反应堆压力容器内壁面异种金属焊接缺陷的修复及力学评价

陈 涛，陈 亮，陆文杰，邱振生，刘 攀，徐 晓，刘东杰

(1.核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东 深圳 518172；2.深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

某压水堆核电厂反应堆压力容器(RPV)顶盖法兰制造期间产生焊接缺陷，该顶盖法兰与容器法兰之间采用螺栓连接，材料为低合金钢16MND5，顶盖法兰内壁面及底部密封面均采用不锈钢308L和309L进行带极堆焊。该缺陷沿环向范围大于8°，跨越1.5根主螺栓，一侧紧邻四位一体键键槽。根据RCC-M规范[1]B3172.1，内壁堆焊层不承担机械载荷，但对温度载荷起中间传导作用；密封面堆焊层则直接承受轴向载荷，对RPV密封性能起决定性作用[2]。该缺陷造成顶盖法兰母材减薄，对一回路的完整性、密封性及安全性构成严重影响，若处置不当则存在锻件报废风险。

对于该类缺陷，除整体更换锻件外，补焊是目前较为成熟且得到广泛应用的缺陷修复技术，是设备服役安全的重要保障。

本文基于该焊接缺陷产生的原因，从应力、疲劳、密封角度分析该缺陷对RPV结构完整性的影响，从而确定最终的缺陷修复方案。

1 缺陷清除及原因分析

超声检测(UT)显示，本文研究的焊接缺陷位于密封面不锈钢堆焊层与顶盖法兰低合金钢母材的焊接熔合线附近，如图1所示，缺陷整体尺寸约为300 mm×35 mm×35 mm(周向×径向×轴向)，不锈钢堆焊层高为32 mm，低合金钢区域尺寸为300 mm×35 mm×3 mm。

根据UT位置对缺陷进行打磨清除，直至液体渗透检测(PT)合格；打磨深度至约31.5 mm后改为每次打磨0.5 mm并边磨边检，以确定缺陷性质；最终打磨至原焊缝熔合线下2 mm，并对缺陷边缘进行圆角过渡。

通过对焊接过程控制文件、焊接参数的反复研究及缺陷清除过程中的进一步检测[3-4]，确定该焊接缺陷性质为断续夹渣、焊道未充分熔合缺陷。缺陷产生的根本原因及产生过程分析如下：1) 上一道焊道焊接过程中，堆焊层与母材熔合不理想，焊缝边缘成型不良，产生细小夹渣，且未对其进行认真检查和清理；2) 下一道焊道搭接过程中，未发现上一条焊道的焊接质量问题，未对上一条焊道边缘进行打磨就继续焊接，导致两条焊道搭接部位产生夹渣；3) 待堆焊表面清理不彻底，可能存在灰尘、油脂等影响焊接质量的杂质。

2 修复方案

出于结构防腐蚀需要，保证低合金钢材料不与冷却剂直接接触，设备内表面需堆焊不锈钢，如图1所示(过渡层堆焊309L、耐蚀层堆焊308L)。将缺陷区域内低合金钢材料用不锈钢堆焊层代替，原结构形式无实质性改变，不会形成原电池腐蚀关系，且避免了采用低合金钢材料补焊在设备服役期间跟踪检查的风险。基于上述分析并参考RCC-M规范[1]S7600，制定补焊方案如下：1) 缺陷打磨部位低合金钢减薄区域由不锈钢焊缝金属替代，首层堆焊309L，后续层堆焊308L；2) 对缺陷整圈坡口进行45°整形处理，打磨区域沿环向对称设计，缺陷及坡口剖面尺寸如图2所示；3) 采用手工焊条电弧焊方法进行缺陷修复；4) 补焊实施过程中，在缺陷打磨区域熔合线上整圈覆盖309L搭接焊道，在搭接焊道之上熔敷309L加强焊道，再采用308L不锈钢材料进行填充，直至与密封面底面齐平；5) 对补焊部位进行PT、目视检测(VT)及UT并合格。

图1 反应堆压力容器顶盖法兰(a)及缺陷位置(b)示意图Fig.1 Schematic diagram of RPV head flange (a) and weld defect location (b)

图2 缺陷及坡口剖面示意图Fig.2 Section schematic diagram of defect and groove

按上述方案完成该焊接缺陷的修复，对补焊区域UT未发现二次缺陷，焊接修复效果良好。

3 力学分析及评价

缺陷修复后，由于3 mm厚不锈钢焊缝组织替代了原母材锻件，局部结构强度减弱；另外，异种金属材料对局部温度场的影响无法线性评估。因此，该补焊方案需结合结构完整性评价进行工程应用。该缺陷位于RPV法兰密封面附近，不仅影响到缺陷附近结构的应力、疲劳性能，还可能影响RPV的密封性，因此确定力学评价内容为应力分析、疲劳分析和密封分析。

本文假设补焊工艺结合补焊后的热处理工艺达到的消应力效果与设计阶段一致，即力学评价不考虑焊接残余应力的影响[5-6]。

3.1 有限元模型

由于缺陷尺寸较大，包含整个缺陷的完整计算模型可达25万个单元，在内部冷却剂及主螺栓预紧力的作用下，结构场和温度场相互耦合，且密封接触面非线性效应复杂，出于节省计算资源和计算时间考虑，首先对计算模型进行简化处理。

