付一鳴，高付海，齊 敏，王月英，徐海濤

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核工程設(shè)計(jì)研究所，北京 102413)

以鈉冷快堆為代表的先進(jìn)高溫反應(yīng)堆是目前核能技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略要地，其高溫機(jī)械設(shè)備在復(fù)雜服役環(huán)境中的結(jié)構(gòu)完整性直接影響反應(yīng)堆的安全與可靠性。機(jī)械結(jié)構(gòu)在制造焊接過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生的各類缺陷是引起結(jié)構(gòu)失效的主要原因，所以需要通過(guò)各種無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)制造缺陷進(jìn)行嚴(yán)格、有效的控制。然而，過(guò)于嚴(yán)苛的缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不僅會(huì)大幅增加制造工藝難度、提高生產(chǎn)成本，而且過(guò)多的、高約束條件下的返修有可能產(chǎn)生無(wú)損檢測(cè)不易察覺(jué)但實(shí)際危害更大的潛藏裂紋[1-3]。因此掌握科學(xué)合理的無(wú)損檢測(cè)缺陷評(píng)定與驗(yàn)收技術(shù)是保障先進(jìn)反應(yīng)堆安全性與提高經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)支撐。

我國(guó)目前尚未建立起針對(duì)快堆等先進(jìn)高溫堆型的無(wú)損檢測(cè)缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)體系。壓水堆在國(guó)際上已有超過(guò)50年的建造運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此可以直接參考國(guó)外的ASME、RCC-M等經(jīng)典規(guī)范中的缺陷驗(yàn)收準(zhǔn)則[4-8]。鈉冷快堆等先進(jìn)堆型機(jī)械設(shè)備往往具有高溫、薄壁等特點(diǎn)，使用的金屬承壓材料也與壓水堆有顯著差別，所以直接沿用壓水堆的無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)不足。此外，目前世界各國(guó)使用的高溫反應(yīng)堆無(wú)損檢測(cè)缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)差異較大，而且通過(guò)長(zhǎng)期積累工程經(jīng)驗(yàn)制定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的方式已不適合當(dāng)前核工業(yè)的發(fā)展需求，因此需要考慮使用更先進(jìn)的缺陷評(píng)估方法制訂高溫反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備制造驗(yàn)收環(huán)節(jié)的缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[1,9]。

本文擬比較分析ASME、RCC系列和PNAE G-7-010-89等國(guó)際上較成熟的核設(shè)備焊縫無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，分析其各自的特點(diǎn)及差異的原因，在此基礎(chǔ)上研究此類制造驗(yàn)收環(huán)節(jié)所使用驗(yàn)收準(zhǔn)則的制定過(guò)程，及此類驗(yàn)收準(zhǔn)則的局限性；然后從斷裂力學(xué)和蠕變-疲勞損傷等角度出發(fā)分析焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的影響，進(jìn)而提出基于斷裂力學(xué)理論和損傷模型制定無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則的基本思路。

1 經(jīng)典規(guī)范的比較

盡管目前國(guó)內(nèi)外許多較成熟的規(guī)范均給出了各自的焊縫無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則，但部分規(guī)范之間的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)差異較大，而且在快堆等先進(jìn)堆型上的適用性尚未得到充分驗(yàn)證。表1為常見(jiàn)核設(shè)施和壓力容器焊縫無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的規(guī)范及各自的適用場(chǎng)景。美國(guó)的ASME BPVC第Ⅲ卷[4]是國(guó)際公認(rèn)的核設(shè)施設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其焊縫無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則沿襲了第Ⅷ卷民用壓力容器的驗(yàn)收準(zhǔn)則，這套驗(yàn)收體系已經(jīng)在壓水堆的建造運(yùn)行中得到了充分驗(yàn)證。法國(guó)在ASME規(guī)范體系的基礎(chǔ)上結(jié)合自身積累的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)形成了RCC系列標(biāo)準(zhǔn)，其中RCC-M[5]適用于壓水堆機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)建造，RCC-MRx[6]可用于實(shí)驗(yàn)堆、高溫堆和聚變堆等的設(shè)計(jì)建造。然而法國(guó)這些規(guī)范的焊縫無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)并未根據(jù)不同的堆型而有所區(qū)分。我國(guó)在RCC-M無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上形成了《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》(NB/T 20003)標(biāo)準(zhǔn)[7]，同時(shí)根據(jù)ASME第Ⅲ卷編制了《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)另一規(guī)范》(NB/T 20328)[8]作為補(bǔ)充，兩套規(guī)范在內(nèi)容上和RCC-M或ASME基本一致。俄羅斯的核動(dòng)力裝置標(biāo)準(zhǔn)化工作起步較早，目前為止其設(shè)計(jì)建造的反應(yīng)堆均遵循PNAE G-7系列規(guī)范文件，如焊縫的檢驗(yàn)與驗(yàn)收遵循《核動(dòng)力裝置設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊的檢驗(yàn)規(guī)程》(PNAE G-7-010-89)。這些規(guī)范制訂時(shí)雖然也參考了同時(shí)期的ASME規(guī)范，但主要方法、思路和形式與ASME差距較大[10-12]。

