关于核电设备的焊接残余应力研究现状及调控措施

杨红梅 王勇博

摘 要：基于对核电设备中焊接残余应力研究现状与调控措施的探讨研究，本文主要从焊接残余应力的危害性和影响因素、大厚度板及管对接焊残余应力分布的主要特征以及调控核电设备残余应力的有效策略这三方面入手展开分析，希望能够为有关人士提供帮助。

关键词：核电设备;焊接残余应力;调控措施

中图分类号：TG404;TM623.4 文献标识码：A

引言：

作为焊接过程中的固有产物，焊接残余应力对于焊接质量、结构服役性能的影响都是巨大的，且虽然近年来我国对焊接残余应力的研究已取得了一定进步，但其仍存在着极大的进步空间。此时针对核电结构电弧焊接残余应力展开全面分析就非常必要，这不仅是焊接效果达标的重要基础，也是核电设备能够正常运行的关键保障，只有全面提高焊接残余应力调控的水平，才能在充分发挥核电设备作用的基础上，推动企业的健康发展。

一、焊接残余应力的危害性和影响因素

首先，焊接残余应力若无法得到及时有效的调控，核电设备构件静载承受能力就会下降，在焊缝区纵向拉伸焊接残余应力峰值较高的情况下，如果外载工作应力与高拉伸残余应力处于相同的方向，就会导致局部出现塑形变形，承载截面也会随之减少，从而使结构承载性能下降。

其次，焊接残余应力可能会导致构件低应力脆性断裂。通常情况下，温度与结构钢韧性较低，疲劳载荷或在腐蚀环境中，存在以裂纹、未熔透以及未熔合等为例的焊接缺陷，低应力脆性断裂问题出现的机率就会提升。即使焊接残余应力的分布区域一般只有局部，但实际上产生的影响是全局性的。

再次，焊接构件的疲劳强度会下降。拉伸焊接残余应力会使裂纹闭合受阻，在疲劳载荷应力平均值提高的情况下，应力循环特征会出现变化，进而使应力循环损伤加剧，最终造成疲劳强度下降的后果。

最后，部分焊接残余应力在加工或服役时会被释放，从而导致残余应力场失衡而重新分布，这是引发构件变形问题的主要原因，对构件尺寸精度与稳定性的影响不容忽视。

由此可见，核电设备中焊接残余应力带来的危害与影响是极大的，所以对其分布规律与影响因素的深入研究也必须提上日程，尽可能提高对焊接结构服役寿命与可靠性评价的准确程度，进一步为核电设备中焊接结构使用的安全性提供更高保证。

二、大厚度板及管对接焊残余应力分布的主要特征

（一）大厚度板对接焊内部残余应力

焊接残余应力可划分为横向（σy）、纵向（σx）与z向（σz）三个类型，分别是垂直焊缝方向、沿焊缝方向以及厚度方向的应力，与横向、纵向两种应力相比较来讲，z向焊接残余应力的幅值最低，基本上不会应用于工程中。由于三个方向应力的厚板结构，对焊缝的作用各不相同，所以其沿厚度分布也不同，而纵向收缩在纵向的强拘束下，应力于整体厚度来讲拉应力较高。前一焊道对最终焊道横向收缩的拘束也不容忽视，导致上表面横向应力属于拉伸应力，此时受到中部区域变化的影响，形成于下表面的拉伸应力，能达成与上表面横向拉伸应力平衡的状态。因为首道与最终道焊接，所以熔敷金属的厚度会自由变化，此时上表面z 向残余应力彻底消失，中部压缩横向应力将z 向应力转变为压缩应力。

（二）管道环焊缝内部应力分布特征

焊接结构中最常见的类型就是焊接管道，业界也有学者对大量碳钢与不锈钢环焊缝接头残余应力测试与计算结果展开了比较分析，得出环焊缝沿厚度轴向应力分布特征可分为弯曲型与自平衡型这两种的结论。前者的分布特征简单来讲，即焊缝区域外壁的轴向应力就是压缩应力，而内壁区域则基本上均为拉伸应力，焊缝中心和沿厚度轴向应力的弯曲应力形式反向。后者的特征主要体现在焊缝区域沿厚度环向应力分布的十分平均，拉应力遍布整个焊缝区域，压缩环向应力出现在离焊缝处较远的地方[1]。

