的方式釋放。一般假設(shè)焊接管道內(nèi)外環(huán)境是室溫空氣(20 ℃)，且裝配模型與周圍環(huán)境之間熱傳導(dǎo)發(fā)生在模型所有自由面上[60,64-66]。熱分析階段的單元類型采用熱傳導(dǎo)單元[63,65]，在焊縫及熱影響區(qū)采用較密網(wǎng)格進(jìn)行劃分，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)則采用較疏網(wǎng)格。在焊接模擬的力學(xué)分析階段使用的網(wǎng)格劃分與熱分析階段是相同的，但是單元類型需要改為應(yīng)力單元[63,65]。同時(shí)，在進(jìn)行殘余應(yīng)力分析時(shí)需采用與溫度相關(guān)的力學(xué)性能參數(shù)[64]，包括泊松比、彈性模量、熱膨脹系數(shù)和屈服強(qiáng)度等[69-70]。

2.3 影響因素

在核電接管安全端異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力模擬過(guò)程中，參數(shù)敏感性研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。制造工藝流程、焊接熱源、焊縫沉積順序、焊材硬化行為等因素均對(duì)模擬結(jié)果有不同程度的影響[35,50]。了解哪些因素對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響更大，有助于完善有限元模擬，指導(dǎo)工廠的實(shí)際加工制造過(guò)程。

2.3.1 實(shí)際生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)

預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力的方法建立在對(duì)實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程詳細(xì)了解的基礎(chǔ)之上。學(xué)者們的焊接模擬工作覆蓋了核電部件制造過(guò)程的多個(gè)環(huán)節(jié)[63]，除了異種金屬焊接接頭多層多道焊，還包括堆焊、焊后熱處理、補(bǔ)焊、同種金屬焊(不銹鋼安全端與管道之間)、清根處理、堆焊修復(fù)、靜水壓測(cè)試等生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)；這些環(huán)節(jié)都有可能對(duì)異種金屬對(duì)接接頭的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生影響[61,63-64]。MURNSKY等[61]的研究工作表明，預(yù)堆焊對(duì)異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力的影響較小，在模擬中可忽略不計(jì)，這是因?yàn)轭A(yù)堆焊后的焊后熱處理使得預(yù)堆焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力得到了釋放。

2.3.2 硬化準(zhǔn)則

在焊接過(guò)程中，每沉積一條焊道，伴隨一次加載循環(huán)，于是就將循環(huán)塑性引入了結(jié)構(gòu)，所以硬化模型對(duì)焊接殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)有著顯著影響[61]。一般認(rèn)為，采用等向硬化準(zhǔn)則能給出相對(duì)保守的結(jié)果，而使用隨動(dòng)硬化準(zhǔn)則會(huì)給出相對(duì)更低的應(yīng)力場(chǎng)下限[60,63]。

ZHANG等[60]分別采用混合硬化、等向硬化和隨動(dòng)硬化準(zhǔn)則計(jì)算了反應(yīng)堆壓力容器接管嘴異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力分布，結(jié)果表明：不同硬化準(zhǔn)則下的分析結(jié)果都能反映出軸向和環(huán)向應(yīng)力分布的整體趨勢(shì)，并且與焊接殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果相符；但是軸向與環(huán)向應(yīng)力的絕對(duì)值在等向硬化準(zhǔn)則下最大，在隨動(dòng)硬化準(zhǔn)則下最小，在混合硬化準(zhǔn)則下介于二者之間，并且混合硬化準(zhǔn)則下的計(jì)算結(jié)果最接近實(shí)測(cè)值。TRAN等[63]進(jìn)行穩(wěn)壓器波動(dòng)管焊接殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)時(shí)，在應(yīng)力分析階段分別使用了等向硬化和隨動(dòng)硬化本構(gòu)模型來(lái)捕獲材料在焊接時(shí)的循環(huán)響應(yīng)，結(jié)果表明，比起隨動(dòng)硬化本構(gòu)模型，采用等向硬化本構(gòu)模型獲得的焊接殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)值更高，與實(shí)測(cè)結(jié)果更相符。