表1 核設(shè)施和壓力容器焊縫無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)范及適用場(chǎng)景Table 1 Main standard of weld NDT acceptance criteria and applicability

1.1 ASME與RCC系列規(guī)范的相似性

ASME規(guī)范第Ⅲ卷給出了滲透、磁粉、射線和超聲等不同無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，這些驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于不同規(guī)范等級(jí)的設(shè)備是無(wú)差異的。此外作為表面檢測(cè)手段，滲透和磁粉檢測(cè)使用同一套驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；作為體積檢測(cè)手段的超聲和射線檢測(cè)同樣使用一套驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。ASME規(guī)范第Ⅲ卷針對(duì)核級(jí)設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是從第Ⅷ卷民用壓力容器的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)直接沿襲而來(lái)的[9]。

RCC-M、RCC-MR、RCC-MRx等法國(guó)核島機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)制造規(guī)范雖然規(guī)定了各自適用的堆型，但其無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)部分是一致的。與ASME不同的是，RCC系列規(guī)范針對(duì)不同規(guī)范等級(jí)的設(shè)備給出了不同嚴(yán)苛程度的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而且超聲檢測(cè)使用了不同于射線檢測(cè)的驗(yàn)收方法。

ASME與RCC規(guī)范一級(jí)設(shè)備滲透檢測(cè)缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比列于表2。ASME和RCC都不允許裂紋等條形缺陷的存在，ASME允許5 mm以下的圓形缺陷，RCC給的圓形缺陷限值為4 mm，因此此處RCC略嚴(yán)于ASME；但就二者對(duì)于需要記錄的缺陷限值，ASME稍嚴(yán)。對(duì)于鏈狀缺陷，RCC標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于ASME，但對(duì)于集群缺陷則ASME更嚴(yán)。

表2 ASME與RCC規(guī)范中滲透檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則比較Table 2 Comparison of penetration testing acceptance criteria for ASME and RCC

對(duì)于射線檢測(cè)出的體積缺陷，ASME將缺陷分為條形缺陷、圓形缺陷，分別給出了不同的允許缺陷尺寸限值；RCC則分為氣孔和夾渣兩類缺陷分別驗(yàn)收。對(duì)于超聲檢測(cè)，二者使用的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不同，因?yàn)镽CC使用反射波幅度對(duì)缺陷評(píng)判，因此兩套驗(yàn)收準(zhǔn)則很難直接比較嚴(yán)苛度。RCC系列規(guī)范對(duì)于二、三級(jí)設(shè)備適當(dāng)放寬了驗(yàn)收限值，因此對(duì)于除一級(jí)設(shè)備以外的設(shè)備，RCC系列規(guī)范中的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)相比ASME要寬松。

總的來(lái)說(shuō)，不能完全證明ASME和RCC中哪一個(gè)更嚴(yán)格或更科學(xué)，它們各自結(jié)合了本國(guó)的焊接技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；就基本思路和框架體系，二者是一脈相承的。

