接管安全端焊接接頭高溫斷裂韌性對比研究

楊乘東， 柳 猛， 張茂龍， 茹祥坤， 唐偉寶

(1. 上海電氣核電集團有限公司， 上海 201306; 2. 深圳中廣核工程設計有限公司， 深圳 518172;3. 上海核電裝備焊接及檢測工程技術研究中心， 上海 201306)

核電站核島主設備的接管安全端異種金屬焊接接頭是一回路的關鍵焊接接頭，壓水堆核電站運行歷史表明接管安全端焊接接頭未達到設計壽期要求時會出現應力腐蝕裂紋，是壓水堆核電站的薄弱環節。目前，三代壓水堆核電站采用的接管安全端主要有兩種類型：按照美國西屋公司設計要求的帶鎳基合金隔離層接管安全端接頭和按照法國阿海琺公司設計要求的不帶隔離層的接管安全端接頭。接管安全端焊接接頭是否包含鎳基合金隔離層，在焊材消耗量和制造周期上存在明顯差異。

目前，對于安全端焊接接頭斷裂韌性的研究，主要集中在含鎳基合金隔離層的接管類型上[1-4]，對不帶隔離層接管安全端的斷裂韌性研究及兩種類型接管安全端的高溫斷裂韌性對比研究較少。對帶鎳基合金隔離層和不帶隔離層兩種接管安全端類型焊接接頭的高溫斷裂韌性進行對比研究，可以為選擇合理的接管安全端類型提供數據支撐，具有重要的工程意義和價值。

1 試驗部分

制備了帶鎳基合金隔離層和不帶隔離層兩種接管安全端焊接接頭(見圖1)。對于帶鎳基合金隔離層安全端接頭，隔離層堆焊第一層后進行消氫熱處理，熱處理溫度為250～300 ℃，隔離層堆焊完成后在595～620 ℃進行消應力熱處理，環縫對接后不進行熱處理。對于不帶隔離層接管安全端焊接接頭，環縫對接后在595～620 ℃進行消應力熱處理。

兩種類型安全端接頭對接完成后進行了滲透檢測(PT)、超聲檢測(UT)、射線檢測(RT)，以及成分、組織、性能檢測，檢測結果均滿足設計要求。

按ASTM E1820—2013 《斷裂韌性測量的標準試驗方法》，在高溫下測定兩種焊接接頭不同位置裂紋的延性裂紋擴展阻力曲線(J-R曲線)和斷裂韌性，裂紋位置見表1，試樣及裂紋尺寸見圖2。高溫試驗在INSTRON-8801型電液伺服試驗機上進行，用電熱絲環境箱控制溫度，試驗溫度取三代壓水堆一回路運行溫度(315 ℃左右)和設計溫度(343 ℃)之間的代表溫度(330 ℃)，試樣保溫時間為30 min，溫度誤差控制在±2 K。試驗采用位移控制，加載速率為 1.5 mm/min, 由試驗機控制顯示系統自動記錄繪制載荷-位移(P-V)曲線。試樣加載到表面延性裂紋擴展長度達到 3 mm時卸載。

表1 試樣初始裂紋位置

圖2 三點彎曲試樣

試驗完后，通過線切割機將試樣未斷裂區域切開，按照ASTM E1820—2013用九分法在斷口上測量初始裂紋長度和擴展裂紋長度。用顯微鏡沿厚度方向測量斷口的初始裂紋長度(a01，a02，a03，…a09)，以及最終裂紋擴展長度(af1，af2，af3，…，af9)，并按照式(1)和(2)計算裂紋初始平均長度a0和裂紋最終擴展平均長度af。

(1)

(2)

通過計算，獲得J積分和裂紋擴展長度Δa之間的關系曲線，即J-R曲線[5]。

2 高溫J-R阻力曲線和斷裂韌性分析

圖3和圖4分別為高溫(330 ℃)下帶鎳基合金隔離層和不帶隔離層接管安全端焊接接頭各材料區三點彎曲試樣的P-V曲線。

P-V曲線下的面積為試樣從變形到斷裂所吸收的能量，面積越大表明材料的抗斷裂性能越好。通過對比可以看出，兩種類型焊接接頭中的界面裂紋(SA508/52Mb界面、52Mb/52Mw界面、52Mw/316L界面等)試樣的P-V曲線所圍面積小于SA508區、52Mb區、52Mw區及316L區P-V曲線所圍面積(其中316L區P-V曲線所圍面積最大，而SA508區P-V曲線所圍面積最小，52Mb區和52Mw區介于316L區和SA508區之間)。

