隨著(zhù)我國核電工業(yè)的飛速發(fā)展，如何延長(cháng)已建和在建核電站無(wú)故障工作年限，特別是防止核島內各部件受各類(lèi)腐蝕損傷的課題已引起當前核電建設工作者們的高度重視。

   圖一：為保證核電站安全運行的外層保護墻

       以下是各主要核電國家現有機組及其安全運行壽命的一個(gè)簡(jiǎn)單的比較：

                           表一     注：這是2000年的統計數字

我國計劃到2020年底核電站總數將超過(guò)40座，裝機容量將達到創(chuàng )紀錄的40,000兆瓦。因此保證這些核電站的安全長(cháng)壽運行已成為我國核電工作者所面臨的嚴峻挑戰。

核電安全長(cháng)壽以及日常老化管理的課題相當復雜；例如各種材料的疲勞和老化，中子輻射所引起材料的脆化，高溫及核輻射對絕緣及屏蔽材料造成的損 傷，核電站啟動(dòng)和停堆瞬間由于溫度壓力的急劇變化對材料所造成的損傷等，其中又以殼體材料，特別是各種焊層或焊縫受到各類(lèi)腐蝕所產(chǎn)生的故障占較高的比例。 因此本文試圖從防止材料及焊道腐蝕的角度來(lái)探討這個(gè)題目。

從核電站所發(fā)生這類(lèi)事故的性質(zhì)來(lái)看，主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）        在受輻射純水的長(cháng)期腐蝕作用下，蒸氣發(fā)生器傳熱管及管板焊接根部產(chǎn)生晶間應力腐蝕裂紋。（美國、日本、法國均有報道）。

（2）        反應堆壓力容器頂蓋上控制鎘棒進(jìn)給的管座（CRDM）曾發(fā)現應力腐蝕裂紋(美國、法國有報道)。此外，上述控制鎘棒中心位置的銷(xiāo)釘曾發(fā)現晶間應力腐蝕裂紋（美國西屋公司報道）

（3）        90年代美國海軍研究人員發(fā)現在蒸氣發(fā)生器管板焊接中，存在再熱條件下晶間塑性下跌裂紋。（美國海軍報道）

由于種種原因，有關(guān)核電廠(chǎng)內部故障的公開(kāi)報道并不多見(jiàn)，事實(shí)在上述故障公開(kāi)報道后，對這些故障都進(jìn)行了緊急維修。同時(shí)為了從根本上杜絕這類(lèi)故障 的再次發(fā)生，一些核電材料的供應商在有關(guān)材料改進(jìn)和新材料的研制和開(kāi)發(fā)上都投入了大量的人力和物力。其中以提供防腐高鎳合金材料的SMC公司 （Special Metal Coperation）協(xié)同西屋公司和愛(ài)迪生焊接實(shí)驗室為從根本上解決這些課題做出了不少重要的貢獻。核電行業(yè)在使用了SMC公司及其他公司在各個(gè)時(shí)期所 提供的各種高鎳合金核電專(zhuān)用材料及相關(guān)焊接材料后，上述各種由于晶間應力腐蝕而產(chǎn)生的故障已得了到有效的控制，從而提高了核電站工作的安全系數和使用壽 命。以下對這些難題的解決分述如下：

（一）如何解決蒸氣發(fā)生器中輻射環(huán)境下的純水腐蝕以及引起相關(guān)部件解決應力腐蝕裂紋的難題：

蒸氣發(fā)生器是核電站的關(guān)鍵設備，它是一個(gè)包括上千支U型管的熱交換器，而所有這些U型管的終端將全部倒插在單面敷有多層高鎳合金堆焊的大型管板 上，該管板的直徑通常要超過(guò)5米，厚度達數百毫米。所有這些U型管需經(jīng)深孔鉆穿過(guò)管極，并且每一個(gè)U型管的末端需要和帶堆焊層的管板致密地焊接在一起。這 些焊縫要求長(cháng)年在純水的腐蝕環(huán)境下生存。

                                圖 二 核電站的主要組成：核反應堆和蒸氣發(fā)生器

上世紀60年代，法國Coriou等人發(fā)表了一般鎳基合金在高溫純水、及高應力環(huán)境下會(huì )產(chǎn)生晶間應力腐蝕裂紋（IGSCC）的理論。之后，在壓 水反應堆的一次冷卻的循環(huán)系統中，在當時(shí)普遍采用的防腐鎳基合金，如INCONEL600合金、X－750合金、INCONEL 718合金以及和這些母材配套的INCONEL 82焊絲/焊帶及INCONEL 182焊條所制作的焊道中均發(fā)生了不少I(mǎi)GSCC的損傷事例。下表中所示的是INCONEL600合金和INCONEL82焊絲和INCONEL182焊 條的化學(xué)成分表。