1.2 俄羅斯PNAE G-7-010-89標(biāo)準(zhǔn)的特殊性

俄羅斯的《核動(dòng)力裝置設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊檢驗(yàn)規(guī)程》(PNAE G-7-010-89)專門(mén)對(duì)焊接部位的檢驗(yàn)程序和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)做出了規(guī)定。與ASME和RCC系列規(guī)范相比，俄羅斯的這套規(guī)范差異顯著。首先該標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則制定得更詳細(xì)具體，同時(shí)總體也更嚴(yán)苛。標(biāo)準(zhǔn)不僅對(duì)焊接接頭公稱厚度的分類更細(xì)，而且根據(jù)不同壁厚對(duì)缺陷的最大允許數(shù)量也給出了詳細(xì)的規(guī)定，這與ASME、RCC等國(guó)際上常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均有很大差異。俄羅斯的焊縫檢驗(yàn)規(guī)范不僅區(qū)別了不同的規(guī)范等級(jí)，還對(duì)高溫服役設(shè)備做了專門(mén)區(qū)分；但在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)3個(gè)規(guī)范等級(jí)使用相同的評(píng)價(jià)方法[10-12]。

《核動(dòng)力裝置設(shè)備和管道焊接和堆焊檢驗(yàn)規(guī)程》(PNAE G-7-010-89)是和《核動(dòng)力裝置設(shè)備和管道強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范》(PNAE G-7-002-86)相匹配的檢驗(yàn)規(guī)范，因此前者對(duì)焊接接頭的較嚴(yán)苛的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與后者評(píng)價(jià)焊接部位不需要乘以焊縫減弱系數(shù)的設(shè)計(jì)方法應(yīng)是一致的。而ASME在測(cè)定材料的疲勞-壽命曲線時(shí)，主要根據(jù)是母材的疲勞性能測(cè)試結(jié)果，因此得到的疲勞-壽命曲線不能包絡(luò)焊接接頭性能差異帶來(lái)的不確定因素[9]，所以需要引入焊縫減弱系數(shù)以保證設(shè)計(jì)的保守性。

1.3 最新通用焊接質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性

以《焊縫缺陷分級(jí)體系》(ISO 5817)為代表的行業(yè)通用焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)較上述規(guī)范更具時(shí)效性[13]。這些規(guī)范已基本拋棄了根據(jù)無(wú)損檢測(cè)手段制定驗(yàn)收準(zhǔn)則的方式，而是專注于缺陷本身，如缺陷的類型、位置、大小等。這種質(zhì)量評(píng)定方式結(jié)合了近幾十年無(wú)損檢測(cè)技術(shù)本身的發(fā)展情況，對(duì)缺陷的驗(yàn)收也從簡(jiǎn)單的質(zhì)量控制手段開(kāi)始向科學(xué)的缺陷評(píng)估方法轉(zhuǎn)變。然而這類規(guī)范尚未在核島機(jī)械設(shè)備的驗(yàn)收中得到應(yīng)用。

通過(guò)比較上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可知，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制造缺陷的驗(yàn)收沒(méi)有完全統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)或判定依據(jù)。此外國(guó)際上近年來(lái)不再過(guò)分強(qiáng)調(diào)射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)等檢測(cè)手段對(duì)缺陷探測(cè)的差異性，因此最近發(fā)布的焊縫缺陷分級(jí)體系沒(méi)有根據(jù)檢測(cè)手段區(qū)分不同的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；但ASME、RCC等規(guī)范仍沿用了20世紀(jì)七八十年代確立的驗(yàn)收準(zhǔn)則，隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段及缺陷評(píng)價(jià)方法的發(fā)展，這些準(zhǔn)則的適用性亟待進(jìn)一步探討[9]。

2 質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程與局限性

國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為，ASME等經(jīng)典規(guī)范的無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則主要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)得來(lái)，主觀性和保守性較大[1-3,9]。最早的無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則是針對(duì)射線檢測(cè)制定的，由于射線檢測(cè)對(duì)氣孔和夾渣等體積缺陷的檢測(cè)能力遠(yuǎn)大于裂紋等面積型缺陷，因此從一開(kāi)始驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)就對(duì)氣孔等體積缺陷給出了詳細(xì)的規(guī)定，而對(duì)于裂紋直接采用了不予驗(yàn)收的概括性規(guī)定[9]。一般裂紋等平面型缺陷確實(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)危害更大，因此這種規(guī)定也容易接受，但射線檢測(cè)對(duì)裂紋的檢測(cè)能力實(shí)際上不足以完全保證結(jié)構(gòu)的可靠性。對(duì)于體積型缺陷，經(jīng)典規(guī)范制訂的主要參考依據(jù)是當(dāng)時(shí)本國(guó)的焊接工藝水平，發(fā)展過(guò)程中各自結(jié)合了一些結(jié)構(gòu)件失效原因的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，因此各國(guó)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異。

