接管安全端焊接接头高温断裂韧性对比研究

杨乘东， 柳 猛， 张茂龙， 茹祥坤， 唐伟宝

(1. 上海电气核电集团有限公司， 上海 201306; 2. 深圳中广核工程设计有限公司， 深圳 518172;3. 上海核电装备焊接及检测工程技术研究中心， 上海 201306)

核电站核岛主设备的接管安全端异种金属焊接接头是一回路的关键焊接接头，压水堆核电站运行历史表明接管安全端焊接接头未达到设计寿期要求时会出现应力腐蚀裂纹，是压水堆核电站的薄弱环节。目前，三代压水堆核电站采用的接管安全端主要有两种类型：按照美国西屋公司设计要求的带镍基合金隔离层接管安全端接头和按照法国阿海珐公司设计要求的不带隔离层的接管安全端接头。接管安全端焊接接头是否包含镍基合金隔离层，在焊材消耗量和制造周期上存在明显差异。

目前，对于安全端焊接接头断裂韧性的研究，主要集中在含镍基合金隔离层的接管类型上[1-4]，对不带隔离层接管安全端的断裂韧性研究及两种类型接管安全端的高温断裂韧性对比研究较少。对带镍基合金隔离层和不带隔离层两种接管安全端类型焊接接头的高温断裂韧性进行对比研究，可以为选择合理的接管安全端类型提供数据支撑，具有重要的工程意义和价值。

1 试验部分

制备了带镍基合金隔离层和不带隔离层两种接管安全端焊接接头(见图1)。对于带镍基合金隔离层安全端接头，隔离层堆焊第一层后进行消氢热处理，热处理温度为250～300 ℃，隔离层堆焊完成后在595～620 ℃进行消应力热处理，环缝对接后不进行热处理。对于不带隔离层接管安全端焊接接头，环缝对接后在595～620 ℃进行消应力热处理。

两种类型安全端接头对接完成后进行了渗透检测(PT)、超声检测(UT)、射线检测(RT)，以及成分、组织、性能检测，检测结果均满足设计要求。

按ASTM E1820—2013 《断裂韧性测量的标准试验方法》，在高温下测定两种焊接接头不同位置裂纹的延性裂纹扩展阻力曲线(J-R曲线)和断裂韧性，裂纹位置见表1，试样及裂纹尺寸见图2。高温试验在INSTRON-8801型电液伺服试验机上进行，用电热丝环境箱控制温度，试验温度取三代压水堆一回路运行温度(315 ℃左右)和设计温度(343 ℃)之间的代表温度(330 ℃)，试样保温时间为30 min，温度误差控制在±2 K。试验采用位移控制，加载速率为 1.5 mm/min, 由试验机控制显示系统自动记录绘制载荷-位移(P-V)曲线。试样加载到表面延性裂纹扩展长度达到 3 mm时卸载。

表1 试样初始裂纹位置

图2 三点弯曲试样

试验完后，通过线切割机将试样未断裂区域切开，按照ASTM E1820—2013用九分法在断口上测量初始裂纹长度和扩展裂纹长度。用显微镜沿厚度方向测量断口的初始裂纹长度(a01，a02，a03，…a09)，以及最终裂纹扩展长度(af1，af2，af3，…，af9)，并按照式(1)和(2)计算裂纹初始平均长度a0和裂纹最终扩展平均长度af。

(1)

(2)

通过计算，获得J积分和裂纹扩展长度Δa之间的关系曲线，即J-R曲线[5]。

2 高温J-R阻力曲线和断裂韧性分析

图3和图4分别为高温(330 ℃)下带镍基合金隔离层和不带隔离层接管安全端焊接接头各材料区三点弯曲试样的P-V曲线。

P-V曲线下的面积为试样从变形到断裂所吸收的能量，面积越大表明材料的抗断裂性能越好。通过对比可以看出，两种类型焊接接头中的界面裂纹(SA508/52Mb界面、52Mb/52Mw界面、52Mw/316L界面等)试样的P-V曲线所围面积小于SA508区、52Mb区、52Mw区及316L区P-V曲线所围面积(其中316L区P-V曲线所围面积最大，而SA508区P-V曲线所围面积最小，52Mb区和52Mw区介于316L区和SA508区之间)。