三、调控核电设备残余应力的有效策略

（一）注重对表面的处理

首先是喷丸处理，这种方法的原理即为使用细小弹丸高速撞击工件，来引起喷丸区的硬化以及表层压缩残余应力，其在奥氏体不锈钢晶间应力腐蚀开裂问题的预防方面效果非常显著。实践证明，喷丸处理法能有效破碎表面晶粒与晶界，在使碳均匀沉淀于晶粒中之后，使腐蚀敏感性降低，但同时也要注重不能喷丸过度，否则材料极易出现严重的塑性变形，影响整体功能。

其次是磨粒水射流喷丸，主要是将磨粒混合物与高压水混合，再向工件表面高速冲击，如此能使表面材料形成于表层的压缩应力得到有效消除。

再次是空泡喷丸，就是通过对高压水射流泵的合理应用，使高速水流在材料表面形成密集气泡，此时如果气泡破裂，就会对材料产生冲击波，进而形成塑性变形以及压缩应力。此方法已在沸水堆反应堆内部构件腐蚀开裂问题的预防上应用并取得良好效果。

最后是焊缝碾压，需调控人员运用高压滚轮，进行对焊缝两侧或整体的碾压，此时若焊缝塑性变形严重，压缩应力就会随之产生，这对焊接变形预防来讲是非常有利的，一般来讲，焊缝碾压法在焊接过程中或焊后均可使用。另外，调控人员也要明确意识到，随焊碾压与一定频率的冲击力，才能结合成为冲击碾压法，进而达成对应力变形与焊接热裂纹预防控制的目的;焊缝锤击法也是使焊缝表面产生压缩应力的有效途径，进而使拉伸焊接应力状态出现变化[2]。

（二）应力释放与加载外力

首先是焊后热处理是焊缝区域力学性能以及残余应力消除中最常见的方法，其不仅能使焊接导致的拉伸与压缩应力幅值有效降低，也能确保应力始终保持幅值较小的状态;通常情况下，初始应力状态、焊缝形状、材料蠕变行为与焊后热处理工艺水平，都会对残余应力消除的实际效果产生影响;构成焊后热处理法的两项构成为整体热处理与局部热处理。

其次是机械外力施加，其会将径向载荷施加于主冷却管道系统中，异质金属接头焊缝一侧的圆周，从而导致管出现压缩变形，焊接完成后焊缝邻近区域内壁中就会产生压缩应力，除此之外，展开对焊接构件的振动时效处理，也能将焊接残余应力的幅值降低。对于核电主设备来讲，调控人员应将其结构形式与材料作为根据，来选择合适的热处理工艺参数，例如热处理时机、保温时间以及升降温速率等，这也是焊接残余应力调控效率与效果达标的关键所在。

（三）其它调控措施

首先是窄间隙小能量焊接法，其能使坡口宽度与熔敷金属量显著减小。在管道实际焊接的过程中，管内壁会出现压缩现象或者是极小的拉伸残余应力，这是焊缝收缩量以及变形量的关键影响因素，从而使材料在高温氧化水环境下应力腐蚀开裂的抵抗能力的大幅提升。但這种技术也存在一定弊端，例如易导致侧壁熔合不足等问题。

其次是将热沉施加于管道内部，简单来讲即为在焊接时在管内部通气或通水，在将管内温度有效降低的基础上，形成沿厚度的温度梯度，此时热应力就会使焊缝内部局部塑形变形，进一步造成焊缝内表面以及热影响区中，存在压缩残余应力或拉应力。

结束语：

综上所述，在实际调控焊接残余应力的过程中，调控人员必须将实际情况与具体需求作为根据，来选择最适合的、效果最好的措施。同时调控人员也应做到掌握各种方法的优势与不足，将焊接结构的特征与调控方法的特征相结合，充分考虑应力调控措施的经济性与便利性，进而从根本上提高核电设备焊接结构设计质量与应力调控效果。

参考文献

[1]付强， 罗英， 刘兆东， et al. 核电设备的焊接残余应力研究现状及 调控措施[J]. 电焊机， 2019， 49（9）.

[2]葛可可. 核电蒸汽发生器安全端异种钢焊接残余应力研究[D].