2.3.3 結(jié)構(gòu)模型

如果利用雙橢球熱源模型作為焊接模擬的移動(dòng)熱源，對(duì)應(yīng)的分析計(jì)算需要3D模型，計(jì)算量相對(duì)較大。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，不少學(xué)者使用了2D軸對(duì)稱模型，將焊接熱源同時(shí)施加在整段焊縫結(jié)構(gòu)上[64]，并認(rèn)為該模型能夠提供較為保守的異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果[60,62]。但是，2D軸對(duì)稱模型存在約束不足的問(wèn)題[71]。對(duì)于厚壁部件，殘余應(yīng)力沿厚度方向的變化不應(yīng)忽略，采用3D結(jié)構(gòu)模型能更準(zhǔn)確地反映真實(shí)焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)[67]。隨著計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的提高與分析軟件的升級(jí)[68-69]，有望實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件3D焊接應(yīng)力與變形問(wèn)題的數(shù)值模擬。目前已有部分研究工作初步實(shí)現(xiàn)了接管安全端異種金屬接頭的3D焊接過(guò)程模擬。

2.3.4 焊接順序

為了獲得準(zhǔn)確的焊接殘余應(yīng)力分布預(yù)測(cè)結(jié)果，焊接模擬中的焊接順序應(yīng)該盡量與實(shí)際加工制造中的焊接順序相符[50]。RUDLAND等[64]建立了穩(wěn)壓器波動(dòng)管接管嘴異種金屬焊接接頭2D軸對(duì)稱模型并進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析，其主焊縫的焊道排布設(shè)定為焊條由內(nèi)壁表面向外壁表面，按照從左至右或者從右至左的順序填充，計(jì)算結(jié)果顯示，焊接順序不僅能夠改變焊接殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)值的大小，還能夠改變厚度方向最大應(yīng)力的位置。因此，可以通過(guò)調(diào)整焊接順序來(lái)優(yōu)化異種金屬焊接接頭中的應(yīng)力分布，從而緩解一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2.3.5 約束條件

BENDEICH等[71]指出：采用傳統(tǒng)的接管安全端2D軸對(duì)稱模型分析時(shí)通常假設(shè)整個(gè)環(huán)向焊道一次性熔化，并在所有位置上以相同速率冷卻；由于在焊縫兩側(cè)沒(méi)有足夠的約束，兩側(cè)都會(huì)隨著焊縫金屬的膨脹和收縮而移動(dòng)，而實(shí)際上，沉積的焊縫金屬在軸向的膨脹和后續(xù)的收縮中會(huì)受到焊炬前后方已凝固材料的約束，因此傳統(tǒng)2D軸對(duì)稱模型在軸向上約束不足的問(wèn)題在初期的根焊過(guò)程中非常明顯。為此，BENDEICH等[71]提出一種新方法對(duì)軸對(duì)稱模型進(jìn)行約束。該方法通過(guò)編寫子程序更新邊界條件來(lái)實(shí)現(xiàn)，僅允許冷卻階段自由收縮，而在加熱循環(huán)階段限制軸向的膨脹，從而使模型在焊縫區(qū)域受到更多軸向約束，進(jìn)而促進(jìn)應(yīng)變硬化；將這種新的隨動(dòng)約束方法應(yīng)用到穩(wěn)壓器安全泄壓閥軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多道焊模擬中，明顯提高了軸向變形和焊接殘余應(yīng)力曲線分布的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。張倩等[32]也通過(guò)2D軸對(duì)稱模型研究了焊接約束條件對(duì)穩(wěn)壓器安全泄壓管接管安全端焊接接頭殘余應(yīng)力的影響。

2.3.6 層間溫度

TRAN等[63]針對(duì)穩(wěn)壓器波動(dòng)管軸對(duì)稱模型，在焊道填充過(guò)程中分別設(shè)置3組恒定的層間溫度(24.5，150，260 ℃，依據(jù)實(shí)際工廠生產(chǎn)報(bào)告規(guī)定的最大層間溫度260 ℃而確定)，模擬了其多層多道焊接過(guò)程，發(fā)現(xiàn)層間溫度的變化能夠改變焊接殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)值的大小(變化范圍在50～100 MPa)，但是沒(méi)有改變貫穿異種金屬焊接接頭壁厚方向的焊接殘余應(yīng)力曲線分布的整體趨勢(shì)[63]。