針對(duì)體積型缺陷的驗(yàn)收準(zhǔn)則并非越嚴(yán)越好。安全性方面，數(shù)量不多、尺寸較小的內(nèi)部氣孔、夾渣等缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的服役性能影響較為有限，在高度約束條件下進(jìn)行返修反而有形成裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。由于射線檢測(cè)對(duì)裂紋的檢測(cè)能力有限，因此對(duì)體積型缺陷設(shè)立過(guò)于嚴(yán)苛的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)反而不利于保證焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。經(jīng)濟(jì)性方面，大量的返修或判廢必然造成不必要的浪費(fèi)，制造成本也將大幅提高[3]。因此在無(wú)明確根據(jù)的情況下，不應(yīng)輕易提高體積型缺陷的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)本身的發(fā)展，許多過(guò)去難以檢出的微小缺陷目前已可以檢出，然而過(guò)去的建造運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)實(shí)際上證明了此類缺陷的危害是極為有限的，因此對(duì)于此類缺陷的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)重新考量[9]。

基于工程經(jīng)驗(yàn)制定缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的方法已不能滿足目前核工業(yè)的發(fā)展需求。一方面這種對(duì)工藝質(zhì)量進(jìn)行控制的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有建立起焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)機(jī)械性能之間的量化關(guān)系，因此用這種方法驗(yàn)收的焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠性得不到充分證明；另一方面由于這種驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的保守性得不到有效評(píng)估，因此在實(shí)際使用過(guò)程中很難根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)放寬或加嚴(yán)。

3 不同類型缺陷對(duì)焊接接頭性能的影響

最早的焊接壓力容器無(wú)損檢測(cè)條款大約出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，當(dāng)時(shí)對(duì)于焊接缺陷可能引起的結(jié)構(gòu)性能下降的方式和程度尚未明確[9]。而隨著斷裂力學(xué)和疲勞損傷等理論的發(fā)展，常見(jiàn)缺陷對(duì)焊接接頭性能的影響方式和危害程度的研究已經(jīng)較為深入。近年來(lái)Macdonald[2]在前人基礎(chǔ)上結(jié)合疲勞損傷和斷裂力學(xué)的方法，對(duì)焊接缺陷引起的結(jié)構(gòu)性能的變化進(jìn)行了更加系統(tǒng)的研究。

3.1 體積型缺陷對(duì)焊接接頭性能的影響

體積型缺陷主要指焊接過(guò)程中出現(xiàn)的氣孔和夾渣。氣孔常見(jiàn)的形態(tài)有單個(gè)球形、單個(gè)條形或蟲(chóng)形、局部密集顯示等。這類缺陷的危害程度主要取決于氣孔數(shù)量、尺寸和幾何形態(tài)等。局部密集氣孔容易在服役過(guò)程中發(fā)展、合并從而顯著降低焊接接頭的有效截面積，嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)影響壓力容器的氣密性，因此各類規(guī)范均專門(mén)針對(duì)密集顯示制訂了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

夾渣的危害程度取決于夾雜物屬性、數(shù)目、尺寸大小、幾何形態(tài)，其幾何形狀不規(guī)則，尤其是存在棱角或尖角時(shí)危害嚴(yán)重，易造成應(yīng)力集中，進(jìn)而誘發(fā)疲勞裂紋的萌生[14]。同時(shí)夾雜物與母材性能差異越大，應(yīng)力集中越明顯，疲勞裂紋萌生速率也越快。

體積型缺陷位于內(nèi)部時(shí)危害程度較有限，但位于表面時(shí)易引發(fā)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子也往往更大，因此對(duì)應(yīng)更高的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。一般認(rèn)為，當(dāng)表面體積型缺陷的長(zhǎng)寬比大于3時(shí)，缺陷尖端處極易誘發(fā)疲勞裂紋，因此幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都對(duì)此類缺陷做出了嚴(yán)格限制[4-6,10,13]。

