核级阀门密封面堆焊层裂纹成因与残余应力演化的学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《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闫祥宇等人完成。研究针对核电厂核岛管路系统中阀门堆焊层出现裂纹类缺陷的工程实际问题，通过阀门模拟实验件的机械载荷疲劳实验和热载荷疲劳实验，分析了Norem 02铁基合金堆焊层裂纹的产生机理，并对核级阀门密封面堆焊层残余应力进行了热弹塑性有限元计算，使用X射线衍射法（XRD）对数值模拟结果进行了验证。核级阀门是核岛管路系统中的关键控制部件，其密封面堆焊层的完整性直接关系到核电厂的安全运行，任何裂纹缺陷都可能导致核岛管路泄漏等重大安全事故。

裂纹成因分析

机械载荷与热载荷的协同作用

本文通过机械载荷疲劳实验和热载荷疲劳实验，揭示了阀门密封面堆焊层裂纹的产生机理。研究发现，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。焊接残余应力是堆焊过程中由于不均匀加热和冷却产生的内应力，通常在堆焊层表面产生拉应力，在内部产生压应力。热应力则是在阀门工作过程中由于温度变化产生的热胀冷缩应力。两种应力的叠加超过了堆焊层材料的强度极限，导致裂纹萌生和扩展。

Norem 02合金的特性

Norem 02是一种铁基堆焊合金，具有良好的耐磨性和耐蚀性，广泛应用于核级阀门密封面的堆焊修复。然而，Norem 02合金的韧性相对较低，在残余应力和热应力的共同作用下容易发生脆性断裂。这种脆性断裂特征在断口形貌上表现为穿晶解理和沿晶解理的混合模式，缺乏明显的塑性变形区。

残余应力演化规律

热弹塑性有限元计算

本文采用热弹塑性有限元方法对阀门密封面堆焊层残余应力进行了计算。热弹塑性模型考虑了材料在高温下的弹塑性行为和温度场对应力场的影响，能够准确模拟堆焊过程中的温度梯度和应力演化。计算结果表明，堆焊层表面的残余拉应力较大，内部残余应力逐渐减小，在堆焊层与基体的界面处存在应力集中。

XRD验证与实验对比

X射线衍射法是一种非破坏性的残余应力测量方法，通过测量X射线衍射峰的位移来确定晶格应变，进而计算残余应力。本文使用XRD对数值模拟结果进行了验证，结果表明XRD测量值与有限元计算值具有较好的一致性，验证了有限元模型的准确性。这种数值模拟与实验验证相结合的方法，为工程实践中残余应力的预测和控制提供了可靠的技术手段。

堆焊层减薄与热载荷效应

堆焊层减薄的影响

本文研究发现，在阀门密封面工作过程中，堆焊层的减薄（由于磨损）导致堆焊层应力变化很小。这一结果表明，堆焊层的磨损减薄对残余应力分布的影响可以忽略不计。从工程设计角度看，这意味着堆焊层的厚度余量设计不需要考虑减薄对残余应力的影响，可以简化设计计算。

热载荷的主导作用

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。这一发现具有重要的工程意义：首先，在阀门设计时需要考虑热循环对堆焊层的影响，特别是高温工况下的热应力；其次，在堆焊工艺设计中需要考虑热匹配性，选择与基体热膨胀系数接近的堆焊合金；最后，在阀门运行维护中需要监测温度变化，避免温度急剧变化导致热应力过大。

工程应用与预防对策

残余应力控制措施

基于本文的研究成果，提出以下残余应力控制措施：首先，优化堆焊工艺参数，采用多层多道堆焊，每道之间进行适当的热处理，降低残余应力；其次，堆焊后进行去应力退火处理，消除大部分残余应力；第三，在堆焊层与基体之间设置过渡层，缓冲热膨胀差异产生的应力。

与核级阀门安全的结合

核级阀门的安全等级极高，其堆焊层裂纹问题需要采取严格的预防和控制措施。建议采用以下综合策略：首先，在堆焊前对基体进行预热，降低焊接热应力；其次，采用低氢焊材，减少氢致裂纹敏感性；第三，堆焊后进行100%无损检测（RT/UT），确保堆焊层无裂纹缺陷；第四，在阀门运行过程中，建立温度监测和振动监测体系，及时发现异常。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度看，核级阀门密封面堆焊层的主要失效模式包括：裂纹萌生（由残余应力过大引起）、裂纹扩展（由热应力和机械载荷共同作用引起）、密封失效（由裂纹贯穿堆焊层引起）。针对这些失效模式，需要采取相应的预防措施，确保阀门的长期安全运行。

总体而言，本文通过实验和数值模拟相结合的方法，揭示了核级阀门密封面堆焊层裂纹的成因和残余应力演化规律，其发现的热载荷主导效应和堆焊层减薄影响可忽略的结论，对核级阀门的设计和运维具有重要指导意义。在实际工程中，建议建立堆焊层残余应力的监测体系，定期检测残余应力水平，及时发现和消除安全隐患，确保核电厂的安全运行。