核电BOSS头Overlay焊缝缺陷等效分析

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1 序言

BOSS头焊缝[1]是一种核电用三通类焊缝，流通介质属于高温、高压、放射类介质，焊缝内部存在裂纹、夹渣、气孔、未熔合及未焊透等缺陷。BOSS头焊缝出现缺陷[2]时，国内返修是先对管道区域进行核清洁，待清洁完成后，由焊接操作工以焊条电弧焊的形式进行返修，耗时费力[3]。国外返修采用过BOSS Overlay技术，对BOSS头焊缝进行模型建立，分析结构的几何特性及材料特性，完成Overlay层焊接模拟，根据模拟结果以自动焊的形式进行BOSS头返修。在这一过程中，需要将焊接缺陷添加到模型中，实际情况中，缺陷的种类和分布情况均极为复杂，缺陷类型多、位置多、形状不规则，因此有必要在模拟前对缺陷进行等效处理，等效出最具代表性、最危险的焊接缺陷，保证Overlay层模拟结果准确可靠。

2 缺陷类型的等效处理

对某核电机组BOSS头焊缝缺陷检测结果（见表1），进行统计，数据显示，缺陷的类型包括夹渣、气孔、未熔合、未焊透、裂纹及根部内凹等，其中出现最多的是未熔合和夹渣，因此也着重考虑这两种缺陷。为简化分析，考虑将不同类型的缺陷等效为一种类型的缺陷。标准中提到，在缺陷等效过程中，应考虑将其等效为更保守的类型，以确保后续结论的安全、可靠。在所有缺陷类型中，裂纹是最严重的缺陷，因此应将各种类型的缺陷等效处理为最为严重的裂纹（未熔合）缺陷，便于后续分析过程，并同时确保结论的可靠性。

表1 某核电机组BOSS头焊缝检测结果

3 缺陷形状尺寸的等效处理

依据缺陷尺寸、位置及分布状态，可划分为表面平面缺陷、深埋平面缺陷、复合平面缺陷、非平面缺陷、平行平面缺陷、层状缺陷、非链形共面缺陷、链形单独缺陷及线状缺陷等。对于实际情况中的缺陷，即便其类型已经确定，但由于其形态和分布状况仍较为复杂，故在后续处理过程中也有较大困难。

对于单个线状缺陷，将缺陷投影到厚度方向上，投影后缺陷的长度即为等效缺陷长度；对于多个分布状态不同的缺陷，在投影后参考美国ASME标准第Ⅺ卷中的缺陷形状和尺寸确定的图示，进行长度等效处理。根据实际射线检测报告，已知多数缺陷的总长度远大于管道厚度，但缺陷数量和位置未知。在当前情况下应选择更加保守的缺陷等效方式，因此不考虑缺陷的数量和分布状态，假设裂纹缺陷在厚度方向上已经贯穿管道，即等效长度等于管道壁厚。将线状缺陷等效为矩形处理，在确定缺陷长度之后，还需要设定等效缺陷的宽度。标准中提到，若去除堆焊层后的矩形缺陷长度为a、宽度为d，则对于缺陷的深宽比应有a/d≤1，即宽度d≥a，也即宽度不小于管道壁厚。

4 缺陷位置的确定

对于缺陷位置的处理，在能够确定缺陷实际位置的情况下，应如标准所述将缺陷置于实际的位置上进行处理。否则，应将缺陷等效为最危险位置的缺陷处理。根据标准，等效后的矩形缺陷，其深度a与内侧承压表面垂直，长度l应与内侧承压表面平行。此时缺陷存在投影周向和轴向两种情况，如图1所示。

图1 缺陷投影到周向和轴向平面

为确定等效缺陷所在平面，需考虑周向和轴向缺陷的危险程度，尽量选择更保守的类型。在相同应力比、相同缺陷长度的情况下，轴向缺陷的允许深度更小，因此也是更危险的缺陷，等效缺陷应选择保守的轴向缺陷类型[4，5]。

基于射线检测难以获得缺陷的精确位置，因此将缺陷置于最危险位置等效处理。对原始焊缝的焊后应力采用MSC.Marc软件进行模拟，结果如图2所示。结果采用柱坐标系显示，原点为支管底部中心，y轴沿支管轴向向上。图中网格为有限元单元，其中黄色部分表现为拉应力，蓝色部分表现为压应力。根据模拟结果，原始焊缝的起弧、收弧位置在焊后承受的三向拉应力最大，拉应力促进裂纹扩展，因此该处的裂纹扩展速度更快，相应地使用寿命更短，将缺陷置于此处是更保守的。

图2 原始焊缝焊后应力模拟云图

5 等效模型

根据实际缺陷检测结果与等效原理，最终将缺陷等效为裂纹形式进行处理，形状为矩形，径向上的深度为贯穿管壁，轴向上的宽度不小于支管壁厚，置于起弧与收弧位置，且处于焊缝中心部位，如图3所示。最后依据此等效缺陷位置和尺寸，进行后续可靠性评估和计算。

图3 等效缺陷

6 结束语

本文对BOSS头焊缝缺陷等效方式进行研究，从缺陷类型、缺陷形状尺寸、缺陷位置三个方面进行分析，具体结论如下。

1）对于缺陷类型，等效时应将缺陷等效为更加保守的类型，因此将缺陷类型统一等效为裂纹处理。

2）对于缺陷形状尺寸，将缺陷形状等效为矩形，并使其能够覆盖整个缺陷范围，将缺陷在深度方向上贯穿壁厚，缺陷宽度等效为垂直方向上不小于支管壁厚。

3）对于缺陷位置，将缺陷等效置于起弧、收弧位置，因为该处三向拉应力最大，也是缺陷最易产生和扩展的位置。