核级管端法兰面在线堆焊修复残余应力的数值模拟研究

工程背景与研究意义

核级管端法兰面在长期服役过程中可能因腐蚀、磨损或疲劳产生表面损伤，需要在线堆焊修复以恢复法兰面的密封性能与结构完整性。然而，堆焊修复过程必然引入焊接残余应力与变形，这些残余应力与服役载荷叠加后可能影响法兰连接的安全性和密封可靠性。本研究采用数值模拟方法对核级管端法兰面在线堆焊修复过程中的焊接顺序及堆焊厚度对残余应力和变形的影响进行了系统分析，为工程修复工艺优化提供了理论依据。

研究工作的特殊价值在于其工程针对性：核级部件对质量与安全性的要求极为严格，无法通过大量实物试验来优化工艺，因此数值模拟成为唯一可行的工艺优化手段。作者来自清华大学与苏州热工研究院，具备核级设备焊接工艺与残余应力分析的深厚专业积累，其模拟结果与X射线衍射实测数据的良好吻合进一步验证了数值模型的可靠性。

数值模拟方法与关键发现

研究采用热-力耦合有限元分析方法，模拟堆焊过程中的温度场演变与应力场演化。焊接热源模型的选择、材料高温性能参数的获取以及边界条件的设定是模拟结果可靠性的关键影响因素。研究重点考察了两种焊接顺序（从内至外与从外至内）以及不同堆焊厚度对残余应力和变形的影响规律。

模拟结果表明，由于法兰内外侧厚度不同以及内外壁连接管的刚性差异，采用从内至外的焊接顺序可以得到整体较小的焊接残余应力和变形。这一发现体现了焊接顺序对残余应力分布的影响机理：从内至外的焊接顺序使后焊焊道产生的收缩变形受到先焊焊道的约束，从而形成较为有利的残余应力分布。当堆焊厚度为20 mm时，外壁管道焊缝处的轴向残余应力接近材料的屈服强度，这一高应力水平可能导致应力腐蚀开裂或疲劳裂纹萌生，对核级部件安全构成严重威胁。

当堆焊厚度不超过15 mm时，外壁管道焊缝处的残余应力远低于屈服强度，表明控制堆焊厚度是降低残余应力的有效手段。这一结论为修复工艺设计提供了明确的参数限制：堆焊厚度宜控制在15 mm以内，以保证法兰连接区域的残余应力处于安全水平。

工程验证与工艺优化建议

研究团队采用优化的焊接工艺制作了等比例模拟件，并采用X射线衍射法测试模拟件的残余应力。计算结果与测试结果吻合良好，验证了数值模型及模拟分析结果的可靠性。这种计算与试验相互验证的技术路径值得在核级部件修复工艺研究中推广，既保证了工艺优化的科学性，又降低了试验成本与安全风险。

在工程实践方面，本研究成果为核级管端法兰面在线堆焊修复提供了以下工艺优化建议：优先采用从内至外的焊接顺序；控制单层堆焊厚度不超过15 mm；在堆焊过程中可采用层间锤击或超声冲击等方法降低焊接残余应力；修复完成后应进行残余应力检测与表面质量检验，确保修复区域满足核级部件质量要求。

本研究的局限性在于未考虑多次修复循环对法兰材料性能的累积影响，以及堆焊修复后法兰在高温高压服役环境下的长期性能退化。后续研究应结合蠕变、疲劳与应力腐蚀等多因素耦合作用，建立更为完善的修复工艺评价体系。此外，将数值模拟与在线监测技术结合，实现堆焊修复过程的实时应力监控与自适应工艺调整，将是核级部件修复技术发展的重要方向。