中圖分類號(hào)：TL351.6 DOI： 10.16579/j.issn.1001. 9669. 2025.08.007

0 引言

壓水堆核電廠反應(yīng)堆壓力容器（ReactorPressureVessel，RPV）、蒸汽發(fā)生器（SteamGenerator，SG）、主泵等大型設(shè)備的承壓邊界多采用碳鋼材料，在內(nèi)表面堆焊不銹鋼堆焊層用以防腐，連接這些大型設(shè)備的管道多采用奧氏體鋼材料[]。碳鋼容器管嘴與厚壁奧氏體鋼管道通過異種鋼焊縫（DissimilarMetalWeld，DMW）相連接，DMW是由多材質(zhì)組成的復(fù)雜焊接接頭，屬于壓水堆核電站中易發(fā)生失效的薄弱環(huán)節(jié)[2-3]。厚壁DMW存在較為復(fù)雜的焊接殘余應(yīng)力（WeldResidualStress，WRS），容易導(dǎo)致疲勞或腐蝕裂紋的產(chǎn)生。國(guó)際上已經(jīng)發(fā)生數(shù)起核電廠DMW開裂事件[4]。因此，精確獲取DMW的WRS數(shù)值可為裂紋的萌生、擴(kuò)展和臨界斷裂分析奠定基礎(chǔ)[5-6]

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在核電廠DMW的WRS分析方面做了較多的研究工作。FREDETTE等模擬了一回路熱管段DMW修復(fù)后的WRS分布情況；BRUST等[8分析了穩(wěn)壓器波動(dòng)管安全端的各材料在遵循不同硬化準(zhǔn)則時(shí)的WRS分布規(guī)律；SONG等研究了安全端長(zhǎng)度和約束條件對(duì)WRS分布的影響；龔怒[]研究了AP1000核電安全端結(jié)構(gòu)幾何和異種金屬材料性能失配對(duì)安全評(píng)定的影響和DMW缺陷的評(píng)定方法；付明等研究了核電不銹鋼管道對(duì)接焊后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，采用逐層剝離的小孔法測(cè)量得到的殘余應(yīng)力分布呈“W\"形。

在過去二十年中，歐洲結(jié)構(gòu)完整性標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)通過試驗(yàn)和數(shù)值仿真對(duì)18MnD5和Alloy52之間的DMW開展了系統(tǒng)研究，主要圍繞材料性能表征、WRS測(cè)量和建模分析展開[12]。美國(guó)核工業(yè)界已發(fā)布了一套分析核電廠常見DMW的WRS分布規(guī)律的技術(shù)文件，包含分析模型、測(cè)試和數(shù)值仿真分析獲得的分布特性及預(yù)測(cè)結(jié)果不確定性等內(nèi)容[13]。但是，多數(shù)研究采用的焊接仿真模型過于復(fù)雜，缺乏基于簡(jiǎn)化焊接仿真模型的快速評(píng)定應(yīng)用實(shí)踐，如何快速、可靠地獲得厚壁DMW的WRS仍是一個(gè)工程難點(diǎn)。首先，本文調(diào)研了國(guó)際上經(jīng)測(cè)量和數(shù)值分析獲得的核電廠厚壁DMW的WRS情況；其次，基于一種單元體的體積均勻加熱的WRS快速仿真方法，獲得一回路熱管段（RPV出口管嘴與SG進(jìn)口管嘴的連接管段，一回路壓力邊界中運(yùn)行參數(shù)最高的管段）DMW的WRS情況，并與國(guó)際公開數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比論證。

1分析模型與分析方法

1.1 DMW的物理模型

壓水堆核電廠典型的DMW連接部件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文以反應(yīng)堆一回路熱管段的安全端管嘴為例進(jìn)行介紹：

1）RPV容器母材為碳鋼材料，國(guó)內(nèi)機(jī)組一般采用的是16MnD5（對(duì)應(yīng)法國(guó)RCC-M規(guī)范M2111類材料，類似于美國(guó)的A508III鋼）。

2）RPV容器內(nèi)表面堆焊層為奧氏體鋼材料，通常為E309L和ER308L。

3）該回路管道為奧氏體不銹鋼材料，國(guó)內(nèi)機(jī)組材料一般為Z2CND18.12。

4）碳鋼一側(cè)打底焊為奧氏體不銹鋼材料。本報(bào)告參照國(guó)內(nèi)外分析的經(jīng)驗(yàn)反饋方法，分析中打底焊材料基本物理性能取為與管道奧氏體不銹鋼的一致[14]3-35

