核電站不銹鋼襯里力學分析及焊接變形控制

吳介普 張 衡

(中國廣核集團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堆廠房(RX)及燃料廠房(KX)的重要組成部分。在核電站的整個運行期間，不銹鋼水池將作為核燃料及廢料運輸、存儲的容器，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的設備。在電站運行期間，必須保證不銹鋼水池不產生泄漏，因此不銹鋼水池的焊接質量必須有很高的要求［1］。

不銹鋼水池由RX廠房的換料水池、反應堆堆腔;KX廠房的燃料轉運通道、乏燃料水池、容器裝載井、容器準備井等構成，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］。不銹鋼襯里的設計要求是提供對放射性物質的隔離以及耐久性的要求，其設計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大而導熱系數小，焊接時自由變形較大。在工程實踐過程中，再加上龍骨布置不科學、焊接應力釋放不夠、焊接工序不合理等等因素，很容易出現不同程度的不銹鋼襯里變形問題，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立承受水壓力。

本文從工程實際問題出發，考慮由不銹鋼襯里單獨承受水壓力的極端工況，采用大型有限元軟件ANSYS對最容易出現焊接變形的水池底墻角彎折件進行力學計算及分析，同時采用現場模擬相似試驗，對計算結果進行了驗證，對電站投產換料水池注水后，水壓力對不銹鋼襯里的影響得出了關鍵性結論，同時給出了該部位焊接過程中控制焊接變形的有效措施和工藝優化。

1 換料水池不銹鋼襯里在水壓力作用下的有限元力學分析

1.1 問題提出

RX廠房換料水池底部墻角折彎件焊接過程中發生不同程度的變形，導致焊縫兩邊板上表面發生錯邊，錯邊量最大處為2 mm。錯邊會對焊縫內部質量產生影響，導致水池密封不良引起漏水;同時也擴大了覆面板與抹灰混凝土基層間隙(BTS4.01規定局部偏差不應大于5 mm)，水池注水后導致不銹鋼襯里局部承受水壓力，有可能引起塑性屈服破壞;在換料期間反復注水和放水，不銹鋼襯里如果局部變形過大，存在疲勞破壞的風險。

1.2 原因分析

CPR1000核電站換料水池底部墻角折彎件材質為Z2CN18.10，尺寸150 mm×150 mm×3 mm，長度與預埋龍骨間距一致;預埋龍骨材質Z2CN18.10，尺寸40 mm×40 mm×4 mm，最大間距約2 m;底板材質Z2CN18.10，厚度3 mm。以上三個構件組成一種帶墊板的焊接接頭，見圖1。

圖1 不銹鋼覆面安裝示意圖

換料水池施工時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，焊縫1右邊的覆面板2與角鋼4又處于點焊固定狀態，產生很大的內應力導致角鋼4水平部分發生一定程度翹曲變形。由于作為焊縫1的墊板角鋼4水平部分發生一定程度翹曲變形，組對焊縫1時，折彎件1與覆面板2上表面已處于錯邊狀態。焊縫1施焊時，處于拘束狀態，焊接內應力無處釋放，引起組成焊縫1的構件繼續發生變形，最終導致焊縫1兩邊構件上表面錯邊不同程度進一步加大，同時也擴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，詳見圖2。

圖2 不銹鋼覆面焊接變形示意圖

1.3 模型建立

為了準確評估上述工況下彎折件受力狀態和變形情況，本文采用ANSYS有限元程序進行建模，不銹鋼襯里采用Shell63單元進行模擬，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構的平面膜應力和平面彎曲，對于焊縫處采用X，Y，Z三個方向固定約束，將水壓力通過面荷載施加到彎折件發生變形的一面，為了簡化計算，僅取彎折件發生變形的一邊進行建模，對轉角處也施加 X，Y，Z 三個方向固定約束［3］。

模型建立示意圖及網格劃分見圖3，圖4。分析步驟說明如下:

1)為了便于程序的修改，采用參數化編程設計的思想，定義結構參數、荷載參數、結構邊界約束條件等;

2)根據計算需要及現場實際情況定義單元類型、材料性質、實常數等;

3)通過控制點生成線，再對線進行單元劃分(lmesh)生成節點(node)，對節點和單元重新排序使其符合右手定則，便于進行后處理;

4)將水荷載按照面荷載的特點施加在結構上;

5)運行求解;

