關(guān)于核電設(shè)備的焊接殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀及調(diào)控措施

楊紅梅 王勇博

摘 要：基于對(duì)核電設(shè)備中焊接殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀與調(diào)控措施的探討研究，本文主要從焊接殘余應(yīng)力的危害性和影響因素、大厚度板及管對(duì)接焊殘余應(yīng)力分布的主要特征以及調(diào)控核電設(shè)備殘余應(yīng)力的有效策略這三方面入手展開分析，希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)人士提供幫助。

關(guān)鍵詞：核電設(shè)備;焊接殘余應(yīng)力;調(diào)控措施

中圖分類號(hào)：TG404;TM623.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言：

作為焊接過(guò)程中的固有產(chǎn)物，焊接殘余應(yīng)力對(duì)于焊接質(zhì)量、結(jié)構(gòu)服役性能的影響都是巨大的，且雖然近年來(lái)我國(guó)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的研究已取得了一定進(jìn)步，但其仍存在著極大的進(jìn)步空間。此時(shí)針對(duì)核電結(jié)構(gòu)電弧焊接殘余應(yīng)力展開全面分析就非常必要，這不僅是焊接效果達(dá)標(biāo)的重要基礎(chǔ)，也是核電設(shè)備能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵保障，只有全面提高焊接殘余應(yīng)力調(diào)控的水平，才能在充分發(fā)揮核電設(shè)備作用的基礎(chǔ)上，推動(dòng)企業(yè)的健康發(fā)展。

一、焊接殘余應(yīng)力的危害性和影響因素

首先，焊接殘余應(yīng)力若無(wú)法得到及時(shí)有效的調(diào)控，核電設(shè)備構(gòu)件靜載承受能力就會(huì)下降，在焊縫區(qū)縱向拉伸焊接殘余應(yīng)力峰值較高的情況下，如果外載工作應(yīng)力與高拉伸殘余應(yīng)力處于相同的方向，就會(huì)導(dǎo)致局部出現(xiàn)塑形變形，承載截面也會(huì)隨之減少，從而使結(jié)構(gòu)承載性能下降。

其次，焊接殘余應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件低應(yīng)力脆性斷裂。通常情況下，溫度與結(jié)構(gòu)鋼韌性較低，疲勞載荷或在腐蝕環(huán)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(yīng)力脆性斷裂問(wèn)題出現(xiàn)的機(jī)率就會(huì)提升。即使焊接殘余應(yīng)力的分布區(qū)域一般只有局部，但實(shí)際上產(chǎn)生的影響是全局性的。

再次，焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度會(huì)下降。拉伸焊接殘余應(yīng)力會(huì)使裂紋閉合受阻，在疲勞載荷應(yīng)力平均值提高的情況下，應(yīng)力循環(huán)特征會(huì)出現(xiàn)變化，進(jìn)而使應(yīng)力循環(huán)損傷加劇，最終造成疲勞強(qiáng)度下降的后果。

最后，部分焊接殘余應(yīng)力在加工或服役時(shí)會(huì)被釋放，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力場(chǎng)失衡而重新分布，這是引發(fā)構(gòu)件變形問(wèn)題的主要原因，對(duì)構(gòu)件尺寸精度與穩(wěn)定性的影響不容忽視。

由此可見，核電設(shè)備中焊接殘余應(yīng)力帶來(lái)的危害與影響是極大的，所以對(duì)其分布規(guī)律與影響因素的深入研究也必須提上日程，盡可能提高對(duì)焊接結(jié)構(gòu)服役壽命與可靠性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確程度，進(jìn)一步為核電設(shè)備中焊接結(jié)構(gòu)使用的安全性提供更高保證。

二、大厚度板及管對(duì)接焊殘余應(yīng)力分布的主要特征

（一）大厚度板對(duì)接焊內(nèi)部殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力可劃分為橫向（σy）、縱向（σx）與z向（σz）三個(gè)類型，分別是垂直焊縫方向、沿焊縫方向以及厚度方向的應(yīng)力，與橫向、縱向兩種應(yīng)力相比較來(lái)講，z向焊接殘余應(yīng)力的幅值最低，基本上不會(huì)應(yīng)用于工程中。由于三個(gè)方向應(yīng)力的厚板結(jié)構(gòu)，對(duì)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(qiáng)拘束下，應(yīng)力于整體厚度來(lái)講拉應(yīng)力較高。前一焊道對(duì)最終焊道橫向收縮的拘束也不容忽視，導(dǎo)致上表面橫向應(yīng)力屬于拉伸應(yīng)力，此時(shí)受到中部區(qū)域變化的影響，形成于下表面的拉伸應(yīng)力，能達(dá)成與上表面橫向拉伸應(yīng)力平衡的狀態(tài)。因?yàn)槭椎琅c最終道焊接，所以熔敷金屬的厚度會(huì)自由變化，此時(shí)上表面z 向殘余應(yīng)力徹底消失，中部壓縮橫向應(yīng)力將z 向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力。

