AP1000核電站主管道自動焊接頭殘余應力分析

申 浩，馮英超，王海東，李竹淵，楊秦政

（1.核工業工程研究設計有限公司，北京101300；2.北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124）

AP1000核電站主管道自動焊接頭殘余應力分析

申 浩1，馮英超1，王海東1，李竹淵1，楊秦政2

（1.核工業工程研究設計有限公司，北京101300；2.北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124）

采用X射線衍射法對AP1000核電站主管道自動焊接頭進行應力演變及焊后殘余應力測試。分析討論管道內壁及外壁的環向及軸向殘余應力分布。結果表明：管道內壁近縫處環向殘余應力值先增大后減小并逐漸穩定，而遠縫處殘余應力則保持緩慢上升并逐漸穩定。焊后狀態下，管道外壁軸向殘余應力隨著遠離焊縫，先減小后增大至母材水平，而環向殘余應力則先上升后下降。

AP1000；主管道；殘余應力

0 前言

AP1000屬于第三代先進壓水反應堆。核電站主管道承擔著連接反應堆壓力容器和蒸汽發生器、主冷卻劑泵的功能，是保證核電站一回路壓力邊界完整性的重要設備[1]。焊接殘余應力是產生應力腐蝕裂紋的重要影響因素。對于奧氏體不銹鋼而言，熔敷金屬的晶間腐蝕問題較為突出。其原因除了服役環境之外，主要還有晶間貧鉻以及局部應力分布。主管道母材奧氏體不銹鋼因其熱導率較小、熱膨脹系數較大，焊接過程導致的殘余應力水平較高，惡劣的焊接殘余應力分布將促進晶間應力腐蝕開裂[2-5]。

本研究采用X射線衍射法進行接頭應力演變及殘余應力測試，對管道內壁及外壁的環向及軸向殘余應力的分布進行了分析與討論，為建立我國自主知識產權的窄間隙自動焊工藝提供理論和基礎數據支持，為自動焊接應力變形的調控提供依據。

1 試驗材料及方法

AP1000主管道母材采用ASME/TP316LN，規格φ952.5×82.6 mm。該牌號不銹鋼為低碳控氮型不銹鋼，其耐應力腐蝕性能較好，強度較高；使用焊絲牌號為ASME/ER316L，規格φ1.0 mm。母材及焊絲的名義成分如表1所示。

坡口形式采用窄間隙坡口，如圖1所示。管道焊接層間溫度100℃～150℃，管道焊接位置為5G，全位置TIG自動焊。將管道的一端用點焊至工裝夾具上，另一端僅由焊接夾具支撐，如圖2所示。

表1 TP316LN及ER316L的名義化學成分%

圖1 坡口幾何形狀

實際焊接將焊口焊滿共需要70道，焊接參數為：前6道為打底焊接，焊接電流分別為90/40 A，180/80A，200/105A，220/120A，240/120A，265/130A；填充焊道使用的峰值電流為260～340 A，基值電流為160～240 A；填充末期焊道（剩余深度≤5 mm）的焊接電流為280/180 A；蓋面焊道使用的焊接電流為240/140 A。焊接電壓9.5～10.0 V，焊接速度2.5～2.8 ipm，頻率1.8 pps，占空比50%。

測試應力方法采用X射線衍射法，選取半高寬定峰法處理測試數據。試驗用設備為加拿大Proto公司生產的iXRD-MG40P應力分析儀，該設備主要分為控制系統、電源和測試系統三部分。焊接母材為奧氏體不銹鋼，根據晶格類型，選取的應力測試參數如表2所示。

圖2 管道焊接工裝示意

表2 X射線應力測試參數

在測試焊后殘余應力前需對被測試樣表面進行電解拋光處理（該拋光方法不引入附加應力），以消除在其他加工過程中引起的局部應力，減小表面粗糙度，再對焊件表面進行應力測試。在本研究中，選用質量分數為10%的草酸溶液作為電解液，電壓20 V，電流10 mA，單個測試點拋光時間30 s。拋光完成后用脫脂棉蘸取酒精擦拭測試點。

X射線應力測試分兩部分進行。第一部分為焊接過程中的焊接殘余應力變化測試。跟隨焊接過程的進行，在每個工作日焊接計劃完成后，對預先設置的測試點進行測試。第二部分為焊接過程全部結束后的焊接殘余應力測試。測試點安排如圖3所示，管道以5G位置進行焊接，取管道最高點為0°，最低點為180°。

焊接應力演變監測安排測試點18個，依次距焊縫中心0，10，15，20，25，30，40，50，60，70，80，90，100，110，120，130，140，150 mm。

焊后在外壁取60°位置進行測試，安排測試點20個，依次距焊縫中心0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，12，14，16，18，20，25，30，40，50，80，100 mm。測外壁軸向應力時取測試點中前15個點，測外壁環向應力時取全部20個測試點。

圖3 應力測試點分布示意

2 分析與討論

隨著焊接過程進行，內壁測試點環向的應力變化如圖4所示。無論是在焊接過程的初期還是末期，管道內壁環向應力隨著遠離焊縫都遵循先上升后下降至母材水平的規律，最大值都出現在測試點3～7之間，已達到拉應力300 MPa的水平，即最大值出現在距離焊縫中心20～50mm處，之后隨著遠離焊縫中心，應力值逐漸下降。