                                                               表 二

SMC的科研人員經(jīng)過(guò)多年的研究及跟蹤考察，終于在80年代初期發(fā)現這類(lèi)ISGCC裂紋和鉻元素在INCONEL 600合金中所含的比例有直接關(guān)系。由此SMC的研究人員設法將INCONEL 600合金中所含14.0％－17.0%的鉻含量提到接近30％，并在80年代中期推出含有30％鉻的INCONEL 690 合金。隨后SMC公司下屬的焊接產(chǎn)品公司也在90年代開(kāi)始推廣INCONEL 52 填充金屬（含鉻量28－31.5%）和INCONEL 152焊條（含鉻量28％－31.5％）。這二種焊材和INCONEL690合金配合使用在核電工程上以后，上述ISGCC裂紋得到了有效的控制。下表所 示的是INCONEL 690，INCONEL 52和INCONEL 152的化學(xué)成分。

                             表     三

（二）在壓力殼頂部可能產(chǎn)生的腐蝕裂紋：

       為控制核反應連鎖反應的速度，需要將控制鎘棒伸進(jìn)核燃料反應區吸收增殖中子以減低反應速度或抽起鎘棒讓核燃料反應區內的連鎖的反應加快。所以在反應堆的殼 頂需要設置一定數量的貫穿件：包括鎘棒進(jìn)給機構（CRDM）及固定這一進(jìn)給機構的基座（如下圖所示）。在80年代以前，為了為防止產(chǎn)生腐蝕裂紋，這一部分 的基座及相關(guān)部件，特別是用于上述用于控制鎘棒中心位置的定位銷(xiāo)釘，都采用INCONEL600，或x－750合金來(lái)制造。結果仍然檢測到晶間應力腐蝕裂 紋。近年來(lái)不少工程開(kāi)始改變規范，用INCONEL690，及與其相配合的INCONEL52/INCONEL152焊材來(lái)替代傳統的 INCONEL600合金以及與之相配合的INCONEL82/182焊材來(lái)制作殼頂貫穿件及其基座和殼頂間

                                   圖三 反應堆壓力殼頂部貫穿件的示意圖

的環(huán)焊縫。從此,上述被腐蝕的情形得到了有效的控制。

INCONEL 690合金，以及INCONEL52 （或稱(chēng)為ERNiCrFe－7）和INCONEL 152（或稱(chēng)為ENiCrFe-7）的出現，使它們在近20年的核電站建設中扮演了十分重要的角色。目前這些材料在一些拘束度不大的焊接環(huán)境下仍是十分理 想的首選材料。INCONEL 52焊絲和焊條特別適合大面積的自動(dòng)埋弧或電焊堆焊。而INCONEL 152焊條則十分適用于在核島內外，對一些管道或部件進(jìn)行修補。

（三）多層焊道中類(lèi)似熱裂紋的發(fā)現和解決：

    上世紀90年代，美國海軍的研究人員在一些高拘束度的多層焊道中發(fā)現一些類(lèi)似熱裂紋的開(kāi)裂。進(jìn)一步的研究發(fā)現這些所謂的“熱裂紋”沒(méi)有出現在液相區或凝固 區，這表明這些裂紋不是真正的熱裂紋。其次，發(fā)現容易產(chǎn)生這類(lèi)裂紋的溫度范圍是760°－1038°C 。這表明這類(lèi)裂紋也不是冷裂紋。而這類(lèi)裂紋經(jīng)常發(fā)生在某些管道或蒸發(fā)器的管板交界的位置。這些位置我們通常稱(chēng)之為”焊根”。此外這一類(lèi)裂紋也常常焊層的再 熱影響區內被發(fā)現。因此這些裂紋被稱(chēng)為“焊根裂紋”或“再熱裂紋”。

    為了解決這一類(lèi)在技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中出現的新問(wèn)題，SMC公司的專(zhuān)家會(huì )同相關(guān)公司專(zhuān)家先設法了解這一種裂紋產(chǎn)生的機理，并隨即開(kāi)始研發(fā)可以防止這一類(lèi)裂紋的新材料及新焊材。

