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减少管道 焊接区域应力 腐蚀开裂的内部机械应力改进方法

阅读：135发布：2020-05-13

专利汇可以提供减少管道焊接区域应力腐蚀开裂的内部机械应力改进方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于在核能装置管道的内部(润湿侧) 焊接区域缓解应力腐蚀开裂的方法，包括驱动径向可动工具以对焊接区域处或其附近的内部(即通常是湿的)表面上产生径向负载以形成残余应力状态。所述方法通过表面弯曲度的物理测量能够后流程验证。，下面是减少管道焊接区域应力腐蚀开裂的内部机械应力改进方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于在核能装置管道的内部焊接区域缓解应力腐蚀开裂的内部润湿侧机械方法，包括以下步骤：将工具插入管道内部，所述工具具有带径向可动部件的操作端；定位操作端在焊接区域附近；驱动操作端使径向可动部件移动以接触并在焊接区域附近的管道内部表面上产生径向负载；去除工具以当除去工具后在焊接区域形成较深的残余压缩应力状态。
2.如权利要求1所述的在内部焊接区域缓解应力腐蚀开裂的方法，其中所述驱动步骤包括向外沿径向机械移动多个楔形件。
3.如权利要求1所述的在内部焊接区域缓解应力腐蚀开裂的方法，其中所述驱动步骤包括提供流体到囊中以径向膨胀囊。
4.如权利要求1所述的在内部焊接区域缓解应力腐蚀开裂的方法，其中径向可动部件在焊接区域附近的一个或多个径向位置施加管道的径向向外位移，以形成期望大小、深度和取向的残余压缩应力场。
5.如权利要求1所述的在内部焊接区域缓解应力腐蚀开裂的方法，其中焊接区域在喷嘴、安全端或管道的内径上。

说明书全文

减少管道焊接区域应力 腐蚀开裂的内部机械应力改进方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于减少管道，特别是核能装置所用喷嘴、安全端(喷嘴延伸件)和管道焊接区域的应力腐蚀开裂的内部机械应力改进方法。

背景技术

[0002] 核反应堆电场部件应用中镍合金压力界面的应力腐蚀开裂和失效自二十世纪八十年代就已观察到。大部分失效在铬含量低于20％的锻造镍合金材料中被观察到，如高温(通常高于600°F)和高应力(通常大于80％的屈服强度)下，暴露在反应堆冷却剂环境的部件中使用的NiCrFe合金600。开裂也在使用镍基合金焊接材料如合金82和合金182的焊接领域被观察到，它们在核工业中广泛应用以接合不同的金属，例如不锈钢到低合金钢的反应堆电场喷嘴与管道的焊缝。

[0003] 由于焊缝开裂，核工业必须更频繁地进行服役(in-service)焊缝的检测。尚未减少这种焊接区域的核能装置必须每隔五年对反应堆容器喷嘴进行超声检查，这导致每次检查有非常高的费用。超声检查通常需要额外的中心筒体去除操作和三天的停运延期。除了检查的要求，未减少焊缝的电厂暴露于应力腐蚀开裂在焊接区域发生的危险中。

[0004] 为了减少潜在的开裂并获得少的检查频率，核能工业中需要经济上减少反应堆容器管道中的合金82/182焊缝。本文使用的“管道”是指在核能装置中所有的流体管道，包括但不限于管道、喷嘴和安全端部。

[0005] 通过在合金82/182焊缝区域的内部表面或润湿表面上形成较深的压缩应力场，可以减轻裂纹的萌生并且可以阻止先前存在的小裂纹生长。这可以通过在焊接区域的管道上施加精心设计的较大变形层(即超出屈服强度或大于0.2％的应变)达成。

[0006] 一些方法已经得到开发和应用，它们可以通过应用到管道外部(即干的)表面的技术来缓解内部焊缝表面的裂纹敏感性。然而，在核能装置管道中，接触外部表面并不总是可行的。这些例子包括但不限于：焊缝位置出现在通常由坚实厚度(通常5英尺)的钢筋混凝土形成的辐射屏蔽物内，或出现在外部进入通道由设备或高辐射量限制的区域中，或者是完全在反应堆容器(如仪表贯穿物)内的设计。

