關于核電設備的焊接殘余應力研究現狀及調控措施

楊紅梅 王勇博

摘 要：基于對核電設備中焊接殘余應力研究現狀與調控措施的探討研究，本文主要從焊接殘余應力的危害性和影響因素、大厚度板及管對接焊殘余應力分布的主要特征以及調控核電設備殘余應力的有效策略這三方面入手展開分析，希望能夠為有關人士提供幫助。

關鍵詞：核電設備;焊接殘余應力;調控措施

中圖分類號：TG404;TM623.4 文獻標識碼：A

引言：

作為焊接過程中的固有產物，焊接殘余應力對于焊接質量、結構服役性能的影響都是巨大的，且雖然近年來我國對焊接殘余應力的研究已取得了一定進步，但其仍存在著極大的進步空間。此時針對核電結構電弧焊接殘余應力展開全面分析就非常必要，這不僅是焊接效果達標的重要基礎，也是核電設備能夠正常運行的關鍵保障，只有全面提高焊接殘余應力調控的水平，才能在充分發揮核電設備作用的基礎上，推動企業的健康發展。

一、焊接殘余應力的危害性和影響因素

首先，焊接殘余應力若無法得到及時有效的調控，核電設備構件靜載承受能力就會下降，在焊縫區縱向拉伸焊接殘余應力峰值較高的情況下，如果外載工作應力與高拉伸殘余應力處于相同的方向，就會導致局部出現塑形變形，承載截面也會隨之減少，從而使結構承載性能下降。

其次，焊接殘余應力可能會導致構件低應力脆性斷裂。通常情況下，溫度與結構鋼韌性較低，疲勞載荷或在腐蝕環境中，存在以裂紋、未熔透以及未熔合等為例的焊接缺陷，低應力脆性斷裂問題出現的機率就會提升。即使焊接殘余應力的分布區域一般只有局部，但實際上產生的影響是全局性的。

再次，焊接構件的疲勞強度會下降。拉伸焊接殘余應力會使裂紋閉合受阻，在疲勞載荷應力平均值提高的情況下，應力循環特征會出現變化，進而使應力循環損傷加劇，最終造成疲勞強度下降的后果。

最后，部分焊接殘余應力在加工或服役時會被釋放，從而導致殘余應力場失衡而重新分布，這是引發構件變形問題的主要原因，對構件尺寸精度與穩定性的影響不容忽視。

由此可見，核電設備中焊接殘余應力帶來的危害與影響是極大的，所以對其分布規律與影響因素的深入研究也必須提上日程，盡可能提高對焊接結構服役壽命與可靠性評價的準確程度，進一步為核電設備中焊接結構使用的安全性提供更高保證。

二、大厚度板及管對接焊殘余應力分布的主要特征

（一）大厚度板對接焊內部殘余應力

焊接殘余應力可劃分為橫向（σy）、縱向（σx）與z向（σz）三個類型，分別是垂直焊縫方向、沿焊縫方向以及厚度方向的應力，與橫向、縱向兩種應力相比較來講，z向焊接殘余應力的幅值最低，基本上不會應用于工程中。由于三個方向應力的厚板結構，對焊縫的作用各不相同，所以其沿厚度分布也不同，而縱向收縮在縱向的強拘束下，應力于整體厚度來講拉應力較高。前一焊道對最終焊道橫向收縮的拘束也不容忽視，導致上表面橫向應力屬于拉伸應力，此時受到中部區域變化的影響，形成于下表面的拉伸應力，能達成與上表面橫向拉伸應力平衡的狀態。因為首道與最終道焊接，所以熔敷金屬的厚度會自由變化，此時上表面z 向殘余應力徹底消失，中部壓縮橫向應力將z 向應力轉變為壓縮應力。

（二）管道環焊縫內部應力分布特征

焊接結構中最常見的類型就是焊接管道，業界也有學者對大量碳鋼與不銹鋼環焊縫接頭殘余應力測試與計算結果展開了比較分析，得出環焊縫沿厚度軸向應力分布特征可分為彎曲型與自平衡型這兩種的結論。前者的分布特征簡單來講，即焊縫區域外壁的軸向應力就是壓縮應力，而內壁區域則基本上均為拉伸應力，焊縫中心和沿厚度軸向應力的彎曲應力形式反向。后者的特征主要體現在焊縫區域沿厚度環向應力分布的十分平均，拉應力遍布整個焊縫區域，壓縮環向應力出現在離焊縫處較遠的地方[1]。

