不同类型接管安全端焊接接头常温断裂韧性对比研究

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(1.上海电气核电集团有限公司，上海 201306;2.上海核电装备焊接及检测工程技术研究中心，上海 201306;3.深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518172;4.核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东深圳 518172;5.上海电气核电设备有限公司，上海 201306;6.上海交通大学，上海 201306)

0 引言

核能具有能量密度高、洁净、低碳的特点，核电发展对保障我国能源供应与安全，保护环境，实现能源结构优化和可持续发展、提升我国综合经济实力、工业技术水平和国际地位具有重要的战略意义[1-3]。压水堆核电站是目前世界在运行和在建的主要堆型，接管安全端异种金属焊接接头是压水堆核电站核岛主设备一回路的关键焊接接头。压水堆核电站接管安全端主要有两种类型：根据美国西屋公司(West House)的设计要求，接管安全端焊接接头带镍基合金隔离层，制造过程中先在低合金钢接管端面堆焊镍基合金隔离层，再与不锈钢安全端采用镍基合金焊材进行对接焊；根据法国阿海珐公司(AREVA)的设计要求，不需要在接管端面堆焊隔离层，直接对低合金钢接管和不锈钢安全端采用镍基合金焊材进行焊接。两种类型接管安全端焊接接头在焊材消耗量、尤其是制造周期上存在明显的差异。

目前对于接管安全端焊接接头的研究，主要集中在残余应力研究方面[4-8]，对断裂韧性研究较少，对带镍基合金隔离层和不带隔离层两种类型接管安全端焊接接头的常温断裂韧性进行对比研究，可以为选择合理类型的接管安全端提供数据支撑，因此具有重要的工程意义。

1 试验

分别制备了带镍基合金隔离层和无隔离层两种接管安全端焊接接头，如图1(a)和图1(b)所示。

(a)带隔离层安全端接头 (b)无隔离层安全端接头

图1 两种类型接管安全端焊接接头

针对带镍基合金接头，先在SA508Gr.3Cl.2低合金钢接管内壁堆焊不锈钢(用WS1表示);接着在接管近端面的内壁堆焊镍基合金(用WS2表示);然后在接管端面堆焊镍基合金隔离层(用WS3表示)，隔离层堆焊完成后进行消应力热处理；最后进行接管与不锈钢安全端的对接焊(用WS4表示)，对接焊后不进行热处理。而对于无隔离层的安全端接头，WS1和WS2分别为在低合金钢接管内壁和在接近端面的内壁堆焊不锈钢和镍基合金，最后采用镍基合金焊材进行接管和安全端的对接焊(WS4)，对接焊后进行热处理。

两种类型安全端接头对接完成后的渗透检测(PT)、超声检测(UT)、射线检测(RT)结果均满足要求，成分、组织及性能检测结果均满足设计要求。

对带镍基合金隔离层和无隔离层接管安全端焊接接头取样进行三点弯曲试验。根据ASTM E1820标准[9-10]，三点弯曲SEN(B) 试样的尺寸如图2所示，试样宽度W=18 mm,厚度B=12 mm,裂纹深度比a/W=0.5，试样长度为124 mm,加载跨距S=4W=72 mm。试样的初始裂纹位置情况如表1所示。

图2 三点弯曲SEN(B)试样

表1 试样初始裂纹位置

2 常温J-R阻力曲线和断裂韧性计算及分析

2.1 常温J-R阻力曲线和断裂韧性计算

用三点弯曲试验测得的裂纹扩展的载荷-位移曲线、初始裂纹长度a0和最终裂纹扩展长度af，通过计算，获得J积分和裂纹扩展长度Δa之间的关系曲线，即J-R曲线[9,11]。将初始裂纹长度a0代入式(1)计算得到裂纹尖端开动力Ji和修正裂纹长度abi。

(1)

式中Ki——对应载荷点的应力强度因子,MPa·m1/2；

υ，E——材料的泊松比和弹性模量(MPa)；

Jpli——对应载荷Pi和初始裂纹长度a0的塑性J积分,kJ/m2；

ηpl——塑性因子，取值为1.9；

Apli——载荷-塑性位移曲线下围成的面积,mm2；

BN——试样的有效厚度(不开侧向槽时BN=B),mm;

b0——初始韧带尺寸，即试样宽度与初始裂纹长度的差,mm；

σY——流变应力，为屈服强度和抗拉强度和的一半,MPa。

然后根据修正裂纹长度abi和载荷-位移数据，并根据式(2)计算得到归一化载荷PNi和归一化塑性位移vpli。

(2)

