核輔助系統管道焊縫模擬件殘余應力分布測試

梁青松

【摘 要】本文采用盲孔法針對核輔助系統管道焊縫模擬件進行了殘余應力分布測試，分析了不同結構的焊接接頭殘余應力分布情況。結果表明：焊縫區的殘余應力水平較高，騎座式接頭的殘余應力高于直管對接接頭的殘余應力。

【關鍵詞】核輔焊縫；殘余應力；盲孔法

0 前言

國內某核電廠核輔助系統管道焊縫曾因電弧擦傷、殘余應力等原因，在焊縫熱影響區檢查出超標缺陷顯示。通過焊接核輔助系統管道模擬件，對不同結構形式的焊縫采用盲孔法進行殘余應力分布測試，能夠了解焊縫的殘余應力分布情況，對于類似系統的焊縫結構設計、安裝、制造等提供重要的借鑒意義。

1 模擬件結構及焊接工藝

1.1 模擬件結構

焊接模擬件的結構、材質規格與真實焊縫相同：其一為4英寸直管對接環焊縫，接頭型式見圖1；其二為4英寸騎座式管支撐角焊縫，接頭型式見圖2。試驗用管子為304L不銹鋼，規格為Φ114.3×13.49mm。

1.2 焊接工藝

焊接采用手工氬弧焊打底，手工電弧焊填充。焊接材料分別為直徑為1.6mm的ER316L焊絲和直徑為3.2mm的E316L焊條。焊接電流控制在80-120A，層間溫度小于150℃。

2 模擬件殘余應力測量

2.1 應變片選型

由于不銹鋼材料采用標準應變片、Φ1.5盲孔法鉆孔時，產生較大切削應變，為研究不同孔徑和不同應變片對切削應變的影響，選擇不同孔徑盲孔和不同應變片對304L不銹鋼退火件進行應力測試。測試結果表明，采用漢中BE120-2CA-B型三向應變花，Φ2.8盲孔進行測試切削應變相對比較小，精度與靈敏系數最佳。

2.2 A、B系數標定

試板為16mm厚的304L鋼板，屈服強度為250MPa，經退火熱處理。采用漢中BE120-2CA-B型三向應變花，測量圓直徑9mm；鉆孔直徑2.8mm和2.6mm孔深3.3mm。試驗選在兩種狀態下測量試板的A、B系數，分別為：0.8σ0.2、0.3σ0.2。最終確定系數A為-0.64，系數B為-0.88。

2.3 表面準備

測量位置的劃定原則是根據應力分析的要求和被測構件表面附近的實際空間狀態來確定的。采用砂輪對焊縫進行表面平整或對鋼板表面進行除銹處理，打磨時要用力均勻、適當，不可用力過猛，也不要長時間打磨一個地方，造成該處溫度過高甚至變色，會嚴重破壞表面的原始應力狀態。將粗磨過的表面進行光滑處理，可進一步減小由于表面粗磨造成的對附加應力影響。采用100-200#的砂布，在兩個相互垂直的方向上來回打磨。通過此步驟可以使表面機械打磨引入的附加應力減至最小，同時便于粘貼應變片[1]。

2.4 測點布置

直管對接環焊縫：以焊縫為中心，沿軸向每隔10mm設置1個測點，布點范圍直到焊縫兩側熱影響區30m。共測量18個點，以獲得軸向焊接殘余應力分布[2]。

支撐角焊縫：受管支撐角焊縫的形狀及殘余應力測量工具限制，圖2中X截面（設為0°）處難以采用盲孔法進行殘余應力測量，故考慮每種結構形式角焊縫測三條線：Y截面處為第一條線（設為90°），視實際情況30°和60°為第二、三條線。每條線橫跨焊縫，每條線上每隔10mm一個測點，直到熱影響區30mm。

3 測試結果分析

3.1 直管測量結果

3.2 騎座式管支撐角焊縫結果

比較直管對接接頭和騎座式焊接接頭的應力測量結果可以發現：騎座式接頭焊縫區應力水平明顯高于直管對接接頭。

4 結論

1）采用盲孔法對直管對接焊縫、騎座式焊縫進行了焊接殘余應力測量，結果表明：焊縫區的應力水平較高。

2）比較不同接頭形式的焊縫區殘余應力可以發現，騎座式接頭焊接殘余應力高于直管對接接頭的焊接殘余應力。

【參考文獻】

[1]操豐，毛彩云，方江，等.核電站主蒸汽管道護板焊縫殘余應力分析.焊接，2012，8：46-70.

[2]姜胡，等.核輔助系統管道對接焊縫及支撐焊縫殘余應力分布測量報告[R].2008：5-6.

[責任編輯：王偉平]