核电站蒸汽发生器手孔堆焊层热处理后残余应力的检测

□ 吴 琼 □ 杨 俊 □ 许文涛

上海电气核电设备有限公司 上海 201306

1 研究背景

蒸汽发生器是压水堆核电站最重要的核心设备之一[1],其质量是核电站主设备制造商最重视的问题,任何偏离设计要求与标准的操作,都有可能造成质量缺陷。

蒸汽发生器上的手孔在设计工况与事故工况下,都需要进行应力分析与计算[2]。手孔先采用低合金钢焊丝埋弧堆焊一定厚度后,再进行机加工成型[3]。手孔埋弧堆焊后需进行热处理,以去除堆焊过程中产生的应力。根据RCC-M相关标准,对蒸汽发生器进行热处理时,升、降温速率应控制在55 ℃/h以下[4]。但在实际生产过程中,由于温度的惯性,或热处理操作不及时等原因,容易导致热处理升、降温速率高于55 ℃/h,违反设计要求与标准。热处理升、降温速率的变化,会引起堆焊层残余应力的变化。

2 试验内容

蒸汽发生器手孔低合金钢堆焊层在经过55 ℃/h与60 ℃/h升、降温速率消除应力的热处理后,笔者检测手孔堆焊层的残余应力,具体做法为:采用钻孔应变释放法[5-8],分别测量两种升、降温速率下的堆焊层残余应变,再通过标定试验,确定应变释放系数,进而获得表面残余应力。

3 试验准备

对核电站蒸汽发生器手孔低合金钢埋弧堆焊层分别进行升、降温速率55 ℃/h与60 ℃/h热处理,热处理曲线如图1所示。

图1 热处理曲线

4 基本原理

残余应力测量采用钻孔应变释放法,试验中采用电阻应变片,如图2所示。在电阻应变片上对应的圆孔内采用慢速钻孔仪打孔,孔径和孔深均为2 mm。通过专用设备测得相应的应变,利用式(1)～式(3),即可确定相应的主应力。

图2 电阻应变片

式中:σ1、σ2为钻孔前残余应力的主应力,MPa;ε1、ε2、ε3依次为0°、45°和90°位置测得的释放应变;A、B为标定试验得到的应变释放系数,10-7MPa-1;γ=-2β,β为最大主应力方向与0°方向的夹角。

另外,对于圆形堆焊层,径向和周向应力可用式(4)、式(5)计算:

(4)

(5)

式中:εx为径向释放应变;εy为周向释放应变;σx为径向应力,MPa;σy为周向应力,MPa。

5 测量设备

残余应力测量采用钻孔应变释放法,应变仪为60通道的DH3816,如图3所示。数据信号通过通用串行总线自动进行采集。

图3 应变仪

6 标定试验

标定试验在标定试样上进行,标定试样尺寸如图4所示,实物如图5所示。标定试样上贴电阻应变片,并通过屏蔽线与应变仪连接。在300 kN的SANS拉伸机上,对粘贴电阻应变片的标定试样施加单向应力,应力为18MND5钢屈服强度的1/3～1/2,取150 kN,同时采集应变数据。在电阻应变片上钻孔,如图6所示。之后再一次采用相同的载荷进行单向拉伸,并用应变仪记录钻孔后的应变。计算前后两次应变的差值,按式(7)、式(8)计算A、B。

(7)

(8)

式中:σ为单向应力,MPa。

图4 标定试样尺寸

图5 标定试样

图6 钻孔后电阻应变片

7 残余应变测试

定义1号试样为55 ℃/h升、降温速率热处理后的堆焊层,2号试样为60 ℃/h升、降温速率热处理后的堆焊层。分别在两种堆焊层表面选取六个点,贴上同样的电阻应变片,电阻应变片与被测表面紧密贴合,如图7所示。贴电阻应变片前,对待贴部位进行研磨,并进行清洁。电阻应变片的0°和90°方向分别对应圆形堆焊层的径向和周向。通过屏蔽铜导线与应变仪进行连接,数据通过与应变仪配套的软件获取。打孔前对电阻应变片进行平衡操作,之后即可打孔,同时每20 s采集一次数据。盲孔深为2 mm,直径为2 mm。打孔完成后,继续采集约5 min,所得的数据即为最后的释放应变。

图7 电阻应变片测点分布

8 结果与分析

主应力由式(1)～式(3)计算获得,径向应力和周向应力由式(4)、式(5)计算获得。

标定试验得到18MND5钢的应变释放系数A为-0.629×10-7MPa-1,B为-0.864×10-7MPa-1。

表1和表2分别列出了1号试样和2号试样不同测点的应变测量值,以及根据式(1)～式(5)计算得到的主应力、径向应力和周向应力。测试中,3号测点电阻应变片与钻头接触损坏。

第一主应力分布如图8所示,第二主应力分布如图9所示,径向应力分布如图10所示,周向应力分布如图11所示。从应力分布图中可以看出,1号试样与2号试样的各项应力都较为接近,相差不大,且各项应力相对很小。

表1 1号试样测量结果

表2 2号试样测量结果

图8 第一主应力分布

图9 第二主应力分布

图10 径向应力分布

图11 周向应力分布

9 结论

18MND5钢的应变释放系数A为-0.629×10-7MPa-1,B为-0.864×10-7MPa-1。升、降温速率55 ℃/h的热处理后,堆焊层的第一主应力范围为-1.7 MPa～55.7 MPa,第二主应力范围为26.1 MPa～74.9 MPa,径向应力范围为1.7 MPa～53.8 MPa,周向应力范围为13.0 MPa～45.3 MPa。升、降温速率60 ℃/h的热处理后,堆焊层的第一主应力范围为-12.0 MPa～70.7 MPa,第二主应力范围为27.2 MPa～58.0 MPa,径向应力范围为2.1 MPa～58.0 MPa,周向应力范围为27.3 MPa～58.6 MPa。

综合以上测试结果,蒸汽发生器手孔低合金钢埋弧堆焊层在经历升、降温速率为55 ℃/h和60 ℃/h的热处理后,手孔堆焊层的残余应力水平相近,且残余应力值较小。经历升、降温速率60 ℃/h的热处理后,手孔堆焊层残余应力符合设计要求与标准。需要注意的是,在蒸汽发生器实际生产过程中,相关热处理操作应严格按设计要求与标准执行。