1) 完整模型

采用三维实体模型，考虑整个缺陷区域及边缘效应，完整模型共包含3个螺栓。以半个螺栓为单元对补焊区域进行分区处理，共分成6个单元，如图3所示。

图3 模型分区示意图Fig.3 Division diagram of model

2) 局部模型

第2～4单元的局部模型如图4所示。分区后局部模型共分成3类：图4a对应第2单元，位于缺陷边缘紧邻键槽一侧；图4b对应第3、4单元，位于缺陷中间位置；第5单元则位于缺陷另外一端，无键槽影响。

a——第2单元；b——第3、4单元图4 第2～4单元局部模型示意图Fig.4 Diagram of local model of unit 2-4

3.2 模型有效性验证

选取第2、3、5单元进行试算，关注补焊区域应力结果并与完整模型计算结果进行对比，验证局部模型的有效性。焊接缺陷对应力分布有明显影响，如图5所示。由图5可见：1) 由于材料不连续效应，补焊不锈钢与顶盖法兰母材过渡区域应力有明显的突变(图5a)；2) 密封面轴向压载荷对补焊区域应力有影响，靠近外壁面密封面倾角起始位置应力达到最大值(图5b)；3) 由于忽略了小的过渡圆角，键槽及顶盖法兰位置两垂直面相交处产生了应力集中。

图5 第2单元补焊区域应力分布云图(a)与法兰密封面应力分布趋势(b)Fig.5 Contour of stress distribution (a) and stress distributing trend in sealing surface (b) in repaired area of unit 2

上述材料、结构、接触单元及密封面轴向载荷的影响均为非线性作用，因此补焊部位应力分布是各因素综合作用的结果。

采用不同模型计算了缺陷附近区域母材的应力，对比结果列于表1。表1中，Pm为总体一次薄膜应力强度，Pm+Pb为总体一次薄膜+弯曲应力强度。由表1可见，完整模型较局部模型结果更保守，第5单元结果可被第2单元所包络。分区后，局部模型较完整模型对应位置的刚度变小，从结构强度及结构对称性考虑，总体上认为应力结果相对关系合理。因此，最终选取第2、3单元模型开展详细的力学评价，并保守采用表1中最大比例系数1.3对局部模型结果进行修正。

表1 不同模型计算的应力结果对比Table 1 Comparison of stress result with different models

3.3 应力、疲劳分析

考虑内压、温度、主螺栓预紧载荷，对补焊区域开展全工况下的应力和疲劳分析，研究关键路径(图6)的计算结果满足RCC-M规范[1]B3200关于应力强度和疲劳使用因子的限值要求。工况名称及条件列于表2，上述工况是核电在役运行、试验等对应的假定工况条件，总体要求来自RCC-M规范[1]。计算结果及裕量列于表3，计算值采用如下方式修正。

1) 第1、3、4类及水压试验工况的Pm、Pm+Pb直接采用比例系数1.3线性修正。

2) 第2类工况下，仅修正计算结果中的一次应力分量，修正后的一次+二次应力幅值S′n的计算公式为：

图6 评价截面位置Fig.6 Evaluating section location

表2 工况条件Table 2 Loading condition

注：第2、3、4类工况共有几十种假设条件，表2仅举例说明

表3 各工况下的应力强度和累积疲劳使用系数Table 3 Stress intensity and accumulative fatigue usage factor under different conditions

注：裕量=(1-计算值/限值)×100%

S′n=P′+Q=P×1.3+(Sn-P)

(1)

其中：P为一次应力，包括薄膜、弯曲等分量；P′为修正后的一次应力；Q为二次应力；Sn为一次+二次应力幅值。

3) 累积疲劳使用系数U的修正基于Sn的变化率，即认为U的变化与Sn的变化呈幂级关系，对于顶盖法兰母材保守取幂级系数为3[1]。

补焊后应力强度、累积疲劳使用系数的裕量较原始设计变小，最小裕量位于路径1，紧邻补焊区域，但仍满足规范要求[1]。如第1、3条修正方式所述，由于应力强度和累积疲劳使用系数选取的原因，上述结果具有一定的保守性。

3.4 特殊应力分析

密封面支承应力评价公式为：

σa=F/Sa

(2)

其中：σa为支承应力；F为密封面承受的轴向压载荷，考虑了顶盖质量、内压反力、主螺栓预紧力、密封环反力等分量；Sa为支承面积。根据RCC-M规范B3238.1a，密封面堆焊层支承应力限值应取母材的材料属性。计算得系统水压试验工况下密封面支承应力裕量最小，σa=298.9 MPa

3.5 RPV密封分析

在应力计算模型基础上考虑密封槽结构及密封环反力开展升降温等典型工况下的密封分析[7]，获得顶盖法兰、容器法兰之间的分离量，结果满足设计要求。RPV密封性能主要受法兰和螺栓刚度、螺栓载荷以及密封面局部结构影响，该缺陷补焊后密封面总体尺寸未发生变化，母材补焊区域相对顶盖法兰仍属局部区域，对顶盖法兰整体刚度影响较小，因此认为上述密封分析结果合理。

4 结论

本文基于某反应堆压力容器顶盖法兰焊接缺陷的产生原因及当下技术现状，提出了异种材料焊接缺陷的修复方案，从焊接和力学角度对该修复方案进行了综合分析，评价其对RPV性能的影响，论证该修复方案的可行性。该反应堆压力容器顶盖法兰焊接修复效果良好，本文评价为其焊接修复工艺实施提供了有力的技术支撑，避免了设备潜在的报废风险。