三、調控核電設備殘余應力的有效策略

（一）注重對表面的處理

首先是噴丸處理，這種方法的原理即為使用細小彈丸高速撞擊工件，來引起噴丸區的硬化以及表層壓縮殘余應力，其在奧氏體不銹鋼晶間應力腐蝕開裂問題的預防方面效果非常顯著。實踐證明，噴丸處理法能有效破碎表面晶粒與晶界，在使碳均勻沉淀于晶粒中之后，使腐蝕敏感性降低，但同時也要注重不能噴丸過度，否則材料極易出現嚴重的塑性變形，影響整體功能。

其次是磨粒水射流噴丸，主要是將磨粒混合物與高壓水混合，再向工件表面高速沖擊，如此能使表面材料形成于表層的壓縮應力得到有效消除。

再次是空泡噴丸，就是通過對高壓水射流泵的合理應用，使高速水流在材料表面形成密集氣泡，此時如果氣泡破裂，就會對材料產生沖擊波，進而形成塑性變形以及壓縮應力。此方法已在沸水堆反應堆內部構件腐蝕開裂問題的預防上應用并取得良好效果。

最后是焊縫碾壓，需調控人員運用高壓滾輪，進行對焊縫兩側或整體的碾壓，此時若焊縫塑性變形嚴重，壓縮應力就會隨之產生，這對焊接變形預防來講是非常有利的，一般來講，焊縫碾壓法在焊接過程中或焊后均可使用。另外，調控人員也要明確意識到，隨焊碾壓與一定頻率的沖擊力，才能結合成為沖擊碾壓法，進而達成對應力變形與焊接熱裂紋預防控制的目的;焊縫錘擊法也是使焊縫表面產生壓縮應力的有效途徑，進而使拉伸焊接應力狀態出現變化[2]。

（二）應力釋放與加載外力

首先是焊后熱處理是焊縫區域力學性能以及殘余應力消除中最常見的方法，其不僅能使焊接導致的拉伸與壓縮應力幅值有效降低，也能確保應力始終保持幅值較小的狀態;通常情況下，初始應力狀態、焊縫形狀、材料蠕變行為與焊后熱處理工藝水平，都會對殘余應力消除的實際效果產生影響;構成焊后熱處理法的兩項構成為整體熱處理與局部熱處理。

其次是機械外力施加，其會將徑向載荷施加于主冷卻管道系統中，異質金屬接頭焊縫一側的圓周，從而導致管出現壓縮變形，焊接完成后焊縫鄰近區域內壁中就會產生壓縮應力，除此之外，展開對焊接構件的振動時效處理，也能將焊接殘余應力的幅值降低。對于核電主設備來講，調控人員應將其結構形式與材料作為根據，來選擇合適的熱處理工藝參數，例如熱處理時機、保溫時間以及升降溫速率等，這也是焊接殘余應力調控效率與效果達標的關鍵所在。

（三）其它調控措施

首先是窄間隙小能量焊接法，其能使坡口寬度與熔敷金屬量顯著減小。在管道實際焊接的過程中，管內壁會出現壓縮現象或者是極小的拉伸殘余應力，這是焊縫收縮量以及變形量的關鍵影響因素，從而使材料在高溫氧化水環境下應力腐蝕開裂的抵抗能力的大幅提升。但這種技術也存在一定弊端，例如易導致側壁熔合不足等問題。

其次是將熱沉施加于管道內部，簡單來講即為在焊接時在管內部通氣或通水，在將管內溫度有效降低的基礎上，形成沿厚度的溫度梯度，此時熱應力就會使焊縫內部局部塑形變形，進一步造成焊縫內表面以及熱影響區中，存在壓縮殘余應力或拉應力。

結束語：

綜上所述，在實際調控焊接殘余應力的過程中，調控人員必須將實際情況與具體需求作為根據，來選擇最適合的、效果最好的措施。同時調控人員也應做到掌握各種方法的優勢與不足，將焊接結構的特征與調控方法的特征相結合，充分考慮應力調控措施的經濟性與便利性，進而從根本上提高核電設備焊接結構設計質量與應力調控效果。

參考文獻

[1]付強， 羅英， 劉兆東， et al. 核電設備的焊接殘余應力研究現狀及 調控措施[J]. 電焊機， 2019， 49（9）.

[2]葛可可. 核電蒸汽發生器安全端異種鋼焊接殘余應力研究[D].