隗祖民

摘 要：核電站核島主系統(tǒng)中燃料控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)CRDM在核反應(yīng)堆中起著重要性作用， 從而控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Ω密封環(huán)的焊接在保證安全運(yùn)行上具有重要意義。該文作者通過自身積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在分析了Ω密封環(huán)所用金屬材料的物理化學(xué)性能及焊接性的基礎(chǔ)上，以及焊接難點(diǎn)及加入Y型環(huán)焊接后，充分肯定了采用Y型環(huán)充當(dāng)填充材料的在焊接上的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)重點(diǎn)對(duì)CPR1000機(jī)組CRDMΩ密封環(huán)的焊接介紹了成熟的自動(dòng)焊焊接工藝實(shí)施，工藝參數(shù)、焊接流程等內(nèi)容，為以后為核電站建設(shè)及該重要焊縫的設(shè)計(jì)和工藝評(píng)定及機(jī)具的改進(jìn)提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞：CRDM Ω密封環(huán) Y型環(huán) 焊接 自動(dòng)焊 焊接工藝

中圖分類號(hào)：TL351.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0100-02

核電站核島控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（control rod drive mechanism，簡(jiǎn)稱CRDM）是一種快速控制反應(yīng)性的工具，用于在正常運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，在事故工況下快速引入負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆緊急停堆，保證核安全。控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由星形架和吸收劑棒組成。星形架用不銹鋼制成，它的中央是一個(gè)連接柄，其內(nèi)部通過絲扣與控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿上的可拆接頭相連接。連接柄下端裝有彈簧組件，當(dāng)控制棒快速下落時(shí)，彈簧可起緩沖作用，減少控制棒組件對(duì)燃料組件的撞擊。

CRDM是壓水堆核安全Ⅰ級(jí)、質(zhì)保Ⅰ級(jí)、抗震Ⅰ級(jí)的重要部件。CPR1000型機(jī)組CRDM共61套，熱電偶4套。材質(zhì)為控氮奧氏體不銹鋼Z2CN19.10N，規(guī)格為φ163.620-0.1×1.9±0.13 （mm）。CRDM的安裝過程中，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼和壓力容器頂蓋接管座間采用Y型密封環(huán)密封即Ω密封環(huán)，對(duì)Ω密封環(huán)進(jìn)行的焊接是關(guān)鍵部分。

CRDM耐壓殼與壓力容器頂蓋接管座間的Y型密封環(huán)，相當(dāng)于焊接材料，材質(zhì)為308L，焊接采用全自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊進(jìn)行。焊接接頭屬于密封焊接，焊接時(shí)不需要填充焊接材料，是一種自動(dòng)密封焊接技術(shù)，用焊機(jī)的脈沖電流將Y型環(huán)熔化并使之熔合形成焊縫。

1 Z2CN19.10N材料物理化學(xué)性能分析

控氮不銹鋼Z2CN19.10N是隨著核電發(fā)展新研制的鋼種，是為解決304不銹鋼在沸水核反應(yīng)堆運(yùn)行中出現(xiàn)晶間腐蝕破裂事故，也能為核反應(yīng)堆提供更好的材料，提高反應(yīng)堆安全運(yùn)行的可靠性?？氐讳P鋼Z2CN19.10N其化學(xué)成分如表1。

控氮不銹鋼Z2CN19.10N并含有一定量的氮元素，屬于超低碳奧氏體不銹鋼，其含碳量非常低，因此具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕能力，但另一方面也制約著材料的強(qiáng)度，而由于氮元素的固溶強(qiáng)化作用，向其中添加一定的氮元素，可以提高它的強(qiáng)度。因此控氮不銹鋼Z2CN19.10N被廣泛應(yīng)用于重要設(shè)備中，如核電站堆內(nèi)構(gòu)件、主管道等，因?yàn)樗染哂休^好的抗晶間腐蝕能力，同時(shí)強(qiáng)度也較高。

2 Z2CN19.10N焊接性分析

2.1 Z2CN19.10N焊接特點(diǎn)

控氮不銹鋼Z2CN19.10N屬于奧氏體不銹鋼，具有它的焊接特點(diǎn)。奧氏體不銹鋼在高溫和室溫下均為奧氏體組織，無固態(tài)相變，對(duì)氫也不敏感，無淬硬傾向，焊接接頭綜合力學(xué)性能良好，與其他類型不銹鋼相比具有良好的焊接性 但當(dāng)選用的焊接工藝參數(shù)不合理時(shí)，會(huì)σ相脆化，產(chǎn)生熱裂紋，晶間腐蝕等缺陷[3]。

2.1.1 熱裂紋

由于奧氏體焊縫組織為方向性很強(qiáng)的柱狀晶，有利于偏析有害雜質(zhì)，當(dāng)焊縫中含較高有害雜質(zhì)時(shí)，奧氏體柱狀晶之間就易形成低熔點(diǎn)共晶。此外，奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)比碳鋼高約50%，熱導(dǎo)率僅為碳鋼的1/3。高線膨脹系數(shù)、低熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，決定了在凝固過程中奧氏體不銹鋼焊縫產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力較大。因此，在低熔點(diǎn)共晶和較大的收縮拉應(yīng)力的共同作用下，晶界被低熔點(diǎn)共晶分割，被拉開形成焊接熱裂紋。

