反应堆压力容器用低合金钢焊丝焊态熔敷金属疲劳性能研究

宋世杰 金亮 叶序彬 黄腾飞 匡艳军

摘要：采用一种免焊后热处理的回火焊道焊接工艺在碳钢试板上进行反应堆压力容器用低合金钢焊丝堆焊工艺试验，获取低合金钢焊丝焊态熔敷金属。根据ASTM E466和ASTM E606标准对焊态熔敷金属进行室温下低周和高周疲劳性能试验，并使用Coffin-Mansion方程与三参数方程拟合焊态熔敷金属低周疲劳和高周疲劳寿命曲线。同时，根据核电设备设计规范RCC-M中推荐的修正系数对试验获得的疲劳曲线进行修正，获得修正后的S-N曲线，并与RCC-M规范中低合金钢疲劳设计曲线进行对比。试验结果表明：基于RCC-M修正后的焊态熔敷金属低周疲劳S-N曲线与RCC-M中的低合金钢低周疲劳设计曲线基本重合;基于RCC-M修正后的焊态熔敷金属高周疲劳S-N曲线位于RCC-M中的低合金钢高周疲劳设计曲线之上。

关键词：反应堆压力容器;焊态;熔敷金属;S-N曲线;疲劳设计曲线

中图分类号：TG406      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）03-0051-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.09

0    前言

反应堆压力容器（RPV）是核电站重要部件之一，长期处于高温、高压工作状态。在服役期间，随着时间的增加会出现需要焊接返修的缺陷。通常，RPV用低合金钢在焊接返修过程中因焊接热循环作用会产生修复部位残余应力增加、热影响区韧性下降等问题，传统焊接修复后需采用热处理工艺来改善修复区域的性能。然而，核电厂大型设备在制造、役前及在役期间，基于一些客观条件（如：核电设备的大尺寸、结构复杂性，焊后热处理会带来不可预知的变形风险;现场热处理条件不具备以及时间成本等问题）无法实施焊后热处理。生产现场通常采用回火焊道对补焊位置进行处理。回火焊道焊接技术无需焊后热处理，是利用层道间的焊接热循环作用达到焊后热处理的效果。回火焊道焊接修复后焊态熔敷金属的疲劳性能能否满足核电设备设计规范RCC-M规范要求，对于核电站的安全运行至关重要。但目前国内文献资料尚无相关研究。

文中采用一种免焊后热处理的回火焊道焊接工艺在碳钢试板上进行低合金钢焊丝堆焊工艺试验，获取低合金钢焊态熔敷金属。根据ASTM E466和ASTM E606标准对焊态熔敷金属进行室温下的低周疲劳和高周疲劳性能试验，以获取疲劳循环寿命，并使用Coffin-Mansion方程与三参数方程拟合出焊态熔敷金属的低周疲劳和高周疲劳寿命曲线。同时，根据设计规范RCC-M中推荐的修正系数对试验获得的疲劳曲线进行修正，获得修正后的S-N曲线。对比试验获得的疲劳寿命曲线与RCC-M中低合金钢疲劳设计曲线的保守性，为反应堆压力容器免热处理的焊接修复及疲劳力学评价提供数据支撑[1-7]。

1 试验材料与方法

1.1 疲劳试样制备

在室温下采用一种免焊后热处理的回火焊道焊接工艺在Q235钢板（规格400 mm×280 mm×20 mm）上进行低合金钢焊丝堆焊工艺试验，焊丝是一种自主研制的反应堆压力容器配套用低合金焊丝（成分保密），规格φ1.0 mm，采用机械-钨极惰性气体保护焊，堆焊熔敷金属厚度至少为20 mm，并进行疲劳试验取样，如图1所示。

试验所获得的焊态熔敷金属（见图2）的显微组织及力学性能（见表1）均满足设计要求。疲劳试验试样形式及尺寸根据试验标准（ASTM E466和ASTM E606）统一采用圆型棒状试样（见图3、图4）。

1.2 疲劳试验过程

采用MTS 370 100KN电液伺服材料试验机和Flextest 40控制系统进行疲劳试验，采用MTS 632.27F引伸计测量应变，试验机载荷传感器和引伸计精度为0.5级，试验温度为23 ℃。

高周疲劳试验采用应力控制，按ASTM E466-2007标准执行，分别取3个应力水平σmax=400 MPa、370 MPa、360 MPa进行高周疲劳试验，试验频率10 Hz，应力比R=-1，加载波形为正弦波。

低周疲劳试验采用应变控制，按ASTM E606-2012标准执行，分别取5个应变量εmax=2.3%、1.5%、0.8%、0.5%、0.4%进行低周疲劳试验，试验加载速率为0.5%/s，应变比R=-1，加载波形为三角波。

试样失效寿命为试样断裂时对应循环次数。

2 试验数据处理及結果分析

2.1 高周疲劳试验结果

根据高周疲劳各应力水平下测得的疲劳寿命，以应力幅为纵坐标，疲劳寿命为横坐标，得到焊态熔敷金属的应力幅-疲劳寿命关系。

通常在对数坐标系中，应力幅与疲劳寿命之间呈线性关系[1]。经前期试验验证，三参数数学模型可以拟合应力幅与疲劳寿命的关系[3]

采用最小二乘法原理对高周疲劳试验数据进行拟合，拟合结果如图5所示。三参数数学模型中，σt/2表示试样所受的最大应力，N为循环次数;A1、A2、A3为拟合常数，拟合方程如下：

