一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法及装置
阅读说明：本技术 一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法及装置 (Post-welding stress relief method and device for steel containment vessel of nuclear power station ) 是由 肖志威 曾凡勇 谢利平 朱称生 方一 刘军 高智能 洪春 张涛 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法,包括以下步骤：对焊缝两侧区域进行应力测试,判断出需要进行消应力处理的高应力区域；在所述高应力区域布置高能声束调控装置,使所述高能声束调控装置的输出探头与所述高应力区域表面贴合,通过所述高能声束调控装置所述高应力区域输入超声波,消除所述高应力区域内部应力。本发明的有益效果：利用超声波的波动能量改变高应力区域原有的弹性位错结构,改变残余应力的分布状态,消除焊后残余应力,处理区域相比热处理大大降低,功率密度更低,无需如热处理一样进行整体加热或局部区域全部加热,节约处理时间；可针对性地对高应力区域进行残余应力消除。(The invention provides a post-welding stress relief method for a steel containment vessel of a nuclear power station, which comprises the following steps of: carrying out stress test on areas on two sides of the welding seam, and judging a high-stress area needing stress relief treatment; arranging a high-energy sound beam regulating and controlling device in the high-stress area, enabling an output probe of the high-energy sound beam regulating and controlling device to be attached to the surface of the high-stress area, and inputting ultrasonic waves into the high-stress area through the high-energy sound beam regulating and controlling device to eliminate the internal stress of the high-stress area. The invention has the beneficial effects that: the original elastic dislocation structure of the high stress area is changed by utilizing the fluctuation energy of ultrasonic waves, the distribution state of residual stress is changed, the residual stress after welding is eliminated, the processing area is greatly reduced compared with heat treatment, the power density is lower, integral heating or partial area complete heating is not needed as the heat treatment, and the processing time is saved; residual stress relief may be targeted for high stress areas.)
技术领域
本发明涉焊接残余应力消除技术领域，尤其涉及一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法及装置。
背景技术
钢制安全壳(Containment Vessel，简称CV)是AP/CAP系列非能动压水堆核电站实现非能动功能的关键设备之一，其设计、建造采用ASME锅炉及压力容器规范。根据NE分卷表NE-4622.7(b)-1，钢制安全壳免除焊后热处理的最大壁厚为44.5mm，CAP1400/CAP1700钢制安全壳筒体段壁厚均超过44.5mm，按规范要求，钢制安全壳焊缝焊后应进行消应力热处理，其目的是释放焊接接头的残余应力，稳定结构尺寸。