不同學(xué)者的模擬工作采取了不同的層間溫度值，比如FREDETTE等[66]設(shè)置的層間溫度為66 ℃。層間溫度范圍的確定主要與所研究焊縫的結(jié)構(gòu)尺寸、焊接工藝流程以及焊材成分相關(guān)。

2.3.7 堆焊修復(fù)層

MARLETTE等[72]通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算評(píng)估了堆焊修復(fù)層(Weld Overlay,WOL)對(duì)穩(wěn)壓器安全泄壓閥接管嘴異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力分布的影響。試驗(yàn)方面，采用深孔鉆削(Deep Hole Drilling,DHD)技術(shù)測(cè)試了沿異種金屬焊接接頭壁厚方向的殘余應(yīng)力分布；計(jì)算方面，采用2D軸對(duì)稱ANSYS有限元模型模擬了貫穿異種金屬焊接接頭壁厚的殘余應(yīng)力分布。結(jié)果顯示，堆焊修復(fù)層降低了異種金屬焊接接頭的拉應(yīng)力，促使拉應(yīng)力區(qū)域朝向外壁表面移動(dòng)，同時(shí)增大了壓應(yīng)力和拉應(yīng)力峰值。ZHANG等[60]對(duì)反應(yīng)堆壓力容器異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力的研究也表明，堆焊修復(fù)層具有進(jìn)一步增強(qiáng)異種金屬焊接接頭軸向和環(huán)向焊接殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的作用。FREDETTE等[66]建立穩(wěn)壓器波動(dòng)管2D軸對(duì)稱模型，計(jì)算了堆焊修復(fù)層對(duì)異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力分布的影響，發(fā)現(xiàn)堆焊修復(fù)層越薄，其降低異種金屬焊接接頭拉應(yīng)力的效果越不明顯，當(dāng)其厚度低于某個(gè)臨界值時(shí)就不能達(dá)到完全消除主焊縫內(nèi)壁上軸向或環(huán)向拉應(yīng)力的效果，從而無(wú)法阻止一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生。林方強(qiáng)等[23]通過(guò)2D軸對(duì)稱模型模擬研究也發(fā)現(xiàn)，堆焊修復(fù)過(guò)程對(duì)穩(wěn)壓器噴霧管結(jié)構(gòu)異種金屬接頭殘余應(yīng)力有消除作用。

2.3.8 同種金屬焊接

不銹鋼安全端和不銹鋼管道之間的同種金屬焊接對(duì)接管安全端異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力分布的影響也受到了各學(xué)者的關(guān)注。RUTHBUN等[50]對(duì)穩(wěn)壓器波動(dòng)管接管安全端異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)與模擬研究，結(jié)果表明同種金屬焊接對(duì)相鄰異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力的影響非常明顯，隨著同種金屬焊接的施加，異種金屬焊接接頭內(nèi)壁上的軸向與環(huán)向應(yīng)力都顯著降低。RUDLAND等[64]對(duì)穩(wěn)壓器波動(dòng)管焊接接頭以及ZHANG等[60]對(duì)大口徑接管嘴焊接接頭的研究均表明，施加同種金屬焊接具有降低異種金屬焊接接頭軸向和環(huán)向拉伸應(yīng)力的作用，但是該降低作用取決于異種金屬焊接接頭和同種金屬接頭焊縫之間的距離，即安全端的長(zhǎng)度。例如，ZHANG等[60]研究的案例中，反應(yīng)堆壓力容器接管安全端的長(zhǎng)度在100 mm，同種金屬焊接的影響明顯，蒸汽發(fā)生器接管安全端的長(zhǎng)度達(dá)到239 mm，同種金屬焊接的影響很小。此外，張倩等[32]的研究工作也表明，安全端長(zhǎng)度對(duì)穩(wěn)壓器安全泄壓管異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力有影響。因此，如同焊接順序，通過(guò)對(duì)安全端長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化也有助于防止一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[64]。