图3和图4表明界面抗延性断裂性能最差，不锈钢区抗延性断裂性能最好，隔离层区和焊缝区抗延性断裂性能在低合金钢区和不锈钢区之间。

图5和图6为高温(330 ℃)下带镍基合金隔离层和不带隔离层两种焊接接头各材料区三点弯曲试样经过断裂韧性试样计算得到的J-R阻力曲线，其中纵坐标J积分代表断裂吸收能。

从图5和图6可以看出各界面裂纹试样的J-R阻力曲线最低，即断裂吸收能最小。此外，低合金钢区(包括母材和热影响区)裂纹试样J-R阻力曲线较低，不锈钢区(包括母材和热影响区)裂纹试样J-R阻力曲线较高，隔离层区和焊缝区裂纹试样J-R阻力曲线介于低合金钢区和不锈钢区之间。对比带镍基合金隔离层和不带隔离层两种接头中相同裂纹位置试样可以看出，带镍基合金隔离层试样的裂纹扩展阻力略高于不带隔离层试样的裂纹扩展阻力。

根据图5和图6的J-R阻力曲线，按ASTM E1820—2013用Δa=0.2 mm的钝化线方法测定的两种接头各区域的高温延性断裂韧性J1c(见表2)。J1c表征材料对延性起裂的阻碍程度。从表2中可以看出两种接头界面裂纹的J1c最低，这表明界面处的裂纹最容易起裂。

表2 接头各位置的高温延性断裂韧性J1c

图5、图6和表2表明：带镍基合金隔离层和不带隔离层两种类型接管安全端焊接接头中，界面和近界面裂纹的高温J-R曲线和J1c低于其他区域，是接头发生断裂的薄弱环节。接头界面区域主要是焊接熔合区和粗晶热影响区，其高强度、高硬度及低塑性源于复杂的成分和组织。过高的强度、硬度及低塑性的材料组织易导致裂纹起裂和扩展，因而材料的断裂韧性较低，当裂纹位于焊接接头各材料区界面和近界面时，裂纹扩展阻力最低。此外，界面裂纹两侧材料存在较大的强度失配，在界面两侧存在明显的屈服强度和抗拉强度变化，在高载荷作用下，裂纹尖端大范围的塑性区一般呈非对称分布，并主要在低强度材料一侧发展，导致低强度材料一侧产生高的三轴应力，从而推动裂纹向低强度材料一侧扩展，引起裂纹扩展阻力和断裂韧性的降低。位于熔合线和靠近熔合线的热影响区裂纹具有低的延性裂纹扩展阻力和断裂韧性，裂纹扩展向低强度材料区偏转[6-7]。

对于两种类型接管安全端焊接接头中的母材和焊缝金属中心裂纹，由于其强度较低和塑性较高，且裂纹两侧的材料不存在强度失配和材料拘束效应，因此其延性断裂韧性比界面区裂纹高。

对比带镍基合金隔离层和不带隔离层接管安全端焊接接头的高温J-R阻力曲线和断裂韧性，带镍基合金隔离层接头试样的高温断裂韧性略高于不带隔离层接头试样的高温断裂韧性。不带隔离层接管安全端接头的高温J-R阻力曲线和断裂韧性总体可以达到带隔离层接头的断裂韧性水平。

3 结语

对带镍基合金隔离层和不带隔离层两种类型接管安全端焊接接头进行高温断裂韧性对比研究，获得的研究结果主要包括以下4个方面：

(1) 接头焊缝区裂纹试样的高温J-R阻力曲线和断裂韧性高于低合金钢区域，低于不锈钢区域。

(2)接头界面裂纹的高温J-R阻力曲线和断裂韧性最低，接头中不同材料界面区域的延性裂纹起裂和扩展阻力最小，是接头的薄弱环节。

(3) 带镍基合金隔离层接头中熔合区、热影响区和焊缝中心区的高温J-R阻力曲线和断裂韧性略高于不带隔离层接头的各对应区域。

(4) 不带隔离层接管安全端接头的高温J-R阻力曲线和断裂韧性可以达到带镍基合金隔离层接头的断裂韧性水平。