[0007] 在没有通道进入管道焊接区域外部(即干的)表面的厂区中，这些焊接区域的成本降低是特别具有挑战性的。在过去，合金82/182焊接区域从内部(即从湿润面)减少开裂的尝试包括进行内部焊缝铺设和内部表面喷丸。焊缝铺设过程是十分昂贵的且冒着显著的延误风险，即如果在接受最终的焊缝情况下仍然发生问题。内部表面喷丸方法，例如水射流喷丸、激光喷丸和激光震动喷丸，其缺点在于在喷丸表面仅仅形成较浅的压缩应力场(小于1mm或0.04英寸深)，不能由后流程的测量加以确认且不能阻止预先存在的比浅喷丸金属层更深的小裂纹。这些方法中没有一个目前在美国适用于减轻，也没有方法有确定的路径来缓解焊缝检测频率的需求。

发明内容

[0008] 本发明涉及用于减轻管道焊接区域中裂纹生长的内部方法和装置，其通过向管道焊接区域的内部(即湿的)表面直接施加较大径向力，从而在目标焊接区域上形成较深的残余压缩应力状态。这种内部机械应力改进方法，与现有技术的外部(即干面)机械方法相比，能够仅通过直接施加到管道的正常湿润表面(例如通过反应堆容器的内部进入)的力来减轻焊缝。

[0009] 根据本发明，管道焊接区域中的缺陷或裂纹生长可通过在焊接区域，例如核能装置喷嘴和管道中的合金82/182焊接区域的内部(即湿的)表面形成较深的压缩应力场来阻止。本发明的方法，通过使用位于焊接区域的工具操作端施加到管道润湿表面上的径向力产生较大的变形，在待减轻的焊接区域的润湿表面上形成压缩应力场。

[0010] 本发明的主要方面是通过向焊接区域的内部表面施加径向力从而在焊接区域形成较深的残余压缩应力来减少核能装置管道的焊缝区域开裂。各种工具和设备可通过机械、水力和/或气动装置用于形成较大的径向力，包括楔形、辊轮和气动设备。

[0011] 相对于现有技术，本发明的一些优点是应力缓解可通过在焊接区域管道内部施加径向力来实现，从而克服了外部不可进入的焊缝区域相关的问题。

[0012] 通过结合附图，本发明的其它方面和优点将通过优选实施方式的以下描述变得显而易见，其中每幅图中的类似部件通过相同的附图标记进行标示。

附图说明

[0013] 图1是具有外部阻塞的反应堆容器喷嘴的核能装置部分的分解图。

[0014] 其中：焊接区域10；屏蔽物12；加油腔密封板14；屏蔽插头16；绝缘体18；结构钢20；喷嘴22。

[0015] 图2是核能装置中通常使用的具有圆周焊接区域的管道分解轴向横截面图，焊接区域为原始结构状态。

[0016] 图3是图2所示的管道在本发明的焊接区域或目标区域经受径向力位移的分解轴向截面图。

[0017] 其中：部件26；

[0018] 图4是图3所示的管道在去除径向力后的分解轴向横截面图，显示了形成的压缩状态。

[0019] 图5和图6分别是在本发明的方法中使用的延伸工具操作端携带的水力/机械膨胀装置的分解正视图和侧视图。

[0020] 其中：楔形件28；轴30。

[0021] 图7是在本发明的方法中使用的延伸工具操作端携带的气动膨胀装置分解截面图。

[0022] 其中：轴34；操作端36；环形膨胀囊38；盘40。

具体实施方式

[0023] 内部施加应力的缓解装置优于外部施加装置有很多原因，例如不便进入、物理干扰或不实际的环境。一个例子是具有外部阻塞的反应堆容器喷嘴结构的核能装置，如图1所示，根据本发明待缓解的焊接区域10由混凝土屏蔽物包围，其中只标示了主要的屏蔽物12。将不得不除去来得到外部进入喷嘴焊接区域10的核能装置的其余部件，显示在加油腔密封板14、屏蔽插头16、绝缘体18和结构钢20处，所有这些都位于反应堆容器和反应堆容器壁附近。喷嘴22位于具有所示L型结构的不锈钢管道24长度的自由端。