（二）管道環(huán)焊縫內(nèi)部應(yīng)力分布特征

焊接結(jié)構(gòu)中最常見的類型就是焊接管道，業(yè)界也有學(xué)者對(duì)大量碳鋼與不銹鋼環(huán)焊縫接頭殘余應(yīng)力測(cè)試與計(jì)算結(jié)果展開了比較分析，得出環(huán)焊縫沿厚度軸向應(yīng)力分布特征可分為彎曲型與自平衡型這兩種的結(jié)論。前者的分布特征簡(jiǎn)單來(lái)講，即焊縫區(qū)域外壁的軸向應(yīng)力就是壓縮應(yīng)力，而內(nèi)壁區(qū)域則基本上均為拉伸應(yīng)力，焊縫中心和沿厚度軸向應(yīng)力的彎曲應(yīng)力形式反向。后者的特征主要體現(xiàn)在焊縫區(qū)域沿厚度環(huán)向應(yīng)力分布的十分平均，拉應(yīng)力遍布整個(gè)焊縫區(qū)域，壓縮環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在離焊縫處較遠(yuǎn)的地方[1]。

三、調(diào)控核電設(shè)備殘余應(yīng)力的有效策略

（一）注重對(duì)表面的處理

首先是噴丸處理，這種方法的原理即為使用細(xì)小彈丸高速撞擊工件，來(lái)引起噴丸區(qū)的硬化以及表層壓縮殘余應(yīng)力，其在奧氏體不銹鋼晶間應(yīng)力腐蝕開裂問(wèn)題的預(yù)防方面效果非常顯著。實(shí)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(shí)也要注重不能噴丸過(guò)度，否則材料極易出現(xiàn)嚴(yán)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?zèng)_擊，如此能使表面材料形成于表層的壓縮應(yīng)力得到有效消除。

再次是空泡噴丸，就是通過(guò)對(duì)高壓水射流泵的合理應(yīng)用，使高速水流在材料表面形成密集氣泡，此時(shí)如果氣泡破裂，就會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生沖擊波，進(jìn)而形成塑性變形以及壓縮應(yīng)力。此方法已在沸水堆反應(yīng)堆內(nèi)部構(gòu)件腐蝕開裂問(wèn)題的預(yù)防上應(yīng)用并取得良好效果。

最后是焊縫碾壓，需調(diào)控人員運(yùn)用高壓滾輪，進(jìn)行對(duì)焊縫兩側(cè)或整體的碾壓，此時(shí)若焊縫塑性變形嚴(yán)重，壓縮應(yīng)力就會(huì)隨之產(chǎn)生，這對(duì)焊接變形預(yù)防來(lái)講是非常有利的，一般來(lái)講，焊縫碾壓法在焊接過(guò)程中或焊后均可使用。另外，調(diào)控人員也要明確意識(shí)到，隨焊碾壓與一定頻率的沖擊力，才能結(jié)合成為沖擊碾壓法，進(jìn)而達(dá)成對(duì)應(yīng)力變形與焊接熱裂紋預(yù)防控制的目的;焊縫錘擊法也是使焊縫表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的有效途徑，進(jìn)而使拉伸焊接應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)變化[2]。

（二）應(yīng)力釋放與加載外力

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

其次是機(jī)械外力施加，其會(huì)將徑向載荷施加于主冷卻管道系統(tǒng)中，異質(zhì)金屬接頭焊縫一側(cè)的圓周，從而導(dǎo)致管出現(xiàn)壓縮變形，焊接完成后焊縫鄰近區(qū)域內(nèi)壁中就會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，除此之外，展開對(duì)焊接構(gòu)件的振動(dòng)時(shí)效處理，也能將焊接殘余應(yīng)力的幅值降低。對(duì)于核電主設(shè)備來(lái)講，調(diào)控人員應(yīng)將其結(jié)構(gòu)形式與材料作為根據(jù)，來(lái)選擇合適的熱處理工藝參數(shù)，例如熱處理時(shí)機(jī)、保溫時(shí)間以及升降溫速率等，這也是焊接殘余應(yīng)力調(diào)控效率與效果達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵所在。

（三）其它調(diào)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(shí)際焊接的過(guò)程中，管內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象或者是極小的拉伸殘余應(yīng)力，這是焊縫收縮量以及變形量的關(guān)鍵影響因素，從而使材料在高溫氧化水環(huán)境下應(yīng)力腐蝕開裂的抵抗能力的大幅提升。但這種技術(shù)也存在一定弊端，例如易導(dǎo)致側(cè)壁熔合不足等問(wèn)題。

其次是將熱沉施加于管道內(nèi)部，簡(jiǎn)單來(lái)講即為在焊接時(shí)在管內(nèi)部通氣或通水，在將管內(nèi)溫度有效降低的基礎(chǔ)上，形成沿厚度的溫度梯度，此時(shí)熱應(yīng)力就會(huì)使焊縫內(nèi)部局部塑形變形，進(jìn)一步造成焊縫內(nèi)表面以及熱影響區(qū)中，存在壓縮殘余應(yīng)力或拉應(yīng)力。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，在實(shí)際調(diào)控焊接殘余應(yīng)力的過(guò)程中，調(diào)控人員必須將實(shí)際情況與具體需求作為根據(jù)，來(lái)選擇最適合的、效果最好的措施。同時(shí)調(diào)控人員也應(yīng)做到掌握各種方法的優(yōu)勢(shì)與不足，將焊接結(jié)構(gòu)的特征與調(diào)控方法的特征相結(jié)合，充分考慮應(yīng)力調(diào)控措施的經(jīng)濟(jì)性與便利性，進(jìn)而從根本上提高核電設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量與應(yīng)力調(diào)控效果。

參考文獻(xiàn)

[1]付強(qiáng)， 羅英， 劉兆東， et al. 核電設(shè)備的焊接殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀及 調(diào)控措施[J]. 電焊機(jī)， 2019， 49（9）.

[2]葛可可. 核電蒸汽發(fā)生器安全端異種鋼焊接殘余應(yīng)力研究[D].