圖1核電廠異種鋼焊縫連接部件的結(jié)構(gòu)

Fig.1Structure ofDMW connectioncomponentsin nuclear power plant

1. 2 DMW的WRS經(jīng)驗(yàn)反饋

影響DMW的WRS的因素較多，目前核電行業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的分析與測(cè)試方法[15]1-8。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)廣泛進(jìn)行了核電廠一回路承壓邊界管道DMW的WRS的數(shù)值仿真與試驗(yàn)測(cè)試研究。管道軸向應(yīng)力是引起焊縫中環(huán)向裂紋失效的主要因素[16]33-40，美國(guó)工業(yè)界分析獲得的此處DMW軸向WRS結(jié)果如圖2所示。

1圖2中包含了2組DMW的WRS測(cè)試結(jié)果，除了在焊縫內(nèi)、外表面位置附近，兩組測(cè)試結(jié)果基本一致。

2）圖2中包含了3組WRS的數(shù)值仿真分析結(jié)果，僅在靠近管道外表面范圍 （0.7

3）除了在焊縫內(nèi)、外表面處，美國(guó)核管理委員會(huì)（NuclearRegulatoryCommission，NRC）的推薦數(shù)據(jù)（ y=450x²-80x-35） 與測(cè)試結(jié)果一致，在焊縫內(nèi)、外表面處推薦數(shù)據(jù)更偏于保守（內(nèi)、外表面區(qū)域WRS測(cè)試結(jié)果分散性較大，推薦數(shù)據(jù)傾向偏于保守的估值）。

拉伸應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋萌生和應(yīng)力腐蝕開裂的重要因素。圖2中，NRC的推薦數(shù)據(jù)偏于保守，此數(shù)據(jù)將用于本文的對(duì)比分析論證中。

1.3 WRS快速仿真方法

對(duì)于核電廠厚壁承壓管道，依據(jù)焊接形式采用分層、分道的方法進(jìn)行WRS有限元數(shù)值仿真。首先，確定焊縫實(shí)際焊接層數(shù)[圖3（a）]，確定力學(xué)分析模型[圖3（b）]，再對(duì)力學(xué)分析模型進(jìn)行有限元單元?jiǎng)澐諿圖3（d）]。每層焊道由不同的焊道組成，在三維模型中，每條焊道再由不同\"有限元單元結(jié)合\"組成[圖3（c）]。在管道環(huán)向上，多個(gè)“有限元單元結(jié)合\"連接組成整個(gè)焊道[15]1-8[16]33-340。數(shù)值仿真中，在短期內(nèi)將熱量施加到“有限元單元結(jié)合”上，然后通過熱傳導(dǎo)模擬焊接的反復(fù)加熱與冷卻的熱-固耦合過程。

如式（1）所示，當(dāng)前“雙橢球型熱源\"是模擬焊接過程最精確的方法之一[14]3-35。在有限元仿真中，“雙橢球型熱源”需要編制特定的熱源程序，同時(shí)需要耗費(fèi)大量的熱-固耦合分析的計(jì)算時(shí)間。

式中， 為熱生成率； η 為電弧熱效率； U 為焊接電弧電壓；1為焊接電弧電流； v 為焊接電弧移動(dòng)速度； a，b，c 分別為雙橢球熱源在 x，y，z 方向上的半軸長(zhǎng)度； Φ_t 為焊接電弧的加熱時(shí)間； t₀ 為電弧加熱熱流達(dá)到峰值的時(shí)刻；（χ，ζ） 為焊縫各點(diǎn)的空間坐標(biāo)； （χ₀，ζ₀） 為雙橢球熱源中心位置。

圖3厚壁承壓管道焊接殘余應(yīng)力數(shù)值仿真方法Fig.3Numerical simulationmethod ofWRS for thick-walled pressure-bearingpipeline

針對(duì)核電廠厚壁承壓管道異種鋼焊縫WRS數(shù)值仿真工程分析需要，擬采用有限元單元體內(nèi)部均勻體積加熱的簡(jiǎn)化熱源模型。單元體均勻體積加熱率計(jì)算式 [15]1-8[16]333-340 為