钢制安全壳筒体尺寸较大，现场无法采用整体热处理法，而采用履带式加热片对整条焊缝(整条环缝一次热处理)采用局部热处理的方式，用电功率大，现场实施难度大。
现有的缝焊消应力热处理还有：中国专利CN 105925789A《核电站钢制安全壳筒体环焊缝热处理的方法》中，采用对整条环焊缝进行分段热处理的方式，降低了用电负荷，仍存在总体用电功率较大，且采用电加热局部热处理的方式作业时间较长，需按照要求进行一定速率的升温和降温，且一般需保温10小时左右。
以及中国专利CN 103773942A《核电站钢制安全壳安装焊缝热处理装置及热处理方法》中，设计了专用的热处理焊接装置，采用的方式仍是电加热，热处理时间较长，能耗较大，且大量消耗玻璃纤维保温棉，而保温棉易产生大量粉尘，对操作工人健康有一定的害处。
由此可见，目前钢制安全壳焊后消应力现有技术主要采用热处理法，采用电加热的方式为主，存在能耗较大、作业时间较长、劳动环境较差等缺点。
发明内容
有鉴于此，为了解决钢制安全壳焊缝焊后消应力处理的问题，本发明的实施例提供了一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法及装置。
本发明的实施例提供一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法，包括以下步骤：
对焊缝两侧区域进行应力测试，判断出需要进行消应力处理的高应力区域；
在所述高应力区域布置高能声束调控装置，使所述高能声束调控装置的输出探头与所述高应力区域表面贴合，通过所述高能声束调控装置所述高应力区域输入超声波，消除所述高应力区域内部应力。
进一步地，在对所述高应力区域输入超声波过程中，检测所述高应力区域内部的应力，在检测应力小于预定应力时停止输入超声波；否则继续输入超声波。
进一步地，判断出所述高应力区域为多个时，则对各所述高应力区域进行标记；在每一所述高应力区域均布置高能声束调控装置，通过各所述高能声束调控装置分别对每一所述高应力区域输入超声波消除内部应力。
进一步地，各所述高能声束调控装置分别连接控制器，通过所述控制器控制各所述高能声束调控装置的启停、功率和输出超声波的时间。
进一步地，对焊缝两侧区域进行应力测试之前，还应对焊缝表面两侧进行清理，去除氧化膜和油污。
进一步地，所述高能声束调控装置通过磁吸工装吸附于高应力区域。
进一步地，所述输出探头的前端设有弧形振动子，所述弧形振动子与所述高应力区域表面贴合。
进一步地，所述弧形振动子与所述高应力区域表面贴合之间还涂抹有耦合剂。
本发明的一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1.通过高能声束调控装置对高应力区域内部输入超声波，利用超声波的波动能量改变高应力区域原有的弹性位错结构，使得弹性位错从不稳定的高能位运动到低能位相对稳定的位置，改变残余应力的分布状态，消除焊后残余应力，相比热处理大大降低处理面积，功率密度更低，无需如热处理一样进行整体加热或局部区域全部加热，在保证消除焊缝周围应力的同时能耗大大降低，无需加热冷却，节约能耗和处理时间；另外相较于热处理的残余应力消除方式，可针对性地对高应力区域进行残余应力消除。
2.一个磁吸工装可配合多个高能声束调控装置的定位安装，提高工装布置效率。
3.多个高能声束调控装置程矩阵式分布，入射角动态调节，声能叠加，增强调控效果。
本发明的实施例还提供了一种核电站钢制安全壳焊后消应力装置，包括：
至少一个高能声束调控装置，每一所述高能声束调控装置设有与高应力区域表面固定的固定工装；
以及与所有高能声束调控装置连接的控制器，所述控制器用以控制各所述高能声束调控装置分别对各高应力区域内部输出超声波从而消除应力。
进一步地，所述高能声束调控装置的输出探头前端设有与高应力区域表面形状相适配的弧形振动子。
本发明一种核电站钢制安全壳焊后消应力装置的技术方案带来的有益效果与上述一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法的有益效果相同，这里不再做累赘说明。
附图说明
图1是本发明一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法的示意图；
图2中输出探头7的示意图；
图3是采用本发明一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法处理焊接试件前后的残余应力对照图；
图4是采用热处理消应力方法处理焊接试件前后的残余应力对照图。
图中：1-高能声束调控装置、2-控制器、3-焊缝、4-磁吸工装、5-钢制安全壳、6-耦合剂、7-输出探头、8-弧形振动子。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种核电站钢制安全壳焊后消应力方法，主要适用于适合于核电站建造现场的钢制安全壳5焊后消应力处理，包括以下步骤：
对焊缝3两侧区域进行应力测试，判断出需要进行消应力处理的高应力区域。
