核电站管道护板焊缝残余应力分析试验

核电站主蒸汽管道是通过护板角焊缝、整体支架连接到另一端固定在墙壁的阻尼器上。国内某核电机组检修期间在对护板角焊缝进行液体渗透检查时发现多处超标线性缺陷，而这与焊缝结构、焊接工艺和残余应力分布有关。为了确定造成这一现象的具体原因，厂家找到南京聚航，希望我们能够帮他们解决这一问题。

经技术们商讨后，聚航科技决定采用盲孔法测应力方法，分析护板角焊缝残余应力影响因素及其分布规律，我们共设计了4种不同工艺条件的焊接模拟试件，下面就是试验的具体步骤。

模拟试件结构

模拟试件结构、材质规格与真实焊缝相近，全封闭带坡口护板角焊缝，由左右两条轴向焊缝和上下两条周向焊缝组成，而半封闭试件没有轴向焊缝。模拟管道母材为106B，尺寸Φ660mm*30mm。模拟护板母材为Q235B，尺寸为300mm*300mm*25mm，倒角50mm，加工成与管道相匹配的圆弧。

工艺条件

为综合分析焊缝结构（是否全封闭）、坡口形式、热处理工艺等对焊缝残余应力分布的影响，制定了模拟试件工艺条件（详情见表1）。模拟试件采用焊条电弧焊接，焊接材料为E5015焊条。护板四周开高度为20mm的45°坡口。采取热处理工艺时，焊前采用火焰加热预热，温度为160℃。焊后采用电加热热处理，温度为630℃，保温1h。

使用仪器

使用JHMK多点残余应力测量系统，由JHYC静态应变仪和JHZK残余应力钻孔装置组合。JH直角应变片，电阻值为120Ω，灵敏系数为2.07±0.01，测试用钻头直径1.5mm、钻孔深度2.0mm，系数A为-0.3498，系数B为-0.6643。

测点分布

测点分布是根据残余应力分析的要求和被测构建表面附近的实际空间状态来确定的。

轴向焊缝：以焊缝*心线为*心，沿周向每隔10mm设置一个测点，布点范围直到焊缝两侧热影响区30mm，1^#和2^#焊接试件轴向焊缝共测量6条线，每条线9个点，一共54个点。

周向焊缝：以焊缝熔合线为起点，沿轴向每隔10mm设置一个测点，布点范围直到焊缝热影响区30mm，一共4种试件，每个试件测量3条线，每条线测6个点（焊缝区3个，热影响区3个）。

测量步骤及注意事项

表面状态直接影响应力测试结果，首先需对表面进行打磨抛光处理：采用砂轮对焊缝进行表面粗磨，打磨时要用力均匀、适当。避免在同一位置长时间打磨致使表面温度过高甚至变色，破坏原始应力状态；对粗磨过的表面进行抛光处理，进一步减小由于表面粗磨造成的附加应力；采用100-200^#纱布沿相互垂直方向打磨。将表面机械打磨引入的附加应力减至*小，便于应变片粘贴。

应变片粘贴

应变片的粘贴质量是应力测量结果准确与否的关键，为确定测量精度，粘贴应变片时，应将两个相互垂直的应变栅尽量与主应力方向相一致。如测量焊缝应力，则可沿焊缝和垂直焊缝方向粘贴。

钻孔测量

1. 应变片粘贴牢固后，将应变片和补偿片按仪器使用说明的接线方法进行接线，预热15min后按“初始”键，观察应变平衡情况。

2. 通过显微镜将应变片上的钻孔*心与显微镜*心点调节至重合。

3. 移除显微镜，插入铣刀，左右方向各旋转一次，将应变片表面划开。然后将钻杆放入，放入垫片，将螺栓锁死，定好深度，完成钻孔。此时应变输出C1、C2、C3值，即为钻孔后的应变增量。

结论

1. 护板焊缝焊后残余应力较高，以轴向焊缝为例，焊缝区主应力平均值为351MPa，接近0.8σ。焊缝区域残余应力*高，进入热影响区后逐渐降低。

2. 热处理能够有效降低焊缝区和热影响区的残余应力，焊缝区降幅达20%。此类焊缝的焊接工艺应该明确焊前预热和焊后热处理要求。热处理工艺根据管材、板材不同有所差别，但焊前预热温度为130-160℃，焊后热处理温度控制在550-650℃。

3. 封闭焊缝比半封闭焊缝的应力集中程度高。在封闭焊缝中，轴向焊缝在焊趾处产生的应力集中较大，环向焊缝产生的应力集中较小。