核电的快速发展对解决全球能源危机、减少有害气体排放和应对气候变化的挑战做出积极的贡献。然而核电设备的安全是核电发展的生命线，大规模发展核电，需要全面加强核电设备的设计、制造、建设、运行等环节的安全管理和质量管理。

核电压力容器接管安全端异种金属焊接接头是一种特殊的焊接结构，属于安全重点关注部位。该接头制造难度大，涉及异种金属的焊接极易导致焊接缺陷，且复杂的焊接热循环可引起低韧性材料组织和较高的焊接残余应力会促使应力腐蚀裂纹(SCC)的扩展，最终导致一回路安全端的失效。因此在安全端结构的完整性评价和寿命预测中，需要准确计算SCC裂纹的扩展速率、扩展形态和寿命等。SCC裂纹的扩展速率和形态主要受裂纹前沿应力强度因子K的控制。影响应力强度因子的因素主要包括:安全端所受的载荷、残余应力、裂纹形态、安全端焊接结构的几何和材料等!2。因此，本文采用有限元准确计算了安全端焊接接头中裂纹前沿的应力强度因子K分布,以有效纳入结构几何、焊接残余应力和接头区复杂材料的影响，为AP1000核电设备未来服役运行中安全端焊接接头中裂纹扩展的准确分析、安全评价和寿命预测定基础。

有限元模型

安全端几何结构和材料

接管安全端异种钢焊接接头是一种特殊而且复杂的焊接结构，是核反应堆一回路压力边界，是安全重点关注部位。图 1（a）是反应堆压力容器及安全端模型，由接管嘴与安全端通过异种金属的焊接而构成,其左端与承压设备相连，右端与一回路主管道相连。因此，承压容器、接管安全端与一回路主管道共同构成一回路压力边界，其设计工作压力为 15.5MPa 左右, 温度为288-345℃。各部分材料如图 1（b）所示：包括管嘴（A-A508）；堆焊层（B-Alloy82）；焊缝（C-Alloy182）；管子（D-316L），括号中为各部分典型材料牌号。

(a)

（b）

图1 核反应压力容器及管道整体结构图(a)和各部分材料图(b)

2.2 有限元建模

四种材料的基本力学参数分别为：弹性模量E=180000MPa，泊松比λ=0.3。对于半椭圆形裂纹可以用两个参数表征周向裂纹尺寸：裂纹的相对深度a/t和缺陷的相对长度a/c，如图2所示。a为裂纹深度，c为裂纹半长, t为接管壁厚。裂纹穿透时a/t=1。

图3是安全端内表面周向未穿透半椭圆裂纹计算不同点K时的表征方法。其中a是裂纹深度，c是裂纹半长，d是半椭圆形内表面裂纹前沿夹角（从内表面点0度开始，到最深点90度方向结束）。夹角用弧度来进行表征，0°对应的弧度为0rad，90°对应的弧度为1.57rad，中间的值按比例变化。

图2 未穿透周向缺陷表征示意图

图3 安全端内表面周向未穿透裂纹的表征

用Abaqus有限元软件进行分析计算。由于结构对称性，选取安全端结构的一半建立三维有限元模型。设置核电一回路管道工作内压 15.5MPa；在安全端右侧与一回路管道连接处利用参考点耦合并施加弯矩（本文考虑弯矩为 2000kN.m）?？悸堑桨踩思肮茏映叽缃洗?，故加入了重力，方法是输入材料的密度属性与重力加速度后即获得相应的重力值。经过单位换算之后输入材料密度为：7.93×10-9 NS2/mm4；输入重力加速度为：9800 mm/S2。为了让计算更加接近实际情况，特别加入了如图 4 所示的焊接残余应力[7]，以裂纹面压力的形式添加在一侧裂纹面上，其拟合的方程为WRS=6.89*（41.87266 + 581.1749 * ((R -393.7) / 82.55) - 5827.78747 * ((R - 393.7) / 82.55) 2+ 13722.33495 * ((R - 393.7) / 82.55) 3- 12192.52341 * ((R - 393.7) / 82.55) 4+ 3705.31286 * ((R - 393.7) / 82.55) 5），此残余应力的分布是半径R的函数。模型选取的三维单元类型为C3D8R[8,9]，网格的单元数和节点总数随着模型中裂纹尺寸的变化而变化，一般含有76793-450046 个单元，80110-461403 个节点。网格划分如图 5 所示，图 6 为裂纹尖端网格形态。

图4 焊接残余应力分布

图5 整体网格划分

图6 裂纹前沿网格

计算结果及分析

根据断裂力学知识：应力强度因子K=σ(πa) 1/2，在Abaqus软件中可以定义使其直接输出应力强度因子K值。前面已经提到，半椭圆裂纹可以用相对裂纹深度a/t和相对裂纹长度a/c来进行表征。本文主要建立了弯矩为 2000 kN×m作用下 a/t=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 这九组模型，对应每一个裂纹相对深度又分别取a/c=0.2，0.4，0.6，0.8，1 这五个值。所以一共为 45 个有限元模型。对于同一载荷下任意深度和长度的裂纹前沿K分布可以通过线性插值的方法得到。

图 7 不同尺寸(a/t, a/c)裂纹在弯矩 M=2000kN.m 的 K 分布

从上面一系列裂纹前沿的应力强度因子 K 分布可以看到，并非是裂纹最深点的 K 值最大。应力强度因子 K 的分布受到了焊接残余应力的影响，当裂纹比较深的时候 K 分布和焊接残余应力的分布非常接近。

结论

裂纹前沿应力强度因子 K 值会直接影响 SCC 裂纹扩展的速率，两者存在一个函数的关系。本文用 Abaqus 软件计算出核电安全端三维周向裂纹前沿的 K 分布对研究核电设备未来服役运行中安全端焊接接头中裂纹扩展的准确分析、安全评价和寿命预测奠定了基础。

资料来源：达索官方