式中， Q 為熱輸人量； V_bead 為焊接“單元結(jié)合”的體積；

t_ramp 為焊接時(shí)間。

有限元單元體內(nèi)部均勻體積加熱方法中無須編制熱源程序，減少了計(jì)算運(yùn)行程序的復(fù)雜性。在數(shù)值分析過程中，可通過簡(jiǎn)化的線性斜坡加載的控制方法給“有限元單元結(jié)合\"加熱，并在每個(gè)增量時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)遞增一定比例的加熱率。數(shù)值分析過程中的溫度檢查流程如圖 4^[16]333-340 所示。線性斜坡加載方法只是一個(gè)初始輸入條件，數(shù)值仿真分析中通過監(jiān)測(cè)每個(gè)熱輸入增量過程中的溫度的計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整熱量時(shí)間的長(zhǎng)短，如“有限元單元結(jié)合”溫度已經(jīng)到達(dá)金屬熔化溫度，則終止熱量輸入，開始單元體的冷卻。

圖4焊接過程中溫度檢查控制方法

Fig.4 Temperature inspectionandcontrol method duringweldingprocess

2熱管段DMW案例分析

2.1 分析模型

某典型的RPV有限元分析模型如圖5所示。其中，RPV筒體管嘴位置的開孔直徑為 984.6mm ，一回路管道的內(nèi)、外壁直徑分別為 698，852mm ，管嘴至DMW的長(zhǎng)度為 320mm 。

圖5RPV及其管嘴有限元模型

Fig.5 Finiteelementmodel ofRPVand thenozzle

2.2 材料性能

本文分析中參考法國(guó)RCC-M規(guī)范選取材料的性能，16MnD5的基本物理性能如表1所示，堆焊層基本物理性能如表2所示，奧氏體不銹鋼管道材料基本物理性能如表3所示，材料的泊松比取為定值0.3。

表1～表3中， E 為彈性模量； α 為熱膨脹系數(shù)； λ 為導(dǎo)熱系數(shù)； ρ 為密度； C 為比熱容。

如圖6所示，基于美國(guó)工業(yè)界推薦的碳鋼和奧氏體鋼拉伸性能曲線[14]3-35進(jìn)行DMW的WRS的數(shù)值仿真分析。

表116MnD5材料基本物理性能

Tab.1 Basicphysicalpropertiesof16MnD5material

注：*行數(shù)據(jù)為指定溫度與 20°C 之間的平均值。Note：*row data is the average value between the specified temperature and 20°C 元

表2堆焊層材料（E309L和ER308L）基本物理性能Tab.2Basicphysical properties of overlaycladding material（E3o9L and ER308L

注：*行數(shù)據(jù)為指定溫度與 20°C 之間的平均值。Note： *_row dataisthe averagevalue between the specified temperature and

2.3 異種鋼焊縫的WRS分析

本文WRS的數(shù)值仿真中焊道分布如圖7所示，每種顏色代表一個(gè)焊道，整體控制焊道在壁厚方向上的尺寸為 2mm 左右，在軸向和圓周方向上的尺寸為壁厚方向上的2倍左右[15]1-8。如圖8所示，沿著DMW中心路徑提取WRS的數(shù)據(jù)。應(yīng)力分析路徑上的WRS分析結(jié)果如圖9、圖10所示。

1）本文仿真結(jié)果避免了在焊縫內(nèi)、外表面處美國(guó)工業(yè)界數(shù)值仿真結(jié)果代數(shù)值偏小的問題，分析結(jié)果整體上與WRS實(shí)際測(cè)量值的趨勢(shì)一致。

表3奧氏體不銹鋼管道材料（Z2CND18.12）基本物理性能

Tab.3Basic physical properties of austenitic stainless steel pipeline material（Z2CND18.12）

注：*行數(shù)據(jù)為指定溫度與 20°C 之間的平均值。Note： data is the average value between the specified temperature and 20°C

圖6焊縫材料真塑性應(yīng)變-真應(yīng)力數(shù)據(jù)Fig.6Trueplastic strain-truestressdataofweldedjointmaterials

2）本文仿真分析結(jié)果與美國(guó)推薦的擬合包絡(luò)曲線趨勢(shì)一致，整體上可以被美國(guó)推薦的擬合曲線包絡(luò)，但在管道內(nèi)、外表面位置處的應(yīng)力代數(shù)值明顯低于美國(guó)的推薦值（拉伸的正應(yīng)力危害性更大）。