[0024] 焊接区域如图2中所示，其中可以看出，焊接合金82/182位于不锈钢安全端和喷嘴铁素体钢之间。

[0025] 因此，参照图1，标有“目标区域”的焊接区域的位置可以看出不容易进入。如上所示的合金82/182的焊接区域，在需要缓解的润湿表面会发生裂纹生长。

[0026] 根据本发明，如图3所示，焊接区域10在管道的内部表面上直接施加较大的径向力，以在其内部直径上形成较深的残余压缩应力状态。如图3所示，径向力通过如成形模具的部件26施加，该力在管道中插入的延伸工具操作端获得，并导致内部表面位移超出塑性应变的限制。

[0027] 图4例示了目标焊接区域10在去除了图3所示的部件26后处于压缩应力状态的最终结构。如图4所示，焊接区域在经受了径向力/位移和可测量的残余塑性位移后具有较深的残余压缩应力状态，位移可经测量来校验有效的减轻。

[0028] 根据本发明，较大的径向负载通过径向可动部件26直接施加到管道(例如喷嘴或安全端)内部(润湿)表面的焊接区域，以在去除部件后于焊接区域的润湿表面上形成较深的残余压应力状态来减轻焊缝的应力腐蚀开裂。

[0029] 用于使润湿焊接区域塑性变形的部件26的形状和轴向位置对在润湿焊接表面形成最佳的残余应力场至关重要。对于管道与喷嘴的对接焊缝，当如图3所示形式的部件将沿圆周(圆环)方向提供足够的压缩残余应力时，部件的不同形状都可以用来沿轴向方向提供改善的应力。在J形槽焊缝的情况下，例如在压力容器竖管中所发现的，焊缝的润湿区域在容器和喷嘴竖管的外径之间形成圆角。在这种情况下，需要通过部件26加载的轴向位置与用于对接焊缝的不同。工程分析需要找到产生最完善的残余应力条件所需的最佳变形量。

[0030] 各种工具可用来在焊接区域围绕管道圆周施加足够的径向力，以使管道(例如喷嘴、安全端)的内部纤维塑性屈服。在释放应力后，压缩轴向和圆周残余应力场如图4所示在焊接区域的内部(即润的)表面上形成。压缩应力场通过管道/焊缝区域壁厚的深度可通过如图3所示的径向位移过程中产生的膨胀量来控制。

[0031] 本发明方法可用的一些工具/设备的例子显示在图5，图6和图7中。图5和6所示的工具通过楔形件28形状的径向可动部件使目标焊接区域膨胀，可动部件使用适当的结构借助机械动力或水动力径向向外驱动。如图5和6所示，楔形件28通过位于工具操作端32的轴30承载，以具有如图5和6中显示为位置1的回撤位置，以能在与目标焊接区域附近的管道内的插入和放置。一旦正确定位，工具的操作端被驱动使楔形件径向移动到如图5和图6所示的位置2，以便楔形件弯曲的外边缘形成如图3所示的部件26，其与内部表面接触产生指向焊接区域的径向力。该方法需要用不同角取向的楔形件施加一个以上的径向力膨胀，以当楔形件处于膨胀位置2时覆盖部件表面的间隙或者另外确保目标焊接区域圆周周围所需的膨胀覆盖范围。作为另一变型，楔形件可以依靠一组辊轮逐步推出，辊轮的轮廓与内壁接触会在每个膨胀支腿的端部产生如图3所示形式的部件26且轴30可被转动以使辊轮形成如图4所示的残余应力状态。

[0032] 本发明的用于焊接区域径向膨胀工具的另一个例子在图7中示出，其中轴34具有固定到盘40上的操作端36，承载着本质上是强化轮胎的环形膨胀囊38。为了通过管道/喷嘴内径窄的半径干扰提供进入能力，操作端可直径膨胀或收缩到如图7所示的径向位置，这并未示出。通过未示出的通道加压囊使囊的外部表面从位置1膨胀到位置2，以使囊的外表面形成如图3所示的部件26，从而在焊接区形成径向力以在焊接区域产生应力。一旦囊中的压力被释放，压缩残余应力场就在目标焊接区域的内部(润湿)表面产生。

[0033] 可以理解的是，图5、图6和图7所示的工具将被连接到长轴上，长轴在停机期间可降低进入反应堆容器中，以使操作端定位在焊缝区域附近。带有流体通道和控制系统的机械定位方法、水力和/或气动管线可通过轴获得。

[0034] 因为本发明经受许多细节上的变化，修改和改变，意图将以上讨论或在附图中示出的所有主题问题被解释为说明性的，而不是被视为具有有限的意义。

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