圖3和圖4表明界面抗延性斷裂性能最差，不銹鋼區抗延性斷裂性能最好，隔離層區和焊縫區抗延性斷裂性能在低合金鋼區和不銹鋼區之間。

圖5和圖6為高溫(330 ℃)下帶鎳基合金隔離層和不帶隔離層兩種焊接接頭各材料區三點彎曲試樣經過斷裂韌性試樣計算得到的J-R阻力曲線，其中縱坐標J積分代表斷裂吸收能。

從圖5和圖6可以看出各界面裂紋試樣的J-R阻力曲線最低，即斷裂吸收能最小。此外，低合金鋼區(包括母材和熱影響區)裂紋試樣J-R阻力曲線較低，不銹鋼區(包括母材和熱影響區)裂紋試樣J-R阻力曲線較高，隔離層區和焊縫區裂紋試樣J-R阻力曲線介于低合金鋼區和不銹鋼區之間。對比帶鎳基合金隔離層和不帶隔離層兩種接頭中相同裂紋位置試樣可以看出，帶鎳基合金隔離層試樣的裂紋擴展阻力略高于不帶隔離層試樣的裂紋擴展阻力。

根據圖5和圖6的J-R阻力曲線，按ASTM E1820—2013用Δa=0.2 mm的鈍化線方法測定的兩種接頭各區域的高溫延性斷裂韌性J1c(見表2)。J1c表征材料對延性起裂的阻礙程度。從表2中可以看出兩種接頭界面裂紋的J1c最低，這表明界面處的裂紋最容易起裂。

表2 接頭各位置的高溫延性斷裂韌性J1c

圖5、圖6和表2表明：帶鎳基合金隔離層和不帶隔離層兩種類型接管安全端焊接接頭中，界面和近界面裂紋的高溫J-R曲線和J1c低于其他區域，是接頭發生斷裂的薄弱環節。接頭界面區域主要是焊接熔合區和粗晶熱影響區，其高強度、高硬度及低塑性源于復雜的成分和組織。過高的強度、硬度及低塑性的材料組織易導致裂紋起裂和擴展，因而材料的斷裂韌性較低，當裂紋位于焊接接頭各材料區界面和近界面時，裂紋擴展阻力最低。此外，界面裂紋兩側材料存在較大的強度失配，在界面兩側存在明顯的屈服強度和抗拉強度變化，在高載荷作用下，裂紋尖端大范圍的塑性區一般呈非對稱分布，并主要在低強度材料一側發展，導致低強度材料一側產生高的三軸應力，從而推動裂紋向低強度材料一側擴展，引起裂紋擴展阻力和斷裂韌性的降低。位于熔合線和靠近熔合線的熱影響區裂紋具有低的延性裂紋擴展阻力和斷裂韌性，裂紋擴展向低強度材料區偏轉[6-7]。

對于兩種類型接管安全端焊接接頭中的母材和焊縫金屬中心裂紋，由于其強度較低和塑性較高，且裂紋兩側的材料不存在強度失配和材料拘束效應，因此其延性斷裂韌性比界面區裂紋高。

對比帶鎳基合金隔離層和不帶隔離層接管安全端焊接接頭的高溫J-R阻力曲線和斷裂韌性，帶鎳基合金隔離層接頭試樣的高溫斷裂韌性略高于不帶隔離層接頭試樣的高溫斷裂韌性。不帶隔離層接管安全端接頭的高溫J-R阻力曲線和斷裂韌性總體可以達到帶隔離層接頭的斷裂韌性水平。

3 結語

對帶鎳基合金隔離層和不帶隔離層兩種類型接管安全端焊接接頭進行高溫斷裂韌性對比研究，獲得的研究結果主要包括以下4個方面：

(1) 接頭焊縫區裂紋試樣的高溫J-R阻力曲線和斷裂韌性高于低合金鋼區域，低于不銹鋼區域。

(2)接頭界面裂紋的高溫J-R阻力曲線和斷裂韌性最低，接頭中不同材料界面區域的延性裂紋起裂和擴展阻力最小，是接頭的薄弱環節。

(3) 帶鎳基合金隔離層接頭中熔合區、熱影響區和焊縫中心區的高溫J-R阻力曲線和斷裂韌性略高于不帶隔離層接頭的各對應區域。

(4) 不帶隔離層接管安全端接頭的高溫J-R阻力曲線和斷裂韌性可以達到帶鎳基合金隔離層接頭的斷裂韌性水平。