核電站不銹鋼襯里力學(xué)分析及焊接變形控制

吳介普 張 衡

(中國(guó)廣核集團(tuán)中廣核工程有限公司，廣東深圳 518000)

0 引言

不銹鋼水池是壓水堆核電站核反應(yīng)堆廠房(RX)及燃料廠房(KX)的重要組成部分。在核電站的整個(gè)運(yùn)行期間，不銹鋼水池將作為核燃料及廢料運(yùn)輸、存儲(chǔ)的容器，其間將充滿含硼化水，作為核燃料及廢料的放射性的屏障。因此，不銹鋼水池屬于不可修復(fù)的設(shè)備。在電站運(yùn)行期間，必須保證不銹鋼水池不產(chǎn)生泄漏，因此不銹鋼水池的焊接質(zhì)量必須有很高的要求［1］。

不銹鋼水池由RX廠房的換料水池、反應(yīng)堆堆腔;KX廠房的燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道、乏燃料水池、容器裝載井、容器準(zhǔn)備井等構(gòu)成，不銹鋼覆面總重約300 t。乏燃料水池底板為6 mm厚熱軋不銹鋼板，墻面為4 mm厚冷軋2B不銹鋼板，尺寸規(guī)格分別為3 800 mm×1 900 mm，5 000 mm×1 900 mm。其他水池墻體和底板覆面均為冷扎2B的超低碳不銹鋼板(3 mm厚)，材料規(guī)格為6 000 mm×1 300 mm，水池底板和壁板安裝在不銹鋼角鋼支撐上［2］。不銹鋼襯里的設(shè)計(jì)要求是提供對(duì)放射性物質(zhì)的隔離以及耐久性的要求，其設(shè)計(jì)的要求是與下部的混凝土緊密貼靠，不銹鋼襯里本身是不承受水池注水后的水壓力。由于奧氏體不銹鋼本身的熱膨脹系數(shù)大而導(dǎo)熱系數(shù)小，焊接時(shí)自由變形較大。在工程實(shí)踐過(guò)程中，再加上龍骨布置不科學(xué)、焊接應(yīng)力釋放不夠、焊接工序不合理等等因素，很容易出現(xiàn)不同程度的不銹鋼襯里變形問(wèn)題，尤其是水池墻底彎折件部位最為典型。在這種工況下，不銹鋼襯里與下部混凝土面分離，從而使得不銹鋼襯里在水池注滿水后獨(dú)立承受水壓力。

本文從工程實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，考慮由不銹鋼襯里單獨(dú)承受水壓力的極端工況，采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)最容易出現(xiàn)焊接變形的水池底墻角彎折件進(jìn)行力學(xué)計(jì)算及分析，同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)模擬相似試驗(yàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)電站投產(chǎn)換料水池注水后，水壓力對(duì)不銹鋼襯里的影響得出了關(guān)鍵性結(jié)論，同時(shí)給出了該部位焊接過(guò)程中控制焊接變形的有效措施和工藝優(yōu)化。

1 換料水池不銹鋼襯里在水壓力作用下的有限元力學(xué)分析

1.1 問(wèn)題提出

RX廠房換料水池底部墻角折彎件焊接過(guò)程中發(fā)生不同程度的變形，導(dǎo)致焊縫兩邊板上表面發(fā)生錯(cuò)邊，錯(cuò)邊量最大處為2 mm。錯(cuò)邊會(huì)對(duì)焊縫內(nèi)部質(zhì)量產(chǎn)生影響，導(dǎo)致水池密封不良引起漏水;同時(shí)也擴(kuò)大了覆面板與抹灰混凝土基層間隙(BTS4.01規(guī)定局部偏差不應(yīng)大于5 mm)，水池注水后導(dǎo)致不銹鋼襯里局部承受水壓力，有可能引起塑性屈服破壞;在換料期間反復(fù)注水和放水，不銹鋼襯里如果局部變形過(guò)大，存在疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 原因分析

CPR1000核電站換料水池底部墻角折彎件材質(zhì)為Z2CN18.10，尺寸150 mm×150 mm×3 mm，長(zhǎng)度與預(yù)埋龍骨間距一致;預(yù)埋龍骨材質(zhì)Z2CN18.10，尺寸40 mm×40 mm×4 mm，最大間距約2 m;底板材質(zhì)Z2CN18.10，厚度3 mm。以上三個(gè)構(gòu)件組成一種帶墊板的焊接接頭，見(jiàn)圖1。

