反应堆压力容器驱动管座焊接残余应力检测试验

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在核电站运行系统中,反应堆压力容器是核岛系统的主要设备。是实现核反应和提高核能装置,起着承受一回路冷却机与外部压差的压力边界的作用。驱动管座是连接控制棒驱动机构(CRDM)与压力容器内部堆芯的通道,采用焊接方式与压力容器内部顶盖密封固定,成为顶盖部分内外环境的密封屏障。

由于驱动管座与顶盖之间的密封焊缝为部分熔透焊缝,在制造过程中焊缝存在一定的焊接残余应力,在运行过程中还需承受高温高压和高低温疲劳载荷作用,一旦外部应力和焊接残余应力叠加后超过临界应力值,将导致密封焊缝的应力腐蚀开裂。

在某核电项目中,对驱动管座贯穿件与顶盖之间的密封焊缝进行了模拟件制作,在模拟件上对密封焊缝、邻近区域堆焊层及母材进行了焊接残余应力检测,研究了密封焊缝焊后残余应力分布情况,为后期产品的安全运行提供数据支持。

模拟件焊接残余应力检测试验

测点位置选择

表明残余应力测量取自与反应堆冷却液接触的J型坡口焊缝表面,包含CRDM贯穿件ID(内径)和J型坡口焊缝/预堆焊缝(隔离层)的表面。从上坡侧、下坡侧和一侧斜坡位置抽取测试样。在每个位置上,从焊缝区域内和每侧焊缝区域抽取单项检测试样,以便发现贯穿件ID和焊缝表面的峰值拉伸应力。

测试设备及流程

盲孔法测量仪器采用聚航科技生产的JHMK残余应力检测系统,主要包括了JHYC静态应变仪、JHZK残余应力钻孔装置、应变花及其他附件工具。

盲孔法残余应力测试工艺流程:

1.将被测点表面打磨到粗糙度Ra08左右;

2.用酒精将打磨面清洗干净;

3.将应变花用胶水粘贴在被测点表面;

4.胶水凝固后,用接线端子将应变片引线与残余应力检测仪的测量线连接起来。

5.将残余应力检测仪修正调零;

6.用专用装置在应变花中心打一个Φ2mm、深约25mm的盲孔;

7.打完孔15分钟后,用检测仪测量打孔后释放的应变量;对记录的应变量进行附加应变修正后,采用专用程序进行残余应力计算。

模拟件焊接残余应力测试方案

首先采用盲孔法对CRDM模拟件外壁可达位置进行焊接残余应力检测,检测完成后,对模拟件进行解剖以便进行内壁残余应力检测。在解剖过程中,用应变片测试解剖后关键位置的变形释放值,然后采用有限元建模计算残余应力释放情况。对于解剖后的模拟件,采用盲孔法对内壁待测点进行残余应力检测,并根据解剖过程中测得的变形结合有限元计算结果对测量结果进行修正。

由于CRDM模拟件下坡侧外壁位置直接测量难度较大,完成内壁残余应力检测后,需对模拟件的下坡侧进行进一步解剖,并在解剖过程中通过应变片测量解剖后关键位置的变形释放情况。对解剖后的测量部位采用盲孔法进行残余应力检测,并根据解剖过程中测得的变形结合有限元计算结果对测量结果进行修正。

焊接残余应力检测结果

采用盲孔法对CRDM贯穿件J型坡口焊缝模拟件进行焊接残余应力检测。根据某三代核反应堆电压力容器产品的技术条件要求,驱动管座J型坡口密封焊缝焊后残余应力值应小于456MPa。根据本试验测量结果,CRDM模拟件J型焊缝焊后残余应力值均小于456MPa,最大值为361MPa,整体分布规律为外表面焊缝J型坡口焊缝边缘应力最低,焊缝中心位置和焊趾上方9mm部位残余应力水平较高,为拉应力;内表面焊缝根部下19mm及焊缝根部残余应力表现为拉应力,其中焊缝根部下19mm部位数值较高,除此之外,焊趾和焊缝根部中心、焊趾以及焊趾上方19mm三个位置均表现为压应力且应力水平相当。

结论

1.根据试验结果可说明盲孔法可用于核反应堆压力容器驱动管座J型坡口的焊接残余应力检测。

2.本次试验中测得的驱动管座J型坡口焊缝表面的残余应力最大值为361MPa,满足产品技术条件要求。

3.驱动管座J型坡口焊缝表面焊接残余应力的分布规律为:外表面为拉应力,以焊缝中心位置和焊趾上方9mm部位残余应力值较高,内表面除焊缝根部下19mm及焊缝根部为拉应力外,焊趾和焊缝根部中心、焊趾以及焊趾上方19mm三个位置均为压应力。