核辅助系统管道焊缝模拟件残余应力分布测试

梁青松

【摘 要】本文采用盲孔法针对核辅助系统管道焊缝模拟件进行了残余应力分布测试，分析了不同结构的焊接接头残余应力分布情况。结果表明：焊缝区的残余应力水平较高，骑座式接头的残余应力高于直管对接接头的残余应力。

【关键词】核辅焊缝；残余应力；盲孔法

0 前言

国内某核电厂核辅助系统管道焊缝曾因电弧擦伤、残余应力等原因，在焊缝热影响区检查出超标缺陷显示。通过焊接核辅助系统管道模拟件，对不同结构形式的焊缝采用盲孔法进行残余应力分布测试，能够了解焊缝的残余应力分布情况，对于类似系统的焊缝结构设计、安装、制造等提供重要的借鉴意义。

1 模拟件结构及焊接工艺

1.1 模拟件结构

焊接模拟件的结构、材质规格与真实焊缝相同：其一为4英寸直管对接环焊缝，接头型式见图1；其二为4英寸骑座式管支撑角焊缝，接头型式见图2。试验用管子为304L不锈钢，规格为Φ114.3×13.49mm。

1.2 焊接工艺

焊接采用手工氩弧焊打底，手工电弧焊填充。焊接材料分别为直径为1.6mm的ER316L焊丝和直径为3.2mm的E316L焊条。焊接电流控制在80-120A，层间温度小于150℃。

2 模拟件残余应力测量

2.1 应变片选型

由于不锈钢材料采用标准应变片、Φ1.5盲孔法钻孔时，产生较大切削应变，为研究不同孔径和不同应变片对切削应变的影响，选择不同孔径盲孔和不同应变片对304L不锈钢退火件进行应力测试。测试结果表明，采用汉中BE120-2CA-B型三向应变花，Φ2.8盲孔进行测试切削应变相对比较小，精度与灵敏系数最佳。

2.2 A、B系数标定

试板为16mm厚的304L钢板，屈服强度为250MPa，经退火热处理。采用汉中BE120-2CA-B型三向应变花，测量圆直径9mm；钻孔直径2.8mm和2.6mm孔深3.3mm。试验选在两种状态下测量试板的A、B系数，分别为：0.8σ0.2、0.3σ0.2。最终确定系数A为-0.64，系数B为-0.88。

2.3 表面准备

测量位置的划定原则是根据应力分析的要求和被测构件表面附近的实际空间状态来确定的。采用砂轮对焊缝进行表面平整或对钢板表面进行除锈处理，打磨时要用力均匀、适当，不可用力过猛，也不要长时间打磨一个地方，造成该处温度过高甚至变色，会严重破坏表面的原始应力状态。将粗磨过的表面进行光滑处理，可进一步减小由于表面粗磨造成的对附加应力影响。采用100-200#的砂布，在两个相互垂直的方向上来回打磨。通过此步骤可以使表面机械打磨引入的附加应力减至最小，同时便于粘贴应变片[1]。

2.4 测点布置

直管对接环焊缝：以焊缝为中心，沿轴向每隔10mm设置1个测点，布点范围直到焊缝两侧热影响区30m。共测量18个点，以获得轴向焊接残余应力分布[2]。

支撑角焊缝：受管支撑角焊缝的形状及残余应力测量工具限制，图2中X截面（设为0°）处难以采用盲孔法进行残余应力测量，故考虑每种结构形式角焊缝测三条线：Y截面处为第一条线（设为90°），视实际情况30°和60°为第二、三条线。每条线横跨焊缝，每条线上每隔10mm一个测点，直到热影响区30mm。

3 测试结果分析

3.1 直管测量结果

3.2 骑座式管支撑角焊缝结果

比较直管对接接头和骑座式焊接接头的应力测量结果可以发现：骑座式接头焊缝区应力水平明显高于直管对接接头。

4 结论

1）采用盲孔法对直管对接焊缝、骑座式焊缝进行了焊接残余应力测量，结果表明：焊缝区的应力水平较高。

2）比较不同接头形式的焊缝区残余应力可以发现，骑座式接头焊接残余应力高于直管对接接头的焊接残余应力。

【参考文献】

[1]操丰，毛彩云，方江，等.核电站主蒸汽管道护板焊缝残余应力分析.焊接，2012，8：46-70.

[2]姜胡，等.核辅助系统管道对接焊缝及支撑焊缝残余应力分布测量报告[R].2008：5-6.

[责任编辑：王伟平]