核级阀门密封面堆焊层裂纹成因实验分析及残余应力演化计算的学习体会

文献概况与工程重要性

本文出自热加工工艺2026年第55卷第15期，由大连理工大学能源与动力学院与中广核核电运营有限公司联合完成，受国家重点研发项目和国家自然科学基金资助。研究针对核电厂核岛管路系统中阀门堆焊层出现的裂纹类缺陷，通过机械载荷疲劳实验、热载荷疲劳实验和热弹塑性有限元计算，系统分析了Norem 02铁基合金堆焊层裂纹的产生机理，并对堆焊层残余应力演化规律进行了计算和实验验证。该研究直接面向核电安全，具有重要的工程意义和学术价值。

核级阀门堆焊层的工程背景

核岛管路阀门是核电厂的关键控制部件，其密封面堆焊层直接承受高温高压介质的冲刷和腐蚀。Norem 02是一种铁基耐蚀合金，具有良好的耐蚀性和高温强度，广泛应用于核级阀门密封面堆焊。然而，在工程实际中发现部分阀门堆焊层在工作时出现裂纹类缺陷，造成核岛管路泄漏等重大安全事故，严重威胁核电运行安全。

裂纹缺陷的工程后果

裂纹产生机理分析

研究通过制备阀门模拟实验件，分别进行机械载荷疲劳实验和热载荷疲劳实验，系统分析了堆焊层裂纹的产生机理。

实验方法与结果

机械载荷疲劳实验模拟阀门在工作状态下的机械应力循环，热载荷疲劳实验模拟阀门启停过程中温度变化引起的热应力。实验结果表明，阀门密封面堆焊层裂纹为焊接残余应力和热应力共同作用导致的脆性贯穿裂纹。

这一结论具有重要的工程指导意义：

1. 焊接残余应力是裂纹萌生的初始驱动力，在堆焊过程中由于不均匀加热和冷却产生
2. 热应力在阀门工作过程中周期性叠加，加速裂纹扩展
3. 脆性贯穿裂纹表明堆焊层材料的韧性不足，无法有效阻止裂纹扩展

残余应力有限元计算

研究采用热弹塑性有限元方法对核级阀门密封面堆焊层残余应力进行了计算，并使用X射线衍射法对数值模拟结果进行了验证。计算结果与实验测量结果吻合良好，验证了有限元模型的可靠性。

残余应力演化规律

研究进一步计算并分析了堆焊层减薄和热载荷作用下堆焊层残余应力的演化规律，揭示了以下重要规律：

堆焊层减薄的影响

在阀门密封面工作过程中，由于介质冲刷和磨损，堆焊层会逐渐减薄。研究发现，堆焊层的减薄导致堆焊层应力变化很小。这一结论具有重要的工程意义——堆焊层减薄本身不是裂纹扩展的主要驱动力，无需因堆焊层减薄而过度担忧裂纹风险。

热载荷的影响

在1000℃热载荷作用下，堆焊层应力增加较为明显，而热载荷是导致堆焊层材料产生破坏的主导因素。这一发现揭示了核电阀门堆焊层裂纹的根本原因——高温工况下的热应力是裂纹萌生和扩展的主导因素，而非机械应力或堆焊层减薄。

关键问题与工程建议

本文的核心贡献在于揭示了核级阀门堆焊层裂纹的成因机理，并通过有限元计算和实验验证确定了热载荷是裂纹破坏的主导因素。对于核电阀门的设计、制造和运维，提出以下建议：

1. 焊接工艺优化：通过优化堆焊工艺参数和层间温度控制，降低焊接残余应力，减少裂纹萌生的初始驱动力。
2. 焊后热处理：对堆焊层进行去应力退火处理，进一步降低残余应力水平。
3. 材料韧性提升：选用韧性更好的堆焊合金或优化合金成分，提高堆焊层抵抗裂纹扩展的能力。
4. 热应力控制：在阀门设计阶段考虑热应力分布，优化密封面几何形状和堆焊层厚度，降低热应力集中。
5. 运维监测：建立阀门堆焊层的定期检测制度，采用无损检测手段监测裂纹萌生和扩展情况。

综合来看，本文为核级阀门堆焊层裂纹问题提供了系统的机理分析和工程解决方案，热弹塑性有限元计算结合X射线衍射验证的方法论为核电设备应力分析提供了可靠的技术路线，对保障核电运行安全具有重要的工程价值。该研究对于核级阀门的焊接工艺优化、材料选择和运维管理具有直接的指导意义，是核电焊接领域的重要参考文献。