圖1 不銹鋼覆面安裝示意圖

換料水池施工時(shí)采取的焊接順序是先焊焊縫2，再焊焊縫1。由于不銹鋼焊接收縮量大，焊縫2施焊時(shí)，焊縫1右邊的覆面板2與角鋼4又處于點(diǎn)焊固定狀態(tài)，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致角鋼4水平部分發(fā)生一定程度翹曲變形。由于作為焊縫1的墊板角鋼4水平部分發(fā)生一定程度翹曲變形，組對(duì)焊縫1時(shí)，折彎件1與覆面板2上表面已處于錯(cuò)邊狀態(tài)。焊縫1施焊時(shí)，處于拘束狀態(tài)，焊接內(nèi)應(yīng)力無(wú)處釋放，引起組成焊縫1的構(gòu)件繼續(xù)發(fā)生變形，最終導(dǎo)致焊縫1兩邊構(gòu)件上表面錯(cuò)邊不同程度進(jìn)一步加大，同時(shí)也擴(kuò)大了覆面板與抹灰層間隙。這種情況在換料水池V2墻墻角折彎件焊接初期出現(xiàn)，詳見(jiàn)圖2。

圖2 不銹鋼覆面焊接變形示意圖

1.3 模型建立

為了準(zhǔn)確評(píng)估上述工況下彎折件受力狀態(tài)和變形情況，本文采用ANSYS有限元程序進(jìn)行建模，不銹鋼襯里采用Shell63單元進(jìn)行模擬，該單元為殼單元，可以較好的模擬不銹鋼覆面板這種板殼結(jié)構(gòu)的平面膜應(yīng)力和平面彎曲，對(duì)于焊縫處采用X，Y，Z三個(gè)方向固定約束，將水壓力通過(guò)面荷載施加到彎折件發(fā)生變形的一面，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，僅取彎折件發(fā)生變形的一邊進(jìn)行建模，對(duì)轉(zhuǎn)角處也施加 X，Y，Z 三個(gè)方向固定約束［3］。

模型建立示意圖及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3，圖4。分析步驟說(shuō)明如下:

1)為了便于程序的修改，采用參數(shù)化編程設(shè)計(jì)的思想，定義結(jié)構(gòu)參數(shù)、荷載參數(shù)、結(jié)構(gòu)邊界約束條件等;

2)根據(jù)計(jì)算需要及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況定義單元類(lèi)型、材料性質(zhì)、實(shí)常數(shù)等;

3)通過(guò)控制點(diǎn)生成線，再對(duì)線進(jìn)行單元?jiǎng)澐?lmesh)生成節(jié)點(diǎn)(node)，對(duì)節(jié)點(diǎn)和單元重新排序使其符合右手定則，便于進(jìn)行后處理;

4)將水荷載按照面荷載的特點(diǎn)施加在結(jié)構(gòu)上;

5)運(yùn)行求解;

6)進(jìn)行后處理，提取計(jì)算結(jié)果。

圖3 模型示意圖

圖4 模型網(wǎng)格細(xì)部劃分

1.4 參數(shù)選取

換料水池底標(biāo)高為+7.5 m，水池注滿水后水面標(biāo)高為19.92 m。力學(xué)計(jì)算荷載及材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 力學(xué)計(jì)算荷載及材料參數(shù)取值

1.5 計(jì)算結(jié)果及力學(xué)分析

Z方向節(jié)點(diǎn)位移見(jiàn)圖5，Y方向應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6，計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。

圖5 Z方向節(jié)點(diǎn)位移

圖6 Y方向應(yīng)力云圖

表2 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)ANSYS有限元計(jì)算，不銹鋼彎折件在水壓力作用下，應(yīng)力云圖分布符合力學(xué)規(guī)律，通過(guò)云圖可以看出，在構(gòu)件的跨中，X方向和Y方向的應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力值為143 MPa，遠(yuǎn)小于奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度，所以，水池注水后彎折件在水壓力作用下不會(huì)發(fā)生塑性屈服。通過(guò)變形圖可以得出構(gòu)件的最大位移發(fā)生在跨中位置，位移值為0.312 mm，也遠(yuǎn)小于B.T.S技術(shù)規(guī)格書(shū)要求的局部變形5 mm的要求［2］。

2 相似試驗(yàn)的力學(xué)模擬

為了對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)采用相似實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析彎折件變形后受水壓力作用，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)其變形情況。

2.1 試驗(yàn)方法介紹

現(xiàn)場(chǎng)使用與折彎件相同的材料，按照同樣尺寸制作一個(gè)容器，進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，觀察鋼板變形情況，試驗(yàn)壓力0.14 MPa(水池盛滿水深度12 m，相當(dāng)于0.12 MPa)，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖7。

圖7 模擬實(shí)驗(yàn)示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)充氣前后對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，彎折件在0.12 MPa的壓力下，測(cè)點(diǎn)變形值極小，12處測(cè)點(diǎn)變形值均小于1 mm，普通鋼尺精度無(wú)法測(cè)出。