6)進行后處理，提取計算結果。

圖3 模型示意圖

圖4 模型網格細部劃分

1.4 參數選取

換料水池底標高為+7.5 m，水池注滿水后水面標高為19.92 m。力學計算荷載及材料參數取值見表1。

表1 力學計算荷載及材料參數取值

1.5 計算結果及力學分析

Z方向節點位移見圖5，Y方向應力云圖見圖6，計算結果統計表見表2。

圖5 Z方向節點位移

圖6 Y方向應力云圖

表2 計算結果統計表

通過ANSYS有限元計算，不銹鋼彎折件在水壓力作用下，應力云圖分布符合力學規律，通過云圖可以看出，在構件的跨中，X方向和Y方向的應力最大，最大拉應力值為143 MPa，遠小于奧氏體不銹鋼的屈服強度，所以，水池注水后彎折件在水壓力作用下不會發生塑性屈服。通過變形圖可以得出構件的最大位移發生在跨中位置，位移值為0.312 mm，也遠小于B.T.S技術規格書要求的局部變形5 mm的要求［2］。

2 相似試驗的力學模擬

為了對理論計算結果進行驗證，現場采用相似實驗模擬分析彎折件變形后受水壓力作用，現場監測其變形情況。

2.1 試驗方法介紹

現場使用與折彎件相同的材料，按照同樣尺寸制作一個容器，進行氣壓試驗，觀察鋼板變形情況，試驗壓力0.14 MPa(水池盛滿水深度12 m，相當于0.12 MPa)，試驗裝置見圖7。

圖7 模擬實驗示意圖

2.2 試驗結果

通過充氣前后對監測點的測量發現，彎折件在0.12 MPa的壓力下，測點變形值極小，12處測點變形值均小于1 mm，普通鋼尺精度無法測出。

3 防止換料水池墻角彎折件焊接變形控制措施

通過上述理論力學分析和現場模擬實驗的結果可以看出，彎折件單獨承受水壓力不會發生塑性屈服，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險。

但為了滿足B.T.S技術規格書及相關規范上對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

結合奧氏體不銹鋼的材料焊接特性，針對焊接前換料水池墻角折彎件布置焊接順序改進如下:

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

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

3)預埋龍骨(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換，將有錨固爪固定角鋼邊放置在容易發生焊接變形的折彎件一側，可有效控制折彎件的變形。調換位置后的龍骨角鋼示意見圖8。

圖8 龍骨角鋼安裝位置調整示意圖

3.2 焊接過程控制

對于初期發生的變形問題以及后續的焊接過程，采取了如下錯邊變形控制的措施:

1)組對焊縫1時，對已發生的較小錯邊變形用機械方法進行矯正，符合了技術規范的要求;

2)焊縫1施焊時，減少焊接熱輸入，控制焊接線能量，優化后的焊接參數見表3。

表3 焊接參數統計表

通過上述措施改進后，在后續該位置不銹鋼覆面焊接過程中，焊接變形得到了有效的控制，均在技術規格書要求的控制范圍內。通過嚴格的焊縫真空檢驗，確保了焊縫焊接質量。

4 結語

CPR1000核電站換料水池不銹鋼覆面采用奧氏體不銹鋼材質，其熱導率相對較小，熱膨脹系數較大，尤其是在水池池底墻角處的折彎件焊接過程中，容易出現焊接變形。本文通過ANSYS有限元程序建模，考慮墻角折彎件焊接變形后獨立承受水壓力的工況，對其進行了力學分析，同時現場進行相似模擬實驗，對折彎件變形進行監測，最后將計算分析結果同現場模擬實驗監測數據進行比較分析，得出如下結論:1)換料水池墻角彎折件獨立承受水壓力后，跨中位置應力最大，但應力未達到構件材料的屈服強度，折彎件未發生塑性屈服。2)不銹鋼折彎件在水壓力作用下，最大變形發生在跨中位置，變形量為0.312 mm，遠小于B.T.S技術規格書要求的局部變形5 mm的要求。

結合RX內部結構換料水池不銹鋼覆面焊接過程中控制焊接變形的成功經驗，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)焊接前調整了彎折件支撐龍骨角鋼的位置、優化了焊接順序。2)焊接工程中，在允許范圍內優化了焊接施工工藝參數(相關參數詳見表3)，并在覆面板上增加配重防止變形。

通過上述兩方面的措施改進，有效的控制了彎折件后續焊接工程中的變形，確保了RX內部結構換料水池水壓試驗按期完成。而且使得類似問題在CPR1000核電站后續機組施工過程中再未出現，為后續類似工程也提供了良好的借鑒。

［1］夏吉文.壓水堆核電站不銹鋼水池的焊接［J］.施工技術，2002，31(5)：24-25.

［2］中廣核設計有限公司 B.T.S 技術規格書4.01-4.08［Z］.

［3］邵蘊秋.ANSYS8.0有限元分析實例導航［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［4］龔佑平.不銹鋼襯里技術探討與應用［J］.中國井礦鹽，2000，31(4)：11-13.

［5］吳萬江.嶺澳核電站金屬結構施工中的質量管理［J］.施工技術，2002，31(12)：34-35.

［6］博弈創作室.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2004：124.