式中W，B——试样的宽度和厚度,mm;

Ci——对应裂纹长度ai的弹性柔度。

对于载荷-位移曲线上的最后一点，按照最终裂纹长度af求取归一化载荷PNf和归一化塑性位移vplf，定义数对(PNf，vplf)为对应的停机锚点。选取vpli<0.001 和载荷-位移曲线上的最大载荷Pmax之前的归一载荷及塑性位移数对(PNi，vpli)，连同停机锚点的归一载荷及塑性位移数对(PNf，vplf)，作出试样的归一载荷-塑性位移曲线,然后对归一载荷-塑性位移曲线按照公式(3)拟合，得到拟合方程，要求拟合线最后一点和锚点的误差在1%以内。

(3)

式中c1，c2，c3，c4——曲线拟合系数。

得到式(3)的拟合方程后，在初始裂纹长度a0和最终裂纹长度af之间划分若干裂纹长度段，分别为(a0，a0Δa，a02Δa，，，af)，之后将划分裂纹长度段代入式(4)并从载荷-位移曲线上最后一点逆推载荷-位移数对(Pi，Vi)，当满足φ小于或等于0.01时，认为载荷-位移数对(Pi，Vi)和裂纹长度ai是对应的。

(4)

最后由载荷-位移数对(Pi，Vi)和裂纹长度ai，按照式(1)和式(4)计算对应的裂纹尖端驱动力Ji(ai)。

(5)

由裂纹长度ai和初始裂纹长度a0的差，计算得到裂纹扩展长度Δai。将Δai和Ji(ai)在图上作出并用幂律函数拟合即得到试样的J-Δa裂纹扩展阻力曲线。

2.2 常温J-R阻力曲线和断裂韧性结果及分析

两种类型接管安全端焊接接头各材料区常温三点弯曲试样的载荷-位移(P-V)曲线如图3，4所示。

(a)SA508区 (b)隔离层52Mb区

(c)焊缝52Mw区 (d)316L区

图3 常温下含隔离层接头各区裂纹试样的载荷-位移曲线

(a)SA508区

(b)焊缝52Mw区

(c)316L区图4 常温下无隔离层接头各区裂纹试样的 载荷-位移曲线

载荷-位移(P-V)曲线下的面积为试样从变形到断裂所吸收的能量，用于计算裂纹扩展阻力曲线(J-R曲线)和延性断裂韧性J1c。P-V曲线所围面积越大，表示材料的抗断裂性能越好。从图3，4可以看出，两种类型焊接接头中的界面裂纹(如SA508/52Mb界面，52Mw/316L界面，52Mb/52Mw界面等)试样的P-V曲线所围面积小于SA508区、52Mb,52Mw,152W区及316L区(其中316L区P-V曲线所围面积较大，而SA508区P-V曲线所围面积较小，52Mb,52Mw及152W区介于两者之间)，表明界面抗延性断裂的性能最差，316L区抗延性断裂性能最好，52Mb,52Mw及152W区抗延性断裂性能在SA508区和316L区之间。

图5,6是两种类型安全端接头的延性裂纹扩展阻力曲线(J-R曲线)，即J积分与裂纹扩展长度Δa之间的关系曲线。材料的J-R阻力曲线一般用于核承压设备的延性撕裂评定和破前泄漏(LBB)安全分析。在相同裂纹扩展长度Δa下，J积分(断裂吸收能)大的材料，其裂纹扩展阻力大，安全性高。从图5,6中可以看出，在每种焊接接头中的界面裂纹(如SA508/52Mb界面，52Mw/316L界面，52Mb/52Mw界面等)的J-R阻力曲线最低，这表明接头中不同材料界面处对延性裂纹的扩展阻力最小，一般是接头的最薄弱环节；此外，SA508区裂纹试样J-R阻力曲线均较低，而316L区裂纹试样的J-R阻力曲线均较高，52Mb，52Mw及152W区裂纹试样的J-R阻力曲线介于SA508区和316L区之间，这表明每种接头中SA508区的裂纹扩展阻力较低，316L区的裂纹扩展阻力较高，52Mb，52Mw及152W区的裂纹扩展阻力介于SA508和316L之间。对比每种接头中相同裂纹位置试样可以看出，含隔离层试样的裂纹扩展阻力略高于无隔离层试样的裂纹扩展阻力。