由于殘余應力屬于彈性范疇，因此可認為測試點應力數值與母材初始應力數值之差即為焊接過程引起的應力。從這一點來看，焊接過程引起的應力主要是拉應力，并且拉應力很大，約為700 MPa。考慮到管道表面初始殘余應力分布不均勻，數值上有一定差異，因此即使母材初始應力為壓應力，也很有可能因焊接過程引起較大的拉應力。

圖4 焊接過程中內壁測試點的環向應力

從每次測試結果整體來看，在整個焊接過程中，內壁環向應力在母材應力水平上發生變化的區域基本上都在距離焊縫80 mm的范圍內。該范圍之外，應力水平都穩定在母材初始應力水平上，因此可以認為該焊接工藝條件下，焊接過程引起的管道內壁的環向應力變化就只發生在沿管道軸向距離焊趾80 mm的范圍內。在這個范圍內應力數值較小，即因焊接產生的拉應力數值較大的區域大致在測試點2～8之間，即在軸向上距離焊趾處15～60 mm范圍內壓應力數值較小，在焊接過程初期，從壓應力演變為拉應力的趨勢。

從不同階段的應力變化來看，變化最大的階段發生在前38道焊接過程中，應力發生較大變化的區域集中在軸向上距離焊趾處15～60mm的范圍內。在此之后，焊接過程對管道內壁環向應力的影響逐漸減小。這是因為這個階段的焊接熔池已經遠離了管道內壁，管道內壁的溫度幅值已經比較低，由溫度不均勻性帶來的應力變化也就比較小。此外焊接熔池及附近的高溫金屬區域已經遠離管道內壁，由焊接熔池凝固以及焊接熔池周圍金屬在高溫時產生的壓縮塑性變形無法直接影響管道內壁的應力，此時管道內壁的應力變化只是結構應力與變形的響應。因此在焊接完成前38道后，管道內壁環向應力的數值比焊接過程初期的變化更小。

綜上所述，AP1000主管道焊接過程中，管道內壁的環向焊接殘余應力發生較大變化的階段主要在前38道焊接過程中，由焊接引起的管道內壁環向應力的變化范圍主要在距離焊趾處80 mm的范圍內，其中應力變化較大的區域大約在距離焊趾處15～60 mm范圍內。

另外，從每個測試點應力值自身的變化來看，近縫區測試點的應力值經歷的是先上升后下降，而后逐漸穩定的過程，而遠縫區測試點的應力值則是一直上升逐漸穩定的過程。

對于近縫處，大致在焊縫厚度達到整體厚度的1/3處應力值開始逐漸穩定。結合焊縫收縮量的變化規律，當焊縫厚度達到一定值時，母材及接頭組成的結構整體剛度達到一個峰值，繼續進行焊接，焊縫收縮導致的殘余應力在這樣的結構剛度下不足以使整個結構的應力與變形繼續發生較大的變化。

從測試結果數據還可知，不同數據點的測試結果波動性較大，即使在遠離焊縫的母材處，應力數值也存在著差異，這是因為該型管道為整體鍛造管道，管道表面存有相當數值的壓應力，并且內、外壁不同區域處的應力數值差異較大，這也導致焊接接頭的殘余應力測試結果有一定的波動性。

焊接過程結束后，管道外壁 60°處軸向、環向應力測試結果如圖5所示。由圖5a可知，管道接頭軸向應力隨著遠離焊縫，呈現先下降后上升的過程，最后恢復到母材水平。由圖5b可知，管道環向應力變化比較復雜，大體上呈現先上升后下降至母材水平的過程。

圖5 管道外壁60°處軸向、環向應力測試結果

當焊接過程全部完畢后，與環向應力數值相比管道接頭處軸向應力數值較小。這是因為管道的壁厚與內徑之比為0.1，可以看作是一種殼結構，不進行外部約束，這種結構的軸向與徑向的內拘束度較小而環向的內拘束度較大，實際焊接過程中，只對管道一側進行了軸向約束，另一側無軸向約束，可以自由變形，這就導致軸向應力數值相對較小。實際核島現場安裝過程中，管道必然受到多個位置與方向的約束，若要保證管道在安裝后服役前的應力分布與數值處于一個良好的水平，就必須著重考慮裝夾條件的影響，包括裝夾條件作為外部拘束對焊接殘余應力分布的影響以及安裝過程對管道焊接殘余應力再分布的影響。