滲透檢測(cè)和磁粉檢測(cè)等表面檢測(cè)手段均可檢出大多數(shù)表面體積缺陷，而深層體積缺陷主要依賴射線檢測(cè)手段進(jìn)行檢查，部分深層體積缺陷也可使用超聲檢測(cè)探出，但普通的超聲探傷儀對(duì)體積型缺陷的靈敏度和精確度差于射線探傷裝置[9,15]。

3.2 平面型缺陷對(duì)焊接接頭性能的影響

平面型缺陷可以是裂紋、未熔合、未焊透、咬邊等缺陷類型。此類缺陷一般具有裂紋的特征，容易在服役過(guò)程中擴(kuò)展形成長(zhǎng)裂紋，嚴(yán)重影響焊接結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。大多數(shù)規(guī)范都不允許在制造環(huán)節(jié)出現(xiàn)平面型缺陷，在役檢查中如果檢出了此類缺陷，則要根據(jù)斷裂力學(xué)等理論全面評(píng)估缺陷風(fēng)險(xiǎn)，確保平面型缺陷沒(méi)有失穩(wěn)擴(kuò)展的可能方可繼續(xù)使用。平面型缺陷主要靠超聲檢測(cè)手段檢出，位于表面時(shí)也可通過(guò)表面檢測(cè)手段檢出[15]。

由于不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之間的差異主要集中在對(duì)體積型缺陷設(shè)定的限值上，各類規(guī)范對(duì)平面型缺陷的限制都很?chē)?yán)格，因此制定無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則主要應(yīng)關(guān)注體積型缺陷?，F(xiàn)階段核級(jí)設(shè)備在制造驗(yàn)收環(huán)節(jié)仍應(yīng)嚴(yán)格限制平面型缺陷的出現(xiàn)。

在對(duì)焊接缺陷有更深入、完整研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)強(qiáng)度理論、斷裂力學(xué)和疲勞損傷等方法制定無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則的條件已經(jīng)具備，可以使用這些缺陷評(píng)價(jià)手段對(duì)缺陷影響進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)，根據(jù)需要制定出更科學(xué)合理且有針對(duì)性的無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4 確定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可使用的缺陷評(píng)價(jià)方法

4.1 基于斷裂力學(xué)的缺陷評(píng)價(jià)方法

隨著斷裂力學(xué)理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于斷裂力學(xué)的缺陷評(píng)估方法已在國(guó)際上逐漸成熟起來(lái)[1-3,16-17]。如ASME規(guī)范在役檢查部分就使用了應(yīng)力強(qiáng)度因子的裂紋擴(kuò)展判定手段，英國(guó)的R5和R6規(guī)范也都介紹了較成熟的裂紋評(píng)價(jià)流程和判據(jù)。目前國(guó)際上主要的涉及斷裂力學(xué)的缺陷評(píng)價(jià)方法列于表3，相關(guān)技術(shù)理論包括應(yīng)力強(qiáng)度因子判據(jù)[4]、COD方法[18-21]和失效評(píng)定圖[22]等。

表3 涉及到斷裂力學(xué)的缺陷評(píng)價(jià)方法Table 3 Main defect analysis method related to fracture mechanics

這些方法都需要明確材料的斷裂韌性等力學(xué)性能參數(shù)，還要對(duì)缺陷的尺寸進(jìn)行規(guī)則化處理，這些均需通過(guò)計(jì)算裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)或應(yīng)變量才能得出準(zhǔn)確結(jié)論，因此對(duì)檢測(cè)和評(píng)估人員都提出了更高的要求。此外這類方法將氣孔和夾渣等體積型缺陷當(dāng)作裂紋的處理方式也帶來(lái)了極大的保守性。但實(shí)際上焊縫缺陷中出現(xiàn)氣孔和夾渣等體積型缺陷的頻次遠(yuǎn)高于其他平面型缺陷，所以這類方法在在役檢查中作用更明顯。