基于图5，6的J-R阻力曲线，按照ASTM E1820用裂纹扩展0.2 mm的钝化线方法测定的两种接头各区域的延性断裂韧性J1c值(J1c值表征材料对延性起裂的阻力)列于表2。可以看出，在每种接头中，界面裂纹的J1c最低，带镍基合金隔离层接头中，低合金钢与隔离层界面的断裂韧性为376 kJ/m2，镍基合金对接焊缝与不锈钢界面的断裂韧性为317 kJ/m2。无隔离层接头低合金钢与镍基合金焊缝界面的断裂韧性为289 kJ/m2，镍基合金对接焊缝与不锈钢界面的断裂韧性J1c=365 kJ/m2，这表明界面处的裂纹最容易起裂，含隔离层接头试样的断裂韧性略高于无隔离层接头试样的断裂韧性。

(a)SA508区 (b)隔离层52Mb区

(c)焊缝52Mw区

(d)316L区

图5 常温下含隔离层接头各区裂纹试样的J-R阻力曲线

图5,6及表2表明，两种类型接管安全端焊接接头中，界面和近界面裂纹的J-R曲线和延性断裂韧性J1c低于其他区域，是接头发生断裂的薄弱环节。其主要原因，一方面是当裂纹位于焊接接头各材料区界面及近界面时，此处存在较大的力学性能不均匀性，强度及硬度较高，并存在较大变化，接头界面区域主要是焊接熔合区和粗晶热影响区，其高的强度和硬度及低的塑性源于复杂的成分和组织，由于材料韧性是由强度和塑性综合所决定的性能，过高的强度/硬度及低塑性的材料组织易于裂纹的起裂和扩展，因而其断裂韧性较低；另一方面，界面裂纹两侧材料存在较大的强度失配(强度的剧烈变化)，在高载荷作用下，裂尖大范围的塑性区一般呈非对称分布，并主要在低强度材料一侧发展，导致低强度材料一侧产生高的三轴应力，从而推动裂纹向低强度材料一侧扩展，从而引起裂纹扩展阻力和断裂韧性的降低[12-13]。

对于两种类型接管安全端焊接接头中的母材和焊缝金属中心裂纹，由于其强度较低和塑性较高，且裂纹两侧的材料不存在强度失配和材料拘束效应，因此其延性断裂韧性比界面区裂纹高。

(a)SA508区

(b)焊缝52Mw区

(c)316L区图6 常温下无隔离层接头各区裂纹试样的J-R阻力曲线

表2接头各位置的延性断裂韧性J1c

接头类型裂纹位置断裂韧性J1c/(kJ·m-2)带隔离层接头SA508506SA508-SA508/52Mb458SA508/52Mb37652Mb-SA508/52Mb51352Mb center79852Mb-52Mb/52Mw55252Mb/52Mw48352Mw-52Mb/52Mw62052Mw center50652Mw-52Mw/316L41752Mw/316L317316L-52Mw/316L716316L center984无隔离层接头SA508488SA508-SA508/52Mw367SA508/52Mw28952Mw-SA508/52Mw54552Mw center46552Mw-52Mw/316L42552Mw/316L365316L-52Mw/316L503316L center904

3 结论

对带镍基合金隔离层和无隔离层两种类型接管安全端焊接接头进行常温断裂韧性对比研究，获得的研究结果主要有以下方面。

(1)接头焊缝区裂纹试样的J-R阻力曲线和断裂韧性高于SA508区域，低于316L区域。

(2)接头界面裂纹的J-R阻力曲线和断裂韧性最低，接头中不同材料的界面区域的延性裂纹起裂和扩展阻力最小，是接头的薄弱环节。

(3)含隔离层接头中熔合区、热影响区和焊缝中心区的J-R阻力曲线和断裂韧性J1c略高于无隔离层接头的各对应区域。

(4)无隔离层接管安全端接头的J-R阻力曲线和断裂韧性可以达到含隔离层接头的断裂韧性水平。