在每一次測試過程中，與母材應力水平相比，應力數值發生變化的測試點可以分為兩個區域。區域Ⅰ是完全受到焊接熱過程的影響，經歷的峰值溫度很高，初始應力完全或大部分被釋放，殘余應力全部或大部分是焊接過程引起的，焊縫附近的熱影響區就屬于這個區域；區域Ⅱ是受到的焊接熱過程影響較小，殘余應力數值是初始殘余應力與焊接過程引起的殘余應力綜合的結果，遠離焊縫以及焊接熱影響區的部分就屬于該區域。對比圖5a、5b可知，區域Ⅰ內的應力變化過程截然相反。對于軸向應力而言，在區域Ⅰ中，焊接引起的焊縫及周圍金屬的壓應力與管道初始壓應力疊加，造成數值較大的壓應力；在區域Ⅱ中，隨著與焊縫距離的增加，管道軸向應力水平逐漸上升至母材初始應力；對于環向應力而言，在區域Ⅰ中，焊接引起的環向拉應力與管道初始環向應力綜合，與初始應力相比，最終的環向應力有所上升；在區域Ⅱ中則分為兩個部分，在距離焊趾15～30 mm的區域內，初始壓應力與焊接引起的環向應力疊加，使得此區域內的壓應力數值持續下降，在距離焊趾30 mm之外的區域，焊接引起的應力變化較小，應力數值逐漸上升恢復至母材水平。

因此若只考慮焊接殘余拉應力的控制與改善，就應當著重研究環向焊接殘余應力。在靠近焊縫處的區域內，環向殘余應力很有可能出現拉應力。進一步地，如果管道表面初始壓應力數值較小或者為拉應力，這一區域內的環向殘余應力很可能是數值較大的拉應力。對焊接殘余應力進行控制，可以采用焊前預熱、改善焊接工藝，如修改焊接順序等、及焊后處理如隨焊后熱、隨焊錘擊等方式。

由于鍛造管道的內、外壁都有一定水平的初始壓應力，外壁初始壓應力約為-300～400 MPa，內壁初始壓應力約為-400 MPa。即使焊接過程引起焊接殘余應力，最終無論是管道外壁還是內壁的軸向、環向應力數值都以壓應力為主，只有個別測試點的應力數值接近0 MPa。僅從應力腐蝕開裂的角度而言，這樣的應力分布應當是比較理想的，但是除了焊接所帶來的應力變化外，實際安裝管道的空間位置、重力、裝配應力以及工作狀況也會對最終管道焊接接頭的應力分布造成影響，因此還有待進一步研究。

3 結論

（1）無論是在焊接過程的初期還是末期，管道內壁環向殘余應力的分布情況變化不大，都是隨著遠離焊縫，應力值先增大后減小至母材水平。

（2）隨著焊接過程的進行，管道內壁近縫處環向殘余應力值經歷了先增大后減小并逐漸穩定的過程，遠縫處殘余應力則保持緩慢上升并逐漸穩定的狀態。環向殘余應力均為壓應力。

（3）焊后狀態下，管道外壁軸向殘余應力隨著遠離焊縫，經歷了先減小后增大至母材水平的過程，殘余應力絕對數值較小。而管道外壁環向殘余應力隨著遠離焊縫，經歷了先上升后下降的過程，殘余應力值最大處為拉應力，且殘余應力絕對數值較大。在管道未進行軸向約束的一端，殘余應力絕對數值較小。

[1]陳紅宇，宋樹康，杜軍毅.AP1000鍛造主管道制造技術進展[J].大型鑄鍛件，2013，3（2）：1-3.

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[3]Kasiviswanathan K V，Muralidharan N G，Raghu N，et al.13-Corrosion Related Failures of Austenitic Stainless Steel Components[J].Corrosion of Austenitic Stainless Steels：Mechanism，Mitigation and Monitoring，2002，6（3）：314-339.

[4]Parvathavarthini N，Dayal R K.Time temperature-sensitization diagrams and critical cooling rates of different nitrogen containing austenitic stainless steels[J].Journal of Nuclear Materials，2010，399（1）：62-67.

[5]Padovani C，Winsley R J，Smart N R，et al.Corrosion Control of Stainless Steels in Indoor Atmospheres-Practical Experience（Part 2）[J].Corrosion，2014，71（5）：646-666.

Analysis on residual stress of automatic welding joints of main pipeline in AP1000 nuclear power plant

SHEN Hao1，FENG Yingchao1，WANG Haidong1，LI Zhuyuan1，YANG Qinzheng2
（1.Nuclear Engineering Research and Design Co.，Ltd.，Beijing 101300，China；2.Beijing University of Technology，School of Materials Science and Engineering，Beijing 100124，China）

Using X-ray diffraction method,stress evolution and residual stress test after welding were conducted on automatic welding joints of main pipeline in AP1000 nuclear power plant.The distributions of the hoop and axial residual stress of pipe wall and outer wall were analyzed and discussed.The results showed that,the hoop residual stress values of pipe wall near joints increased first and then decreased，and gradually remained stable.While residual stress ones far from joints slowly rised and gradually remained stable.After welding，axial residual stress values of outer wall with far away from joints，decreased first and then increased to the level of parent metal，while the hoop residual stress fell after rising first.

AP1000；main pipeline；residual stress

TG404

A

1001－2303（2017）02－0070-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.13

2016-07-26；

2017-01-09

申 浩（1989—），男，遼寧鞍山人，工程師，碩士，主要從事焊接工藝及設備方面的研究工作。

獻

申浩，馮英超，王海東，等.AP1000核電站主管道自動焊接頭殘余應力分析[J].電焊機，2017，47（02）：70-75.