由图5可知，随着应力水平提高，熔敷金属疲劳寿命呈现下降趋势。在同一应力水平下，其疲劳寿命分散性较小。在360 MPa应力水平时疲劳寿命为1×106次左右。

2.2 低周疲劳试验结果

同理，对熔敷金属低周疲劳试验数据进行拟合处理。在低周疲劳试验中，一个循环中加、卸载方向存在两次损伤，采用反向次数2Nf与应变幅Δεt/2的关系得到Δεt/2-2Nf曲线，表征低周疲劳临界破坏行为。采用Coffin-Manson表达应变-寿命曲线的关系式为

式中 第一项为弹性部分，反映了弹性应变幅与寿命之间的关系;σf'为疲劳强度系数;b为疲劳强度指数，是lg（Δεt/2）-lg（2Nf）或lg（Δεe/2）-lg（2Nf）曲线的斜率。第二部分为塑性部分，反映塑性应变幅与寿命之间的关系;εf'为疲劳延性系数，是lg（Δεp/2）-lg（2Nf）或曲线上2Nf =1处的纵坐标截距; c为疲劳强度指数，是lg（Δεp/2）-lg（2Nf）曲线的斜率。采用Coffin-Manson寿命模型对堆焊金属低周疲劳试验数据进行拟合，得到ε-N关系，即

由于Δεt可分为弹性分量Δεe与塑性分量Δεp，故可得到弹性分量线Δεe/2-2Nf与塑性分量线Δεp/2-2Nf。由图6可知，在2×104寿命范围内，对疲劳寿命的影响以塑性应变幅为主，弹性应变幅的影响可以忽略。这反映了此熔敷金属在低寿命区的疲勞寿命特征与高周疲劳寿命特征的不同：高周疲劳条件下，金属在弹性范围内循环加载，不受塑性影响。

2.3 基于RCC-M修正后的疲劳曲线

基于RCC-M规范给出的疲劳曲线修正方法，对低合金钢焊丝焊态熔敷金属疲劳试验数据进行修正，以验证其应用于反应堆压力容器的焊接修复的可能性。

为了得到相对保守的疲劳设计曲线，RCC-M规范考虑到被测试样与实际部件几何结构之间的相似性、执行的测试次数以及与材料使用温度相比较的测试温度，定义ks与kn两个参数用来对真实试验结果进行修正，定义如下：

式中 ksl为尺寸对疲劳寿命的影响因子; ksf为表面粗糙度对疲劳寿命的影响因子;kst为温度对疲劳寿命的影响因子;kss为统计分散性对试验结果的影响因子。

取ks=2，kn=20，kn=ks4.3作为参数，将试验室光滑小试样得出的疲劳数据应用于建立相对保守的部件疲劳曲线[2]。每个试验结果给出一个应力-寿命点（Δσt，N），然后，利用系数ks和kn建立另外两个修正点：（Δσt/ks，N）和（Δσt，N/kn），将所有结果进行修正后，选取其中外围的修正点，通过三参数数学模型lgN=A1+A2lg（Δσmax+A3）进行拟合，建立疲劳曲线，使得曲线包络所有修正点。

针对焊态熔敷金属高周疲劳试验数据，采用上述修正方法，获得修正后S-N曲线关系如下：

与RCC-M规范疲劳设计曲线对比如图7a所示，修正后的S-N曲线完全在疲劳设计曲线上方，有充足的安全裕量。

针对焊态熔敷金属低周疲劳试验数据，为了得到材料的应力寿命曲线，根据RCC-M规范，首先假定材料为完全弹性行为，按照胡克定律σ=E·ε，将低周疲劳试验参数应变范围Δεt/2转化为应力范围，即：

式中 焊态熔敷金属弹性模量E=210 GPa。

取ks=2，kn=20分别应用于应力范围与寿命中，得到（Δσt/ks，N）与（Δσt，N/kn）关系，选取当中外围的修正点，并通过三参数数学模型lgN=A1+A2lg（Δσmax+A3）进行S-N曲线拟合，得到拟合关系为：

将修正后的焊态熔敷金属低周S-N曲线与RCC-M标准中低合金钢疲劳设计曲线进行对比，如图7b所示。可以看出，修正后的焊态熔敷金属S-N曲线与RCC-M标准中低合金钢疲劳设计曲线有部分重合：在高应力区，试验得到的疲劳曲线在设计疲劳曲线之下;在低应力区，试验得到的疲劳曲线在设计疲劳曲线上方。在较低的应力区间范围内，低合金钢焊丝焊态熔敷金属满足RCC-M规范设计疲劳曲线标准，可用于指导反应堆压力容器焊接返修熔敷金属疲劳性能的力学评价。

3 结论

（1）低合金钢焊丝焊态熔敷金属高周疲劳寿命随加载应力幅的降低而增大。

（2）根据RCC-M疲劳曲线修正方法，修正后的焊态熔敷金属低周疲劳曲线与RCC-M中的低合金钢低周疲劳设计曲线有部分重合，在低应力区，试验得到的疲劳曲线在设计疲劳曲线的上方;高周疲劳曲线位于RCC-M中的低合金钢高周设计疲劳曲线之上。

（3）通过对低合金钢焊丝焊态熔敷金属疲劳性能的研究，表明焊态熔敷金属的高、低周疲劳性能在较低的应力范围内均满足RCC-M规范要求，可用于指导反应堆压力容器焊接返修熔敷金属疲劳性能的力学评价。

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