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核電站管道護板焊縫殘余應力分析試驗
閱讀：310 發(fā)布時間：2020-5-15核電站主蒸汽管道是通過護板角焊縫、整體支架連接到另一端固定在墻壁的阻尼器上。國內某核電機組檢修期間在對護板角焊縫進行液體滲透檢查時發(fā)現多處超標線性缺陷，而這與焊縫結構、焊接工藝和殘余應力分布有關。為了確定造成這一現象的具體原因，廠家找到南京聚航，希望我們能夠幫他們解決這一問題。
經技術們商討后，聚航科技決定采用盲孔法測應力方法，分析護板角焊縫殘余應力影響因素及其分布規(guī)律，我們共設計了4種不同工藝條件的焊接模擬試件，下面就是試驗的具體步驟。
模擬試件結構
模擬試件結構、材質規(guī)格與真實焊縫相近，全封閉帶坡口護板角焊縫，由左右兩條軸向焊縫和上下兩條周向焊縫組成，而半封閉試件沒有軸向焊縫。模擬管道母材為106B，尺寸Φ660mm*30mm。模擬護板母材為Q235B，尺寸為300mm*300mm*25mm，倒角50mm，加工成與管道相匹配的圓弧。
工藝條件
為綜合分析焊縫結構（是否全封閉）、坡口形式、熱處理工藝等對焊縫殘余應力分布的影響，制定了模擬試件工藝條件（詳情見表1）。模擬試件采用焊條電弧焊接，焊接材料為E5015焊條。護板四周開高度為20mm的45°坡口。采取熱處理工藝時，焊前采用火焰加熱預熱，溫度為160℃。焊后采用電加熱熱處理，溫度為630℃，保溫1h。
使用儀器
使用JHMK殘余應力測量系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK殘余應力鉆孔裝置組合。JH直角應變片，電阻值為120Ω，靈敏系數為2.07±0.01，測試用鉆頭直徑1.5mm、鉆孔深度2.0mm，系數A為-0.3498*10-6MPa，系數B為-0.6643*10-6MPa。
測點分布
測點分布是根據殘余應力分析的要求和被測構建表面附近的實際空間狀態(tài)來確定的。
軸向焊縫：以焊縫中心線為中心，沿周向每隔10mm設置一個測點，布點范圍直到焊縫兩側熱影響區(qū)30mm，1#和2#焊接試件軸向焊縫共測量6條線，每條線9個點，一共54個點。
周向焊縫：以焊縫熔合線為起點，沿軸向每隔10mm設置一個測點，布點范圍直到焊縫熱影響區(qū)30mm，一共4種試件，每個試件測量3條線，每條線測6個點（焊縫區(qū)3個，熱影響區(qū)3個）。
測量步驟及注意事項
表面狀態(tài)直接影響應力測試結果，首先需對表面進行打磨拋光處理：采用砂輪對焊縫進行表面粗磨，打磨時要用力均勻、適當。避免在同一位置長時間打磨致使表面溫度過高甚至變色，破壞原始應力狀態(tài)；對粗磨過的表面進行拋光處理，進一步減小由于表面粗磨造成的附加應力；采用100-200#紗布沿相互垂直方向打磨。將表面機械打磨引入的附加應力減至小，便于應變片粘貼。
應變片粘貼
應變片的粘貼質量是應力測量結果準確與否的關鍵，為保證測量精度，粘貼應變片時，應將兩個相互垂直的應變柵盡量與主應力方向相一致。如測量焊縫應力，則可沿焊縫和垂直焊縫方向粘貼。
鉆孔測量
1. 應變片粘貼牢固后，將應變片和補償片按儀器使用說明的接線方法進行接線，預熱15min后按“初始”鍵，觀察應變平衡情況。
2. 通過顯微鏡將應變片上的鉆孔中心與顯微鏡中心點調節(jié)至重合。
3. 移除顯微鏡，插入銑刀，左右方向各旋轉一次，將應變片表面劃開。然后將鉆桿放入，放入墊片，將螺栓鎖死，定好深度，完成鉆孔。此時應變輸出C1、C2、C3值，即為鉆孔后的應變增量。
結論
1. 護板焊縫焊后殘余應力較高，以軸向焊縫為例，焊縫區(qū)主應力平均值為351MPa，接近0.8σ。焊縫區(qū)域殘余應力高，進入熱影響區(qū)后逐漸降低。
2. 熱處理能夠有效降低焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的殘余應力，焊縫區(qū)降幅達20%。此類焊縫的焊接工藝應該明確焊前預熱和焊后熱處理要求。熱處理工藝根據管材、板材不同有所差別，但焊前預熱溫度為130-160℃，焊后熱處理溫度控制在550-650℃。
3. 封閉焊縫比半封閉焊縫的應力集中程度高。在封閉焊縫中，軸向焊縫在焊趾處產生的應力集中較大，環(huán)向焊縫產生的應力集中較小。