盡管斷裂力學(xué)對(duì)體積型缺陷的評(píng)估偏保守，但針對(duì)長(zhǎng)寬比大于3的條形表面缺陷或鐵素體鋼等低溫下斷裂韌性明顯下降的金屬材料，仍可近似為平面裂紋開(kāi)展計(jì)算，所得結(jié)果可用于支持體積型缺陷驗(yàn)收準(zhǔn)則的放寬，也可用于驗(yàn)證驗(yàn)收準(zhǔn)則的安全性。

4.2 基于疲勞強(qiáng)度的質(zhì)量評(píng)估方法

目前大部分高溫反應(yīng)堆使用抗斷裂性能優(yōu)異的奧氏體鋼作為主要結(jié)構(gòu)材料，此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的風(fēng)險(xiǎn)降低，循環(huán)載荷帶來(lái)的疲勞損傷成為設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的潛在失效原因。Jonsson等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了焊接缺陷對(duì)焊縫疲勞壽命的影響，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了焊接缺陷與結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系。這種處理方式對(duì)氣孔和夾渣等體積型缺陷的適用性強(qiáng)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足。如通過(guò)研究焊接截面上氣孔所占總焊接面積的比值，即氣孔率對(duì)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，總結(jié)不同質(zhì)量等級(jí)的焊接接頭可允許的氣孔大小和數(shù)量。根據(jù)焊接氣孔率對(duì)結(jié)構(gòu)鋼疲勞強(qiáng)度的影響，可以得到不同IIW焊接等級(jí)下允許的氣孔率。相關(guān)研究成果已形成瑞典沃爾沃集團(tuán)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且已積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)[1]。

借鑒基于疲勞強(qiáng)度質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定方法，可以開(kāi)展高溫反應(yīng)堆含缺陷焊接接頭的疲勞實(shí)驗(yàn)和高溫持久實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析氣孔等缺陷對(duì)焊接接頭機(jī)械性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上使用合理的蠕變-疲勞損傷模型構(gòu)建出含缺陷焊接接頭的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，最后考慮載荷、環(huán)境等因素形成一套裕量明確、科學(xué)合理的無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)難以直接應(yīng)用于高溫反應(yīng)堆的焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制。面對(duì)我國(guó)未來(lái)多種先進(jìn)堆型的發(fā)展需要和科學(xué)、有效的無(wú)損檢測(cè)缺陷驗(yàn)收技術(shù)相對(duì)匱乏之間的矛盾，必須盡早開(kāi)展適用于先進(jìn)堆型高溫設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)缺陷評(píng)價(jià)和驗(yàn)收技術(shù)研究，掌握核心技術(shù)方法，儲(chǔ)備基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，在保證反應(yīng)堆安全性的前提下進(jìn)一步提升先進(jìn)堆型的經(jīng)濟(jì)性。目前來(lái)看，在確定高溫反應(yīng)堆焊縫的無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮遵循以下原則。

1) 不需要根據(jù)無(wú)損檢測(cè)手段制定不同的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，僅對(duì)缺陷本身的性質(zhì)如類型、位置、大小和數(shù)量等進(jìn)行區(qū)分即可；表面缺陷、集群缺陷使用較嚴(yán)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而內(nèi)部缺陷、孤立缺陷可適當(dāng)放寬。

2) 考慮到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在使用時(shí)的一致性，焊縫無(wú)損檢測(cè)的驗(yàn)收準(zhǔn)則也應(yīng)與所使用的焊縫評(píng)價(jià)方法保持一致，因此制定驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)首先明確所使用的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3) 嘗試使用斷裂力學(xué)等手段指導(dǎo)焊接接頭制造環(huán)節(jié)的無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制訂。結(jié)合焊接結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境和荷載特點(diǎn)，將體積型缺陷保守地視作平面裂紋開(kāi)展計(jì)算，得出體積型缺陷較保守的臨界尺寸。

4) 針對(duì)奧氏體鋼等斷裂韌性較好的材料，可主要依據(jù)強(qiáng)度理論對(duì)體積缺陷的閾值開(kāi)展研究。依據(jù)疲勞和蠕變實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果構(gòu)建含缺陷焊接接頭的疲勞-蠕變損傷模型，得到焊接接頭缺陷特征與使用壽命之間的關(guān)系，結(jié)合設(shè)備是否可以更換、是否容易在役監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)確定包含不同裕度的驗(yàn)收限值。