    進(jìn)一步的研究發(fā)現這類(lèi)裂的產(chǎn)生和材料的晶體內部的塑性隨溫度發(fā)生的變化有關(guān)。最后科學(xué)家們確認：在大拘束度和多道焊接的條件下，由于在上面焊層的溫度變化 （如新敷設的焊層中所攜帶的高溫對下層已逐漸冷卻焊層所產(chǎn)生的再熱現象），可以使下焊層中的某些部位產(chǎn)生超出材料最大屈服強度的臨界值。即在溫度回升時(shí)， 晶界的塑性會(huì )產(chǎn)生下跌。正是由于這一種塑性的下跌就引發(fā)了這種所謂的“再熱開(kāi)裂”（DDC）。在以下的Gleeble曲線(xiàn)（晶界塑性隨溫度變化的曲線(xiàn)）上 可以發(fā)現在760°－1204°C的范圍內二者變化有一種成反比例的關(guān)系。

                                     表 四 晶間塑性變化隨溫度變化曲線(xiàn)

    經(jīng)過(guò)這一系列材料性能的研究后，SMC公司決定為此開(kāi)發(fā)一種全新的母材和焊材，使它們在上述再熱的情況下晶界塑性變化仍能和溫度變化保持正比關(guān)系。這一種新材料的性能指標是：

•        適當降低Al,Ti的含量，以保證表面抗氧化的能力。

• 加入適量的Nb,Mn以繼續保持原有材料優(yōu)異的抵抗熱裂紋的能力。

• 增加防止焊根開(kāi)裂的能力。

• 加入適量的Zr和B以提抗DDC的能力。

這樣，一種全新的專(zhuān)用焊材INCONEL 52M焊絲和INCONEL 152M焊條就誕生了。從以下的這張照片中可以看到使用這種新焊材所帶來(lái)的一種革命性的效果。

                                  
圖 四 用INCONEL 52M堆滲漏管道進(jìn)行緊急修補

由圖四所見(jiàn)是用INCONEL 52M焊絲來(lái)緊急修補一條有滲漏的管道。維修工程師可以在該管道上不進(jìn)行任何表面處理而直接連續地進(jìn)行三層全自動(dòng)Tig焊。我們可以發(fā)現每一個(gè)焊層的表面 基本上沒(méi)有氧化，效果類(lèi)似不銹鋼焊。并且在焊后所做的各項力學(xué)試驗，特別包括在焊根位置所進(jìn)行各種彎曲試驗都取得了良好的結果。

    迄今為止的實(shí)驗及實(shí)際使用過(guò)程中，INCONEL 52M和INCONEL 152M所制作的焊道中沒(méi)有產(chǎn)生熱裂紋，或再熱裂紋。

    INCONEL 690及其配套的INCONEL 52M 和INCONEL 152M已成為迄今為止最佳的核電防腐焊材，以下是INCONEL 52M的化學(xué)成分。

                                       表五

目前，INCONEL 52M和152M已開(kāi)始在實(shí)際施工中得以應用。特別是使用INCONEL 52M制作的大面積堆焊層（埋弧堆焊或電渣堆焊）已獲得核電業(yè)界一致推崇。以下二張圖片是用電渣焊制作的多層堆焊，從圖片中可以清楚地看到焊層表面十分光 潔，基本沒(méi)有任何氧化的跡象。除了焊道表面的光潔和沒(méi)有氧化跡象外，INCONEL 52M和INCONEL 152M繼承了INCONEL 52/152優(yōu)良的抗熱裂紋能力。同時(shí)首次解決了再熱裂紋的難題（再熱塑性下跌裂紋或簡(jiǎn)稱(chēng)DDC）。除此之外INCONEL 52M/152M的各種力學(xué)性能以及金相檢測的結果都十分優(yōu)異，圖七及圖八為INCONEL 52M金相截面圖。

           

圖五 用INCONEL 52M制作的電渣堆                           圖六 INCONEL 52M電渣堆焊表面  焊試板

                                               

圖七，52M金相截面圖之一                                          圖八 52M金相截面圖之二

從以上三個(gè)實(shí)例的分析，使我們看到各種核電防腐新材料的出現都是為了針對核電站運營(yíng)中所產(chǎn)生的各種故障及其引發(fā)的材料損傷而研發(fā)出來(lái)的。 相信隨著(zhù)核電技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新問(wèn)題的出現必將繼續催生各種更新的材料以及防護措施，并促使核電作業(yè)的安全長(cháng)效的運營(yíng)達到一個(gè)更臻完美的境界。