3 防止換料水池墻角彎折件焊接變形控制措施

通過(guò)上述理論力學(xué)分析和現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，彎折件單獨(dú)承受水壓力不會(huì)發(fā)生塑性屈服，其變形也極其微小，正常充放水工況下不存在疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

但為了滿足B.T.S技術(shù)規(guī)格書(shū)及相關(guān)規(guī)范上對(duì)不銹鋼襯里局部變形和整體尺寸平整度的要求，不銹鋼焊接變形控制顯得尤其重要，而焊接前合理布置焊接順序和支撐龍骨的位置，焊接過(guò)程中控制熱輸入等是控制不銹鋼焊接變形的重要手段。

3.1 焊接前焊接順序的改進(jìn)

結(jié)合奧氏體不銹鋼的材料焊接特性，針對(duì)焊接前換料水池墻角折彎件布置焊接順序改進(jìn)如下:

1)焊縫1、焊縫2及緊鄰的焊縫點(diǎn)焊固定，這樣剛性固定可限制變形，每條焊縫焊接時(shí)采用小的線能量分段退焊可以減少變形。

2)焊接時(shí)覆面板及折彎件上壓上足夠重的配重可以減少變形，配重要用無(wú)污染的材料包裹，以防止不銹鋼襯里銹蝕。

3)預(yù)埋龍骨(角鋼)換成槽鋼或者間隔焊上錨固爪，可以減少變形。

4)將龍骨角鋼的位置調(diào)換，將有錨固爪固定角鋼邊放置在容易發(fā)生焊接變形的折彎件一側(cè)，可有效控制折彎件的變形。調(diào)換位置后的龍骨角鋼示意見(jiàn)圖8。

圖8 龍骨角鋼安裝位置調(diào)整示意圖

3.2 焊接過(guò)程控制

對(duì)于初期發(fā)生的變形問(wèn)題以及后續(xù)的焊接過(guò)程，采取了如下錯(cuò)邊變形控制的措施:

1)組對(duì)焊縫1時(shí)，對(duì)已發(fā)生的較小錯(cuò)邊變形用機(jī)械方法進(jìn)行矯正，符合了技術(shù)規(guī)范的要求;

2)焊縫1施焊時(shí)，減少焊接熱輸入，控制焊接線能量，優(yōu)化后的焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)上述措施改進(jìn)后，在后續(xù)該位置不銹鋼覆面焊接過(guò)程中，焊接變形得到了有效的控制，均在技術(shù)規(guī)格書(shū)要求的控制范圍內(nèi)。通過(guò)嚴(yán)格的焊縫真空檢驗(yàn)，確保了焊縫焊接質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

CPR1000核電站換料水池不銹鋼覆面采用奧氏體不銹鋼材質(zhì)，其熱導(dǎo)率相對(duì)較小，熱膨脹系數(shù)較大，尤其是在水池池底墻角處的折彎件焊接過(guò)程中，容易出現(xiàn)焊接變形。本文通過(guò)ANSYS有限元程序建模，考慮墻角折彎件焊接變形后獨(dú)立承受水壓力的工況，對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)分析，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)折彎件變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最后將計(jì)算分析結(jié)果同現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得出如下結(jié)論:1)換料水池墻角彎折件獨(dú)立承受水壓力后，跨中位置應(yīng)力最大，但應(yīng)力未達(dá)到構(gòu)件材料的屈服強(qiáng)度，折彎件未發(fā)生塑性屈服。2)不銹鋼折彎件在水壓力作用下，最大變形發(fā)生在跨中位置，變形量為0.312 mm，遠(yuǎn)小于B.T.S技術(shù)規(guī)格書(shū)要求的局部變形5 mm的要求。

結(jié)合RX內(nèi)部結(jié)構(gòu)換料水池不銹鋼覆面焊接過(guò)程中控制焊接變形的成功經(jīng)驗(yàn)，本文給出了有效控制墻角折彎件焊接變形的工藝和方法:1)焊接前調(diào)整了彎折件支撐龍骨角鋼的位置、優(yōu)化了焊接順序。2)焊接工程中，在允許范圍內(nèi)優(yōu)化了焊接施工工藝參數(shù)(相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)表3)，并在覆面板上增加配重防止變形。

通過(guò)上述兩方面的措施改進(jìn)，有效的控制了彎折件后續(xù)焊接工程中的變形，確保了RX內(nèi)部結(jié)構(gòu)換料水池水壓試驗(yàn)按期完成。而且使得類(lèi)似問(wèn)題在CPR1000核電站后續(xù)機(jī)組施工過(guò)程中再未出現(xiàn)，為后續(xù)類(lèi)似工程也提供了良好的借鑒。

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［2］中廣核設(shè)計(jì)有限公司 B.T.S 技術(shù)規(guī)格書(shū)4.01-4.08［Z］.

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