BOSS頭修復(fù)模擬堆焊研究

宋興輝，馬明豪，吳闖

核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 101300

1 序言

BOSS頭堆焊技術(shù)的核心是在有焊縫缺陷部位的外圍堆焊一定尺寸的耐蝕金屬，進(jìn)行缺陷修復(fù)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)化[1]。一方面，堆焊層產(chǎn)生抗應(yīng)力腐蝕開裂的新壓力邊界[2]；另一方面，通過堆焊改善了焊縫殘余應(yīng)力分布，讓焊縫金屬中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)檩S向和環(huán)向壓應(yīng)力，從而阻止應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生和后續(xù)生長(zhǎng)[3]。基于此，依托在役核電返修數(shù)據(jù)，選取具有代表性的BOSS頭焊縫，對(duì)BOSS頭焊縫開展模擬堆焊研究，得到能夠形成壓應(yīng)力的堆焊層，阻止焊縫內(nèi)部缺陷擴(kuò)展[4]。

依托M310堆型核電B O S S焊縫返修信息，試驗(yàn)選用具有代表性的1/2 i n B O S S 管座+3 i n（1in=25.4mm）母管的奧氏體不銹鋼BOSS接頭作為研究對(duì)象，選用能夠抗低塑性開裂的ASME SFA-5.14 ERNiCrFe-7A鎳基焊絲作為堆焊材料，使用MSC.Marc軟件對(duì)Overlay過程進(jìn)行模擬[5，6]。

2 BOSS焊縫堆焊層設(shè)計(jì)

使用MSC.Marc軟件按照流程對(duì)BOSS焊縫進(jìn)行建模，流程如下：①結(jié)構(gòu)三維造型及分域。②有限元網(wǎng)格劃分。③材料參數(shù)的定義。④初始條件的定義。⑤邊界條件的定義。⑥工步的定義。⑦作業(yè)的定義。堆焊工藝采用堆焊層厚2～3mm、寬3～4mm，焊接電流90～120A、焊接速度160～180mm/min進(jìn)行分析。

2.1 堆焊層數(shù)模擬計(jì)算

堆焊前后的試件整體殘余應(yīng)力、焊縫整體殘余應(yīng)力、危險(xiǎn)截面處殘余應(yīng)力對(duì)比見表1。

表1 堆焊前后應(yīng)力分布對(duì)比 （MPa）

堆焊2層壓應(yīng)力如圖1所示。由圖1可知，堆焊后壓應(yīng)力區(qū)明顯增大，尤其是徑向壓應(yīng)力區(qū)，覆蓋了焊縫危險(xiǎn)截面上半部分；周向壓應(yīng)力區(qū)占原始焊縫厚度約1/3；軸向壓應(yīng)力區(qū)占原始焊縫厚度約1/2。

圖1 堆焊2層壓應(yīng)力

堆焊3層壓應(yīng)力如圖2所示。由圖2可知，堆焊3層可形成明顯的壓應(yīng)力區(qū)，徑向壓應(yīng)力區(qū)占全部焊縫約1/2；周向壓應(yīng)力區(qū)占原始焊縫厚度約1/2；軸向壓應(yīng)力區(qū)基本覆蓋了原始焊縫。從上往下堆焊3層徑向壓應(yīng)力區(qū)增大明顯，不僅基本覆蓋了原始焊縫且占據(jù)了堆焊層的1/2。

圖2 堆焊3層壓應(yīng)力云圖

2.2 堆焊壽命模擬計(jì)算

為保證堆焊的有效性，對(duì)堆焊后焊縫壽命進(jìn)行評(píng)估，以裂紋不擴(kuò)展為設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子小于應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值時(shí)，裂紋將不再擴(kuò)展，證明堆焊工藝有效。

將裂紋面上的最低應(yīng)力和最高應(yīng)力分別置于各自臨近的表面，形成近似的應(yīng)力場(chǎng)。取堆焊3層模擬數(shù)據(jù)，裂紋面上的最低應(yīng)力和最高應(yīng)力分別為-100 MPa、240MPa，分解方式如圖3所示。

圖3 應(yīng)力分解方式

2.3 結(jié)論

1）增加堆焊層厚度有利于殘余壓應(yīng)力區(qū)的形成，可形成明顯的殘余壓應(yīng)力區(qū)。

2）堆焊3層后應(yīng)力強(qiáng)度因子小于應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，修復(fù)后裂紋不擴(kuò)展。

3 結(jié)束語

本文以在役核電站存在缺陷的B O S S焊縫為研究對(duì)象，使用MSC.Marc軟件，通過缺陷等效分析、有限元模型建立、應(yīng)力模擬分析等工作，最終驗(yàn)證了BOSS焊縫堆焊修復(fù)工藝的可行性與可靠性。1/2inBOSS管座+3in母管的奧氏體不銹鋼BOSS

接頭，堆焊3層即對(duì)應(yīng)法向厚度8.5mm、垂直焊腳9.5mm、水平焊腳12mm后，裂紋將不擴(kuò)展，說明堆焊有效。