CAP1000反应堆压力容器堆测接管堆焊管座疲劳性能

张俊宝，谷 雨，梅 乐，余 燕

（上海核工程研究设计院，上海200233）

CAP1000反应堆压力容器堆测接管堆焊管座疲劳性能

张俊宝，谷 雨，梅 乐，余 燕

（上海核工程研究设计院，上海200233）

CAP1000反应堆压力容器堆测接管管座采用低合金钢堆焊成型，堆焊是增材制造的最原始形态。在核电的压力容器设计上，采用堆焊结构作为结构的一个部件是不常见的。采用埋弧堆焊，从堆焊结构的三个方向——垂直于焊接方向、平行于焊接方向、堆焊结构的高度方向分别进行疲劳试验。试验结果表明，三个方向的疲劳性能基本相当。疲劳试验结果与ASME第Ⅲ卷附录Ⅰ提供的母材的疲劳曲线进行对比，三条试验曲线的数据点均位于ASME基准曲线的上方，因此采用ASME第Ⅲ卷附录Ⅰ提供的母材疲劳曲线进行堆焊管座的力学评定是合适的。

CAP1000；堆测接管管座；埋弧焊；疲劳性能

0 前言

在核电的压力容器设计上，一般采用分体锻造接管与本体焊接，或在容器上局部加厚，进行机加工出接管，但是带来的问题是锻件局部加厚，影响主体结构的力学性能。无论分体锻造接管还是机加工出接管，与堆焊相比，在设备制造的经济型方面不占优势。CAP1000反应堆压力容器堆测接管管座采用堆焊的方式成型[1]，堆焊后进行焊后热处理。堆测接管管座作为一回路的压力边界部件，对于设备的安全运行有着重要的影响。堆焊结构作为结构的一个部件是不常见的。因此，从堆焊结构的三个方向——垂直于焊接方向、平行于焊接方向、堆焊结构的高度方向分别进行疲劳试验，对比各个方向的性能。另外，在ASME第Ⅲ卷附录Ⅰ并未提供焊缝金属的疲劳曲线，在设计力学评定时一般采用相应母材的疲劳曲线进行分析，因此，本研究将实验所得疲劳试验数据与ASME第Ⅲ卷附录Ⅰ提供的设计疲劳曲线进行了对比。

1 模拟件的制作

模拟件采用的焊接材料与CAP1000产品使用的完成相同，所采用的焊接工艺（埋弧焊）、焊接设备、焊接规范参数、热处理制度也与CAP1000产品堆测接管堆焊管座一致。焊接工艺按ASME标准评定合格，焊接材料和焊接规范如表1所示。模拟件采用的母材为SA508 Gr.3 Cl.1，厚度60mm，长度600mm，宽度300 mm。母材的化学成分如表2所示。F9P4-EG-G的焊丝和熔敷金属的实测结果分别见表3和表4。

表1 焊接材料和焊接规范Table 1 Welding material and welding parameters

表2 母材化学成分Table 2 Compsition for base metal ％

表3 焊丝化学成分Table 3 Compsition for welding wire ％

表4 熔敷金属化学成分Table 4 Compsition for weld metal ％

焊接接头形式如图1所示，模拟产品的情况，隔离层采用焊条电弧焊，当隔离层厚度不小于7 mm时，采用埋弧自动焊进行堆焊，直至达到堆焊厚度的要求。焊接过程严格控制道间温度，焊道搭接量在1/2～2/3，每层焊道厚度不大于4 mm，焊丝干伸长量30～35 mm。

图1 接头形式Fig.1 Joint type

当试板堆焊层厚度达到T=150 mm时进行中间消应力热处理，当试板堆焊层厚度达到T=300 mm以上时进行最终消应力热处理。

2 疲劳性能试验

在试验件的平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向分别各取12个试样进行350℃高温疲劳试验，12个试样分6组，每组在1个应变幅下进行试验。低周疲劳试验按照ASTM E606-2012进行，试样采用中间工作部分为φ10 mm的标准低周试样，试样详细尺寸如图2所示。

疲劳试验首先对试样进行原始尺寸测量。选取不同的应变水平（0.2％～1.0％），在规定应变速率[一般为（5～8）×10-3/s-1]的要求下计算试验频率。在预估寿命次数条件下选择相应的参考环作为试样失效的评判依据，试验载荷下降至记录的参考环载荷80％时，试样产生裂纹并失效。根据最终不同应变水平下的寿命（疲劳寿命最大为105cycles）及应力参数，统计分析得到相应的疲劳特征值和S-N曲线。试验后选取典型试样进行断口分析。最后统计试验结果进行分析处理得到设计疲劳曲线的验证曲线。

图2 疲劳试样Fig.2 Fatigue specimen drawing

平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向疲劳试验的循环特征参数如表5所示。

表5 疲劳循环特征参数Table 5 Fatigue recycle characteristic parameters

平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向的真应力与塑性应变的疲劳曲线分别如图3～图5所示，三个方向的疲劳性能试验数据对比见图6。

