馬占營+張俊麗+王楚涵

摘 要：核電工程項(xiàng)目中貫穿件的密封性優(yōu)劣是影響項(xiàng)目安全性和可靠性的關(guān)鍵因素，隨著能源資源危機(jī)和溫室效應(yīng)的不斷加重，核電站工程越來越受到各個(gè)國家的重視，核電站作為能夠清潔生產(chǎn)電力的重要手段，在保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源中具有明顯的優(yōu)勢。但是，核電工程也給人們帶來極大的安全威脅，即核泄漏問題，貫穿件密封技術(shù)與核泄漏密切相關(guān)，保證貫穿件密封技術(shù)的質(zhì)量是確保核電工程安全運(yùn)行的前提。

關(guān)鍵詞：核電工程；貫穿件；密封技術(shù)

中圖分類號：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

日本福島核電站泄露事件給世界各國核工業(yè)敲響了警鐘，由核泄漏導(dǎo)致的生化危機(jī)給環(huán)境帶來了不可逆的嚴(yán)重破壞，目前日本福島核電站造成的危機(jī)依然在持續(xù)，據(jù)調(diào)查顯示，核電站附近大量物種體內(nèi)仍具有較高含量的放射性物質(zhì)，國內(nèi)大量物種出現(xiàn)畸形，因此，保證核電工程的安全性，確保貫穿件密封性達(dá)到要求是至關(guān)重要的。

1 核電站貫穿件密封技術(shù)現(xiàn)狀

據(jù)研究表明，目前絕大多數(shù)核電工程貫穿件采用有機(jī)材料旋鍛密封方法。有機(jī)材料往往玻璃化溫度比較低，容易在高溫下軟化，當(dāng)長期處于高輻射狀態(tài)和高溫環(huán)境中時(shí)，有機(jī)材料的機(jī)械性能和使用性能會發(fā)生明顯下降，嚴(yán)重影響其使用的可靠度。在本文中，我們可以將金屬和陶瓷釬焊，從而用無機(jī)手段密封貫穿件，以滿足在嚴(yán)苛使用環(huán)境中的需求。但從材料本身出發(fā)，陶瓷潤濕性不好，金屬與陶瓷間存在較大的物化性質(zhì)差異，導(dǎo)致釬焊界面會殘留比較大的剩余應(yīng)力，影響焊接處的穩(wěn)定性。為了解決這一問題，有兩種方法可供選擇，其中一種是在陶瓷中添加活性元素，另一種是對陶瓷進(jìn)行金屬化的處理工作之后再進(jìn)行連接。這兩種方法均能有效解決陶瓷潤濕性差的問題，且操作相對比較簡單，在實(shí)際工程領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。

在釬焊過程中，因?yàn)榛钚遭F料很容易在空氣中氧化而生成比較脆的金屬間化合物，而且生產(chǎn)成本也相對比較高，因此我們在下文中主要討論如何通過設(shè)計(jì)釬焊工藝和合理構(gòu)造，以減少剩余應(yīng)力的產(chǎn)生，盡可能地使焊接缺陷少，密封性良好，并節(jié)約成本，提高核電工程的經(jīng)濟(jì)效益。

3 實(shí)踐部分

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

釬焊選擇的母材為無氧銅、4J33可伐合金、95%三氧化二鋁陶瓷，在陶瓷表面首先用鉬-錳法進(jìn)行金屬化處理，并用電鍍的方法在表面覆蓋5μm左右厚度的鎳，以提高陶瓷釬料之前的潤濕性。

將可伐環(huán)釬焊在陶瓷外表面，無氧銅棒釬焊在陶瓷內(nèi)表面，并在無氧銅棒和內(nèi)表面間通過無氧的銅環(huán)過渡以減少焊接過程中產(chǎn)生的大量剩余應(yīng)力，降低應(yīng)力造成的機(jī)械損傷，銅環(huán)大多0.6mm厚。釬料選擇銀-銅28共晶組分，并分別在500℃和700℃保溫一個(gè)小時(shí)，防止釬焊過程中因?yàn)闇囟燃眲∩叨斐纱罅渴Ｓ鄳?yīng)力的產(chǎn)生。一般以850℃作為釬焊的平均溫度，焊接時(shí)間不能過長，要控制在5min左右，也不能過短防止釬料未能完全反應(yīng)。在釬焊工作結(jié)束之后，用質(zhì)譜檢漏儀檢查貫穿件密封性是否合格，并用金相檢測手段制備相應(yīng)部位的金相樣品，通過掃描電鏡和能譜儀進(jìn)行分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.2.1 氣密性

此次試驗(yàn)中，利用金屬與陶瓷釬焊來完成貫穿件之間的無機(jī)密封，通過氣密性檢測實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，泄漏率滿足實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)，說明實(shí)驗(yàn)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3.2.2 釬焊接頭組織