3）相比美國(guó)推薦的擬合曲線，本文數(shù)值仿真獲得的管道內(nèi)表面位置處的壓縮壓力明顯與圖2中的真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)更為接近。

4）在厚壁DMW內(nèi)表面的WRS為壓縮應(yīng)力，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定角度出發(fā)，WRS可以起到抑制管道內(nèi)表面疲勞裂紋萌生和降低應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)，即相比美國(guó)推薦數(shù)據(jù)，管道實(shí)際結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面具有更多的安全裕度。

圖7焊接殘余應(yīng)力數(shù)值仿真焊道分布（每種顏色代表1個(gè)焊道） Fig.7Weldbead distributionforWRSnumerical simulation（each colorrepresentsaweld pass）

圖8焊接殘余應(yīng)力的提取路徑 Fig.8Extractionpath ofWRS

5在厚壁DMW的外表面存在明顯的拉伸WRS，拉伸WRS數(shù)值較大，超過 200MPa ，但此區(qū)域不與反應(yīng)堆冷卻劑接觸，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)低。

此處需注意到，本文的焊接仿真中未考慮管道內(nèi)表面位置襯底一層的焊接（實(shí)際制造中，多出的這部分焊接區(qū)域會(huì)被機(jī)加工切除），將在后續(xù)研究中進(jìn)一步細(xì)化所用的分析模型

圖9軸向焊接殘余應(yīng)力分布云圖

Fig.9AxialWRSdistributionnephogram

3結(jié)論

提出基于單元體均勻加熱的簡(jiǎn)化方法并快速仿真獲得了DMW的WRS，得到如下結(jié)論：

1）本文仿真結(jié)果避免了在焊縫內(nèi)、外表面處美國(guó)工業(yè)界數(shù)值仿真結(jié)果代數(shù)值偏小的問題，分析結(jié)果整體上與WRS實(shí)際測(cè)量值趨勢(shì)一致，且整體上可以被美國(guó)推薦的擬合曲線包絡(luò)。

2）相比美國(guó)推薦的擬合曲線，本文數(shù)值仿真獲得的管道內(nèi)、外表面位置處的壓縮壓力明顯與真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)更為接近。在厚壁DMW內(nèi)表面的WRS為壓縮應(yīng)力，其可以起到抑制內(nèi)表面疲勞裂紋萌生和降低應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)；在厚壁DMW的外表面存在明顯的拉伸WRS。

3）在管道內(nèi)、外表面位置處的應(yīng)力代數(shù)值明顯低于美國(guó)的推薦值（拉伸的正應(yīng)力危害性更大），說明相比美國(guó)推薦數(shù)據(jù)，管道實(shí)際結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外表面處具有更多的安全裕度。

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Abstract： In pressurized-water reactor nuclear power plants，the vessel nozzes of largecarbon steel equipment such as reactorpressurevesel（RPV），steamgenerator（SG），andmainpumpsareconectedtousteniticsteelpipesthroughissilar metal welds （DMWs）.Thethick-walledDMW hasmaterial inhomogeneityandcomplex weldresidual stress （WRS）which easily leads tothegenerationoffatigueorstresscorrosioncracks.Firstly，the WRSofDMW innuclearpowerplantsobtained through interationalmeasurementsandumericalanalyseswasinvestigated.Then，basedonaapidWRSsimulationmethod forvolume uniform heating ofunit cels，the WRSof DMW in the hot legofthe primary loop （theconnecting pipe section fromRPVoutlet toSGinlet，whichis the pipesectionwith the highestoperating parameters intheprimarylooppressure boundary）wasobtained.Thenumericalsimulationresultsareconsistent withthetrendoftheftingenvelopecurve recommendedbytheUnitedStates，andtheoverallresultscanbeenvelopedbythefitingcurverecommendedbytheUnited States，indicatingthatthedescribedrapidWRSsimulationmethodisfeasible.TheWRSofthick-walldDMWisrelatively high，andthestressvalues atthe innerandoutersurfacesofthe pipeare moreconservative thantherecommendedvaluesof the United States， suggesting that more safety margins can be obtained in actual structural analyses.

Key Words： Pressurized-water reactor; Dissmilar steel weld; Weld residual stress; Numerical simulation Corresponding author：PENG Qunjia， E-mail： qunjiapeng@163.com Fund：National KeyResearchamp;Development Program （2O20YFBl901500）;NationalNatural Science Foundationof China （12075274） Received：2023-12-22 Revised：2024-03-07