图3 平行堆焊方向真应力与塑性变形关系Fig.3 Stress and plastic strain parallel to welding

图4 垂直堆焊方向真应力与塑性变形关系Fig.4 Stress and plastic strain perpendicular to welding

从以上三个方向的试验结果可知，材料的分散性较小，三个方向的疲劳性能基本相当。

取三件典型疲劳试样按照GB/T 17359进行断口扫描分析[2]，截取各试棒断口，经超声波清洗后，在扫描电镜下观察断口微观形貌，如图7～图9所示。平行堆焊方向试棒断口（见图8）上距离表面约1mm处有一处椭球形状的缺陷，缺陷长径约0.57 mm，疲劳裂纹在此萌生，向四周扩展。缺陷表面光滑圆融，具有气孔或空洞类冶金缺陷的自由凝固表面特征。除平行堆焊方向试棒断口从内部起裂外，其余两个试棒均起裂于表面，向内扩展。3件断口的扩展区均可观察到清晰的疲劳条纹，终断区均为韧窝状断口。

图5 堆焊高度方向真应力与塑性变形关系Fig.5 Stress and plastic strain for weld thickness

图6 试验数据比较Fig.6 Comparison for test data

图7 垂直堆焊方向试样低倍疲劳断口Fig.7 Fracture profile by low magnification for specimen perpendicular to welding

断口分析表明，平行堆焊方向（见图8）试棒从内部冶金缺陷处萌生疲劳裂纹，缺陷尺寸约0.57mm；其余两件试棒均从表面起裂，断口上没有异常冶金缺陷。

图8 平行堆焊方向低倍疲劳断口Fig.8 Fracture profile by low magnification for specimen parallel to welding

另外，ASME第Ⅲ卷附录Ⅰ并未提供焊缝金属的疲劳曲线，在设计力学评定时一般采用相应母材的疲劳曲线进行分析，因此，本研究曲线将以上试验数据与ASME第Ⅲ卷附录Ⅰ提供的设计疲劳曲线进行了对比，三条试验曲线的数据点均位于ASME基准曲线的上方，见图10，说明被测材料的疲劳性能满足ASME规范要求，采用ASME第Ⅲ卷附录Ⅰ提供的母材的疲劳曲线进行熔敷金属的力学评定是合适的[3-4]。

图9 堆焊高度方向低倍疲劳断口Fig.9 Fracture profile by low magnification for specimen of weld thickness

图10 与设计疲劳曲线对比Fig.10 Comparision drawing with design fatigue curve

3 结论

（1）采用ASME第Ⅲ卷附录I提供的母材疲劳曲线进行CAP1000反应堆压力容器堆测接管管座的力学评定是合适的。

（2）CAP1000反应堆压力容器堆测接管堆焊管座三个方向疲劳试验结果基本相当，疲劳性能分散性较小。

[1]关桥.焊接/连接与增材制造(3D)打印[J].焊接，2014（5）：1-8.

[2]杜洪奎，潘家帧.低合金钢微缺陷的裂纹萌生扩展规律[J].机械工程材料，2008（2）：18-20.

[3]李臻.低碳低合金钢的变幅疲劳寿命估算[J].压力容器，2006（7）：10-14.

[4]李冬霞，贾宝春，邱太生，等.焊接接头TIG熔修的疲劳强度及低温性能研究[J].机械强度，2005，27（1）：126-129.

Fatigue property of quickloc instrument nozzle(QIN)weld build-up of CAP1000 reactor pressure vessel

ZHANG Junbao，GU Yu，MEI Le，YU Yan
（Shanghai Nuclear Engineering Research&Design Institute，Shanghai 200233，China）

CAP1000 reactor pressure vessel quickloc instrumentation nozzle is a build-up low alloy steel structure by SAW，and buildup is considered as the original additive manufacturing.This kind of design is not mostly used as a component，so this paper performs fatigue test from perpendicular to welding direction，parallel to welding direction，and the weld thickness direction for SAW build-up. The test results show that fatigue property from the three directions is equivalent.Comparing the fatigue test results with the material fatigue curve of ASME SectionⅢappendixⅠ，data points of the three test curves are all above ASME base curve，so performing mechanical evaluation with the material fatigue curve of ASME SectionⅢappendixⅠis proper for quickloc instrument nozzle(QIN) weld build-up.

CAP1000；quickloc instrumentation nozzle；SAW；fatigue property

TG407

A

1001－2303（2016）12－0011-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.03

献

张俊宝，谷雨，梅乐，等.CAP1000反应堆压力容器堆测接管堆焊管座疲劳性能[J].电焊机，2016，46（12）：11-15.

2016-05-27

张俊宝（1976—），男，高级工程师，硕士，主要从事核电设备的焊接设计工作。