核電BOSS頭Overlay焊縫優化設計及應力模擬

侯陽 楊曉冬 劉金平 馬明豪 潘國偉 馮英超

摘? 要：BOSS頭由于其三通結構和功能上的特殊性，使其在核電管道領域發揮著重要的作用。考慮到BOSS頭的作用重要性以及其裂紋引發事故的危害性，本文針對在役核電BOSS頭Overlay修復問題，采用有限元分析法對堆焊前后的BOSS焊縫進行相應的應力模擬，通過堆焊層設計，得到了能有效改善焊縫及附近區域殘余應力的堆焊層數及堆焊方式的。計算結果表明，采取從上往下的堆焊方式覆蓋2層后，能在接頭附近形成明顯的壓應力區，有效抑制裂紋的擴展。

關鍵詞：核電BOSS頭? Overlay修復? 數值模擬? 焊接殘余應力場

中圖分類號：TG441? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0079-06

Abstract： Boss head plays an important role in the field of nuclear power pipeline because of its special structure and function. Considering the importance of boss head and the harm of its cracks， this paper aiming at the problem of overlay repair of boss head in service， adopts the finite element analysis method to simulate the stress of boss weld before and after surfacing. Through the design of surfacing layer， the number of surfacing layers and surfacing method which can effectively improve the residual stress of welding seam and nearby area are obtained. The results show that the obvious compressive stress zone can be formed near the joint by overlaying 2 layers from top to bottom， which can effectively restrain the crack propagation.

Key Words： Nuclear BOSS head; Overlay repair; Numerical simulation; Welding residual stress field

我國在役核電站大量的BOSS焊縫（管道上安放式支管焊縫）長期處于高溫、高壓、放射、腐蝕的環境中[1]。因此，當出現夾渣、氣孔等缺陷或發生泄漏時，復雜工況和作業環境會對檢修造成很多困難。當前，針對BOSS頭的缺陷處理方案主要分為挖補返修、管件更換、Overlay 堆焊修復等[2]。同時需配合使用專用工具控制打磨剩余壁厚并進行焊縫背面充氬保護[3]。目前BOSS焊縫overlay修復技術被國外檢修公司壟斷，一道BOSS焊縫overlay修復技術收費為5000美元以上，國內針對BOSS頭修復的堆焊有限元分析和控制系統設備尚處于研究階段[4]。當前，已有單位采用ansys等軟件對某核級管道 BOSS 頭含缺陷焊縫處置方案展開優化研究[5]。但由于BOSS焊縫為復雜的相貫線焊縫，包含裂紋的殘余應力模擬更為復雜，因此BOSS頭堆焊后接頭應力模擬、參數優化設計以及接頭失效評估分析一直是困擾模擬計算的難題。為此，本文依托福清核電1-4#機組，針對含缺陷的BOSS頭進行Overlay前后堆焊層優化設計、接頭及裂紋附近的應力的計算分析。

1? 有限元模型的建立及其前處理

1.1 材料屬性

BOSS頭模擬件的規格詳見表1。堆焊焊絲選用ASMESFA-5.14所規定的ERNiCrFe-7A鎳基焊絲，焊道分布如圖1所示，堆焊焊道厚2～3mm，寬3～4mm，焊接電流90-120A，焊速為160-180mm/min。

1.2 三維建模

對原始焊縫的焊后應力采用MSC.Marc軟件進行模擬，根據圖紙完成構件的三維造型后，按照距離焊縫位置的遠近以及網格的粗細程度的劃分準則對每個域進行網格劃分。網格劃分結果如圖2所示。同時根據實際缺陷檢測結果與等效原理，焊縫的起弧、收弧位置在焊后承受的三向拉應力最大，因此將缺陷置于起弧與收弧位置。

1.3 材料參數的定義

本研究采用的材料參數由實驗測得，對于高溫物理性能參數，通過對已有的材料參數和模擬經驗進行了相關的外延，表2和為材料參數定義的界面截圖和各參數隨溫度變化趨勢，定義完成后加載到所有單元上。

2? Overlay焊縫層設計

2.1 原始焊縫焊接

含裂紋BOSS頭在不同方向的應力分布云圖如圖3所示，其中黃色部分表現為拉應力，藍色部分表現為壓應力。從圖中可以看出，試件高應力區域主要集中在焊縫及周圍的主管上。這是因為堆焊材料的熱導率和線膨脹系數較大、強度較低，而主管剛度較大，對焊縫及附近材料降溫收縮的拘束很大，造成應力在交界處集中。

BOSS頭裂紋處焊縫的應力分布云圖如圖4所示。從圖中可以看出，BOSS頭在裂紋處及起弧點附近區域應力值遠大于其他位置，其中應力峰值出現在裂紋兩端點處。同時裂紋附近的周向應力和軸向應力都比較大，加之此處易存在冶金缺陷，是結構的危險位置。應力集中可能會導致裂紋發生失穩擴展進而影響到BOSS頭的安全運行。