首先对钢制安全壳5焊接形成的焊缝3表面及两侧进行清理，去除氧化膜和油污等杂物。之后再采用超声应力测试设备对焊缝3两侧区域进行应力测试，根据应力分布情况和技术要求，确定需要进行消应力处理的的高应力区域。
这里对焊缝3两侧区域进行应力测试可以对指定点进行检测，以判断该指定点是否处于所述高应力区域。也可以直接对焊缝3两侧区域进行全面焊接残余应力检测，如沿焊缝3轴线方向每侧均布30个检测点，检测点距离焊趾约12mm，检测方向为横向。采用超声应力测试设备应力检测，检测探头宽度为10mm，超声频率为5MHz。检测前用砂轮机将被检测区域打磨至金属光泽，检测时探头表面涂抹适量耦合剂，并保证探头与检测位置贴合良好。检测所有应力值都是以零应力标定点位为基准的应力值。在对焊缝3两侧区域进行全面焊接残余应力检测时可能判断出所述高应力区域为多个时，则对各所述高应力区域进行标记，以便后续对各个高应力区域分别进行处理。
在所述高应力区域布置高能声束调控装置1，使所述高能声束调控装置1的输出探头7与所述高应力区域表面贴合，通过所述高能声束调控装置1对所述高应力区域输入超声波，消除所述高应力区域内部应力。
具体的，对于指定点的焊接残余应力处理，只需对该指定点的高应力区域布置高能声束调控装置1。而对于多个所述高应力区域则应在每一所述高应力区域均布置高能声束调控装置1，通过各所述高能声束调控装置1分别对每一所述高应力区域输入超声波消除内部应力。
请参考图2，每一所述高能声束调控装置1的布置方式为：在每一所述高应力区域表面可以涂抹耦合剂6，耦合剂6可以选择黄油。之后将所述高能声束调控装置1通过磁吸工装4吸附于高应力区域。所述输出探头7的前端设有弧形振动子8，所述弧形振动子8与所述钢制安全壳5上的高应力区域表面贴合，采用垂直入射法对所述高应力区域内部输入超声波。耦合剂6填充于所述弧形振动子8和所述高应力区域表面，使超声波顺利的透入所述高应力区域内部，所述弧形振动子8能紧密贴合钢制安全壳5外表面，减少超声波能量的损失。
在每一所述高能声束调控装置1对所述高应力区域输入超声波过程中，检测所述高应力区域内部的应力，在检测应力小于预定应力时停止输入超声波；否则继续输入超声波。也就是说通过所述高能声束调控装置1输出的超声波对焊接残余应力调控一定时间后，拆除高能声束调控装置1，清除残余耦合剂6，再次使用超声应力测试设备，测试所述高应力区域的残余应力值并记录。若残余应力已下降到预定应力，达到要求值，则高能声束调控装置1调控消应力水平满足要求；否则，需延长高能声束调控时间。
为了实现对多个高能声束调控装置1的控制，将各所述高能声束调控装置1分别连接控制器2，通过所述控制器2控制各所述高能声束调控装置1的启停、功率和输出超声波的时间。
下面举例对上述核电站钢制安全壳焊后消应力方法的有益效果进行验证，做进一步的解释说明，具体如下：
表1母材和焊材
试验材料
型号
规格
备注
母材
AG7XX高强度钢
2200mm×2500mm×60mm
对接
焊材
E10018-G
φ3.2mm
母材选择核电站钢制安全壳常用的AG7XX高强度钢、焊材选择E10018-G，母材试件坡口为x型,坡口角度60,组对间隙为2～5mm。
热处理设备为WCK-240智能型热处理温度控制箱。
焊接方式：采用多层多道手工焊接，焊接位置为立焊。焊前，清理和预热待焊区域及邻近区域，预热温度不低于120℃，层/道间温度不低于预热温度，且不高于200℃。焊后热处理工艺与工程施工焊接工艺评定一致，保温温度为595～620℃，保温时间为10h。
测量焊接后未进行焊接残余应力消除处理的两试件上各检测点的残余应力，然后通过上述核电站钢制安全壳焊后消应力方法和热处理设备分别对焊接之后的两试件进行焊接残余应力消除处理，并检测焊接残余应力消除处理后的两试件上的各检测点的残余应力。
请参考图3和4，对比可知，采用上述核电站钢制安全壳焊后消应力方法能有效降低接头残余应力，效果与热处理消应力方式相当。
另外，请参考图1和2，本发明的实施例还提供了一种核电站钢制安全壳焊后消应力装置，包括：
至少一个高能声束调控装置1，每一所述高能声束调控装置1设有与高应力区域表面固定的固定工装；所述高能声束调控装置1的数量可以为一个或多个，具体根据实际需要消除焊接残余应力的高应力进行确定。所述固定工装优选为磁吸工装4，可与所述钢制安全壳5吸附固定，便于固定，且夹紧力方便调节，结构简单，易于安装和拆卸操作，效率高。
所述高能声束调控装置1的输出探头7前端设有与高应力区域表面形状相适配的弧形振动子8，所述弧形振动子8具有可以更好的与钢制安全壳5表面贴合紧密的弧形面。
以及与所有高能声束调控装置1连接的控制器2，所述控制器2用以控制各所述高能声束调控装置1分别对各高应力区域内部输出超声波从而消除应力，具体控制各所述高能声束调控装置1的启停、功率和输出超声波的时间等参数。
上述核电站钢制安全壳焊后消应力装置配合应力测试设备使用，对钢制安全壳焊接加工时焊接残余应力的消除，具体使用方法参考上述核电站钢制安全壳焊后消应力方法，这里就不再做重复说明。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种钻杆焊区热处理工艺