FREDETTE等[66]在對(duì)穩(wěn)壓器波動(dòng)管異種金屬焊接接頭研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)，施加同種金屬焊接具有降低異種金屬焊接接頭內(nèi)表面拉應(yīng)力的效果。但是當(dāng)FREDETTE等[35]以穩(wěn)壓器安全泄壓閥為研究對(duì)象，將不同有限元計(jì)算(采取不同硬化準(zhǔn)則)獲得的異種金屬焊接接頭殘余應(yīng)力曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)施加同種金屬焊接對(duì)其異種金屬焊接接頭貫穿壁厚的應(yīng)力分布基本沒(méi)有影響。這可能是由于和穩(wěn)壓器波動(dòng)管相比，穩(wěn)壓器安全泄壓閥的直徑與壁厚更小，同時(shí)安全端長(zhǎng)度達(dá)到126 mm。MURNSKY等[61]對(duì)穩(wěn)壓器安全泄壓閥的計(jì)算結(jié)果亦顯示，在該結(jié)構(gòu)上施加同種金屬焊接不影響其異種金屬焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)(其結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的安全端長(zhǎng)度約為231.8 mm)。

3 結(jié)束語(yǔ)

過(guò)去20 a內(nèi)，世界各國(guó)壓水堆核電站中不同尺寸管道部件(如穩(wěn)壓器波動(dòng)管和噴淋管，反應(yīng)堆壓力容器熱水段等)都有開(kāi)裂事故發(fā)生，且開(kāi)裂往往集中在焊接接頭處。核電站接管安全端異種金屬焊接接頭內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力是造成該結(jié)構(gòu)發(fā)生一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要驅(qū)動(dòng)力之一。在對(duì)一系列核電主設(shè)備的低合金鋼接管嘴與不銹鋼安全端之間進(jìn)行焊接時(shí)，循環(huán)加熱冷卻、連續(xù)填充焊道的工藝特征使得異種金屬焊接接頭內(nèi)形成了復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布。因此，正確評(píng)估異種金屬焊接接頭中的殘余應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)接頭內(nèi)一次側(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生與擴(kuò)展非常重要。相比于試驗(yàn)檢測(cè)手段，有限元仿真能清晰地表征復(fù)雜焊接件整體結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布，因而被廣泛用于焊接殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)；對(duì)異種金屬焊接接頭焊接過(guò)程的有限元模擬成為研究者關(guān)注的重點(diǎn)。采用有限元順序耦合法模擬焊接過(guò)程的有效性已經(jīng)得到驗(yàn)證，并且利用有限元數(shù)值計(jì)算模型對(duì)大尺寸厚壁部件接頭壁厚方向的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行表征，比普通的試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。此外，有限元模擬可以執(zhí)行大量的焊接參數(shù)敏感性研究計(jì)算，能夠?qū)穗姴考闹圃旃に囂峁┲笇?dǎo)。當(dāng)前，對(duì)于全世界的核電廠來(lái)說(shuō)，壓水堆核電站異種金屬焊接接頭內(nèi)的一次側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂始終是關(guān)注重點(diǎn)，迄今為止國(guó)內(nèi)外對(duì)接管安全端異種金屬焊接接頭這種特殊結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力模擬研究已經(jīng)獲得不少進(jìn)展。鑒于目前有相當(dāng)數(shù)量的接管安全端異種金屬焊接接頭存在于現(xiàn)役與在建的壓水堆核電站中，仍需要對(duì)與核電站主設(shè)備連接的接管安全端進(jìn)行更系統(tǒng)的焊接模擬研究。其中，特別需要針對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)尺寸的接管安全端具體案例，在不同的熱源模型、加工制造流程、焊材選擇、焊接順序、邊界約束等預(yù)設(shè)條件下，對(duì)復(fù)雜多層多道焊結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行有限元計(jì)算和比較，并通過(guò)模擬結(jié)果優(yōu)化工程部件的實(shí)際制造工藝和材料設(shè)計(jì)，從而確保核電站的安全運(yùn)行和結(jié)構(gòu)完整性。