通過金相圖像可以發(fā)現(xiàn)，銅和釬料在焊接的過程中實(shí)現(xiàn)了完全的擴(kuò)散，接頭部位沒有明顯的缺陷且界面具有波浪形的特征。從掃描電鏡圖中觀察微觀圖像可以發(fā)現(xiàn)，在接頭中間位置處有灰色相和白色相的雜亂分布，在兩相周圍出現(xiàn)共晶組織，其中共晶組織中銅和銀的含量要高于共晶釬料，約是其二倍。在焊接過程中，如果溫度超過兩種金屬的共晶溫度會出現(xiàn)釬料融化，銅元素發(fā)生溶解，并向釬料中擴(kuò)散，造成釬料中銅元素含量的上升。

無氧銅環(huán)和釬料截面沒有明顯的缺陷并呈波浪形，當(dāng)加熱溫度達(dá)到共晶點(diǎn)時(shí)，無氧銅環(huán)中的銅元素會發(fā)生溶解擴(kuò)散，從而造成在銅環(huán)位置的附近液態(tài)釬料中銅元素含量明顯上升。通過研究發(fā)現(xiàn)，利用銅銀28共晶釬料焊接母材和無氧銅時(shí)，鎳元素會沿著銅晶界不斷向內(nèi)擴(kuò)散，而造成接頭塑性和強(qiáng)度的嚴(yán)重降低。從本次試驗(yàn)來看，由于避免了鎳元素的擴(kuò)散，從而有效降低了鎳元素沿著晶界擴(kuò)散造成的影響。

從金相圖中我們可以看出，可伐合金界面、陶瓷鍍鎳層以及釬料之間形成了灰色的中間層，接頭中沒有明顯的焊接缺陷。中間層中一部分是銅基的固溶體，含有較多的銀元素，銀元素附近具有比較多的共晶組織。從能譜分析中來看，中間層還具有較多的鎳元素和銅元素，在釬焊的過程中，鎳元素會沿著釬料發(fā)生較大的擴(kuò)散，形成鎳-銅固溶體。

陶瓷鍍鎳截面與釬料中間層為銅-鎳固溶體，同時(shí)具有少量的錳、鉬、氧以及銀等元素，固溶體的厚度在7μm左右，并隨著離界面距離不斷增加，鎳元素含量不但減少。

在焊接的過程中，陶瓷金屬化層中的氧、錳以及鉬等元素也能夠進(jìn)行充分的擴(kuò)散，并擴(kuò)散至中間層的較深部位。

3.3 結(jié)論

首先利用對陶瓷材料表面的金屬化處理，然后使用普通釬料進(jìn)行焊接，可以有效降低生產(chǎn)的成本，實(shí)現(xiàn)金屬與陶瓷的無縫釬焊，不僅能夠滿足核電工程貫穿件的使用氣密性要求，而且還大大提高了生產(chǎn)效率，滿足了接頭的使用要求。

將無氧銅作為無氧銅棒和陶瓷釬焊時(shí)的過渡層，可以有效減少在釬焊過程中產(chǎn)生的較大剩余應(yīng)力，從而有效避免裂縫和氣泡的產(chǎn)生，提高焊接部位的強(qiáng)度和韌性。

無氧銅環(huán)和無氧銅棒釬焊接頭部位主要為白色的銀基固溶體、灰色的銅基固溶體以及銅-銀共晶組織。陶瓷與可伐合金、陶瓷與無氧銅環(huán)釬焊接頭主要為銅基固溶體、銀-銅共晶組織、鎳-銅固溶體。

4 玻璃-金屬貫穿件使用現(xiàn)狀

玻璃-金屬貫穿件使用至今已有60多年的歷史，核泄漏事故的頻發(fā)使得人們認(rèn)識到聚合物密封的不足，并在無機(jī)材料方面給予了極大的關(guān)注，其中肖特發(fā)明了玻璃-金屬貫穿件在世界上引起了極大的轟動。與傳統(tǒng)的高分子材料密封件相比，無機(jī)材料-金屬密封技術(shù)具有更高的安全性和可靠性，能夠保證電氣貫穿件的完整性和密封性，而且無機(jī)材料的使用壽命更長，在耐老化方面的優(yōu)勢要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)材料，還具有良好的抗輻射和隔熱性能。肖特與西屋電氣公司在關(guān)于電氣貫穿件抗震的質(zhì)量鑒定進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)探究中可以得到，經(jīng)玻璃-金屬密封技術(shù)處理的貫穿件能夠抵抗里氏12級地震，即即使有特大地震發(fā)生，核電站依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行，避免核泄漏的發(fā)生。與此同時(shí)，肖特貫穿件的價(jià)格較低，且終生免維護(hù)，從而極大地降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，而且因?yàn)闊o機(jī)材料具有較強(qiáng)的耐腐蝕和抗老化性能，能夠長時(shí)間地在高溫高壓環(huán)境中使用，具有很好的環(huán)保價(jià)值。

結(jié)語

綜上所述，優(yōu)異的貫穿件密封技術(shù)對于核電工程的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，只有保證貫穿件密封性的質(zhì)量，才能避免因?yàn)楦鞣N事故而引發(fā)的核泄漏問題，從而保證綠色核資源的使用。在本文中，我們就當(dāng)今大熱的無機(jī)材料-金屬釬焊密封技術(shù)進(jìn)行分析，指出了密封過程中的要點(diǎn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)核電工程領(lǐng)域工作提供一定的參考。

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