2.1.2 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼在450～850℃的敏化溫度區(qū)間停留一定時(shí)間后，過飽和的碳向奧氏體晶界擴(kuò)散，并與晶界的鉻化合形成碳化鉻（Cr23C6）。由于鉻在奧氏體中擴(kuò)散速度小于碳的擴(kuò)散速度，使晶界的鉻得不到及時(shí)補(bǔ)充，造成奧氏體晶界貧鉻。當(dāng)晶界的含Cr量低于12%時(shí)，就失去了抗腐蝕能力，在腐蝕介質(zhì)作用下，即產(chǎn)生晶間腐蝕。在應(yīng)力作用下，受到晶間腐蝕的不銹鋼，即會(huì)沿晶界斷裂，幾乎完全喪失強(qiáng)度。

2.1.3 σ相脆化

奧氏體不銹鋼焊縫如果在650～650℃溫度區(qū)間停留時(shí)間過長(zhǎng)，有可能析出一種脆硬的金屬間化合物δ相，主要存在于柱狀晶的晶界。當(dāng)焊縫中鐵素體含量超過12%時(shí)，δ向σ的轉(zhuǎn)變非常顯著，造成焊縫金屬的明顯脆化，從而降低焊縫的塑性、韌性和抗晶間腐蝕性能。

2.2 防止缺陷產(chǎn)生的措施

（1）選用優(yōu)質(zhì)的母材和焊材，嚴(yán)格控制S、P等易形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)含量，從而降低熱裂紋傾向。

（2）鐵素體對(duì)S、P等元素溶解度較大，能防止這些元素低熔點(diǎn)共晶的形成和偏析，從而阻止產(chǎn)生熱裂紋。另外，鐵素體可以有效切斷奧氏體的柱狀晶，細(xì)化晶粒，隔斷奧氏體晶界連續(xù)網(wǎng)狀碳化鉻（Cr23C6）析出，從而防止晶間腐蝕。因此選用Mo、Cr、Si等含適量鐵素體促進(jìn)元素的焊材，使焊縫產(chǎn)生鐵素體+奧氏體雙相組織，含量占4%～12%的鐵素體能有效防止晶間腐蝕傾向和熱裂紋。

（3）選用含碳量低的焊材，降低焊縫中碳與鉻形成Cr23C6碳化鉻的機(jī)率，從而使晶間腐蝕傾向降低。

（4）采用小電流、小焊接熱輸入、快速焊，使焊接區(qū)的冷卻速度加快，使焊接接頭在高溫區(qū)停留的時(shí)間縮短，避免長(zhǎng)時(shí)間停留在450～850℃區(qū)間及此區(qū)間溫度的焊后熱處理，可以使σ相脆化傾向和晶間腐蝕有效降低[3]。

2.3 填充Y型密封環(huán)的材質(zhì)分析

Y型密封環(huán)相當(dāng)于CRDM耐壓殼與壓力容器頂蓋接管座間的焊接材料，其材料為ER-308L，其化學(xué)成分如表2所示。

根據(jù)控氮不銹鋼Z2CN19.10N焊接性分析，ER-308L材質(zhì)的Y型環(huán)能有效降低熱裂紋傾向和晶間腐蝕。

3 焊接工藝實(shí)施

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）Ω環(huán)焊接的主要流程為：CRDM耐壓殼及填充Y型環(huán)進(jìn)行檢查→焊接前Y型環(huán)點(diǎn)焊→焊前裝配檢查→焊接試件→在接管座上焊接CRDM耐壓殼→質(zhì)量檢查（驗(yàn)）。Ω環(huán)焊接采用的是全自動(dòng)焊接，在整個(gè)過程中，在焊接前的工序是至關(guān)重要的，包括CRDM耐壓殼及填充Y型環(huán)進(jìn)行檢查、焊接前Y型環(huán)點(diǎn)焊、焊前裝配檢查、焊接試件。

3.1 焊接前Y型環(huán)點(diǎn)焊

Y型密封環(huán)點(diǎn)焊，采用DC/直流手工鎢極氬弧焊接方法點(diǎn)焊，無需填充材料，采用熔焊方法，將Y型密封環(huán)緊密固定在CRDM耐壓殼側(cè)，其焊接參數(shù)如表3。

3.2 鎢極的加工和選擇

使用含釷2%的釷/鎢電極，它們一端被加工成30°錐形圓柱，規(guī)格為直徑2±0.05 mm，長(zhǎng)度在48～58 mm之間，端面直徑在0.3 mm到0.5 mm之間。尖端的表面粗糙度應(yīng)為Ra≤1.6，如圖1所示鎢電極錐形示意圖。

3.3 鎢極的設(shè)置尺寸

所用的鎢極經(jīng)過嚴(yán)格的標(biāo)定和編號(hào)，每條焊縫都必須使用新的鎢極，在焊接前機(jī)頭需繞行一周，鎢極錐面的上下擺動(dòng)不得超過0.3 mm。鎢極的位置及高度，如圖2所示鎢極與Y形密封環(huán)位置示意圖。

3.4 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)見表4、表5所示。

4 結(jié)語

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω焊縫是形狀特異的密封焊縫，是為減少焊接變形而設(shè)置的，Ω環(huán)焊縫選在垂直固定位置（2GT），在焊接時(shí)該位置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的徑向變形量為零，因焊接應(yīng)力均勻分布在耐壓殼組件上軸向變形量也微乎其微。采用全自動(dòng)鎢極氬弧焊，不僅焊接工作強(qiáng)度降低，而且焊接質(zhì)量容易控制。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω 環(huán)的焊接工藝已在多個(gè)核電工程成功應(yīng)用，且已逐漸趨于成熟，達(dá)到了當(dāng)前世界同類焊縫安裝焊接技術(shù)的先進(jìn)水平，為核電站建設(shè)、工藝評(píng)定機(jī)具的改進(jìn)和該重要焊縫的設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 陳磊.核電站控氮不銹鋼Z2CN19-10焊接技術(shù)[J].電站輔機(jī)，2012（9）：40-43.