圖5為試件危險截面殘余應力情況。含裂紋BOSS頭在裂紋路徑上應力關于裂紋兩端基本上呈現對稱分布，裂紋左右兩端點處應力值遠大于中間位置，在靠近裂紋兩端點處應力值顯著增大，在裂紋兩端點處均表現出明顯的尖端應力集中現象。接頭處的徑向、周向和軸向應力均處于拉應力狀態下，焊縫在裂紋的兩端點處最有可能發生失穩擴展，在此作用下容易產生裂紋等缺陷，嚴重影響結構的安全性。

2.2 堆焊層數優化

2.2.1 堆焊1層

試件殘余應力情況如圖6所示。其應力分布基本規律與原始焊縫基本相同，危險位置仍位于起收弧所在的焊縫截面。這是由于焊接熱循環中熱應力的產生使得焊縫及其附近區域的殘余應力遠遠大于遠離焊縫區域的應力。同時，危險截面上焊縫的高應力區向收弧位置偏移。這是由于BOSS頭特殊的形狀結構，堆焊加劇了焊接接頭熄弧處的應力集中，因此焊縫收弧區域的殘余應力值進一步增加。

2.2.2 堆焊2層

試件殘余應力情況如圖7所示。同時相對堆焊1層的殘余應力分布情況，堆焊2層在高應力區的偏移更加明顯。如圖8所示，原始焊縫基本處于三向拉應力狀態，堆焊1層僅形成區域很小的軸向壓應力區，堆焊2層3種單向應力均出現壓應力，且軸向應力區域約占焊縫總厚度的1/3。

2.3 堆焊順序優化

考慮以上計算采用的焊接順序均為從主管向支管堆焊（從下往上），雖形成一定區域的壓應力，但采用此堆焊順序的修復總體效果并不明顯。因此，以下采用從上往下堆焊順序堆焊2層，并進行比較分析。試件整體殘余應力情況如圖9所示，其應力分布基本規律與原始焊縫基本相同。與從下往上堆焊相比，試件高應力區較高。圖10（b）～（d）為含裂紋BOSS頭的徑向視圖、周向視圖和軸向視圖的應力分布云圖，從圖中可以看出，應力最小值為31.2MPa，分布于遠離接頭的主管兩端;在焊縫及附近區域應力峰值達到268MPa，軸向應力分布對稱，當相較原始焊縫出現一定程度的逆時針偏移，內壁應力整體值要較高于外側。

圖11為試件危險截面殘余應力情況所示，雖然起收弧點的殘余應力水平仍要高于其他位置，但沿厚度方向的應力數值均呈現由內向外遞減的趨勢。與從下往上堆焊相比，試件殘余應力最大的位置向主管轉移，雖然應力分布仍由壓應力轉變為拉應力，但其焊縫整體應力數值明顯下降，說明采取從上往下的焊接順序有效降低了裂紋處的應力水平。

圖12給出了壓應力的形成情況，可見于從下往上堆焊相比，從上往下堆焊2層形成的壓應力區更大，尤其是徑向壓應力區增大明顯，覆蓋了焊縫危險截面上半部分，從上往下堆焊2層，徑向壓應力區占全部焊縫的1/2，周向壓應力區占原始焊縫厚度約1/3，軸向壓應力區占原始焊縫厚度約1/2。綜上所述，對于試件，從上往下堆焊更有利于壓應力區的形成，2層即可形成明顯的壓應力區，對原始焊縫裂紋的生成和擴展形成抑制作用，有效減少接頭處應力值。

3? 結語

本文重點模擬計算了BOSS頭Overlay堆焊工藝對含裂紋的焊接接頭殘余應力的影響，對堆焊的修復效果進行理論分析和數值提取。具體結論如下：

（1）試件高應力區較大，殘余應力最高的位置出現在起收弧點與裂紋處，是結構的危險位置。

（2）增加堆焊層厚度有利于殘余壓應力區的形成，為形成明顯的殘余壓應力區，試件至少堆焊2層。

（3）采取從上往下的堆焊順序更有利于殘余壓應力區的形成，堆焊2層時，徑向壓應力區占全部焊縫的1/2，周向壓應力區占原始焊縫厚度約1/3，軸向壓應力區占原始焊縫厚度約1/2。

參考文獻

[1] 靳孝義，徐顯騰，杜文浩.核電站特殊接管座（BOSS頭）焊縫缺陷處理[J].焊接技術，2019（3）：82-83.

[2] 熊志亮.核電廠BOSS頭焊縫缺陷處理及質量改進[J].電焊機，2019，49（4）：109-113.

[3] 朱克明，章日俊，牛壯.核電站核一級BOSS頭焊縫缺陷的處理[J].電焊機，2019（5）：1-8.

[4] 李海超，梁恒斌，任文博，等.BOSS頭修復的自動焊接機器人系統及控制方法[Z].2019.

[5] 張士朋，劉震順，吳高峰，等.某核級管道BOSS頭含缺陷焊縫處置方案優化研究[J].壓力容器，2019，36（10）：56-61.

[6] 唐亮，張進，鄧小云.核電廠BOSS焊縫的相控陣超聲檢測[J].無損檢測，2019，41（6）：46-50.