厲福海，周小兵，肖 鵬

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

1 引言

不銹鋼襯里被廣泛應(yīng)用于核電站高放射性水箱、核燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道、高放射性工具存放間等，例如反應(yīng)堆換料水池、反應(yīng)堆堆腔水池、乏燃料水池等，它是隔離和阻擋放射性物質(zhì)的第一道重要屏障。

硼酸作為核電站一回路的中子化學(xué)毒物冷卻劑，主要作用是補(bǔ)償控制棒對核反應(yīng)堆反應(yīng)性的控制。硼酸在一回路環(huán)境下對系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕危害很小，一旦硼酸發(fā)生泄漏，就會對鐵素體鋼部件產(chǎn)生硼酸腐蝕。

2 水箱結(jié)構(gòu)及泄漏危害

國內(nèi)某核電站水箱用于貯存溫度為75℃、質(zhì)量濃度為15 g/L的一回路含硼水，水箱尺寸為20 m×12 m×6 m，容積約為1 300 m3，要求機(jī)組正常運(yùn)行時儲水量不低于1 000 m3。水箱內(nèi)部是由厚度為3 mm，寬度為1 000 mm，長度為3 500 mm的A321奧氏體不銹鋼襯里拼接而成，水箱頂部開有2個1.0 m×1.0 m的人孔。

水箱是核電站一回路主要的輔助系統(tǒng)設(shè)備，貯存有低濃度硼酸溶液，用于參與一回路調(diào)硼。一旦水箱發(fā)生泄漏，放射性物質(zhì)就存在外泄的重大風(fēng)險，并且當(dāng)水箱發(fā)生泄漏后，其泄漏點(diǎn)的位置確定和修復(fù)都有較高的技術(shù)難度。

據(jù)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)幾乎每個核電廠在不同階段都發(fā)生過水池泄漏的問題，例如秦山一期、二期核電廠水池泄漏，嶺澳核電站1號機(jī)組乏燃料貯存水池在投入運(yùn)行前期出現(xiàn)泄漏；國外核電廠，比如美國的佐治亞電廠哈奇1號機(jī)組、巴基斯坦的恰?，敽穗姀S和日本某些電廠的不銹鋼鋼襯里均發(fā)生過泄漏的問題。

目前發(fā)現(xiàn)水箱不銹鋼襯里焊縫和母材表面有不同程度的腐蝕開裂，導(dǎo)致硼酸外漏。經(jīng)分析，硼酸水箱鋼襯里開裂機(jī)制為應(yīng)力腐蝕開裂。

3 水箱不銹鋼襯里焊接修復(fù)

現(xiàn)階段，可以采用的不銹鋼襯里修復(fù)技術(shù)有很多，但對于存在高放射性的核電站水箱泄漏采用何種修復(fù)方法，只能依據(jù)其泄漏的嚴(yán)重程度來判斷。本文采取隔離排空后對不銹鋼襯里進(jìn)行整體焊接修復(fù)。

3.1 不銹鋼母材和焊材選擇

由于不銹鋼水箱處于低濃度硼酸溶液中，并且常接觸含有大量氯離子的環(huán)境，這種環(huán)境對不銹鋼有極高的腐蝕性。因此，作為水箱襯里的板材必須具有耐腐蝕性且有抗氯離子腐蝕的能力。單相奧氏體不銹鋼對氯離子應(yīng)力腐蝕比較敏感，并不適用于水箱本體的海洋氣候環(huán)境。而采用鐵素體奧氏體雙相不銹鋼，使得材料兼?zhèn)淠臀g和結(jié)構(gòu)要求的性能，所以，選用S2205雙相不銹鋼作為焊接母材。

該基體組織含有Cr、Mo、N和Ni等元素，Cr和Mo元素有利于鐵素體的形成，Ni和N元素則是為了奧氏體相的析出。其中，Cr、Mo和N元素含量比較高，使得其抗腐蝕性能優(yōu)于304L和316L等普通不銹鋼。另外，該組織含有奧氏體和鐵素體，其優(yōu)良的韌性、焊接性、高強(qiáng)度和耐氯腐蝕性能高效地結(jié)合在一起。S2205雙相不銹鋼化學(xué)成分如表1所示。

表1 S2205雙相不銹鋼化學(xué)成分（%）

根據(jù)焊材應(yīng)與母材相匹配的原則，可以選用ER2209的焊絲與之搭配使用，其化學(xué)成分如表2所示。焊絲與母材的化學(xué)成分比較類似，但增加了Ni的含量，比母材高出2.8%.這樣做，就可以提高相變溫度，促使δ向γ的轉(zhuǎn)變，同時，也能起到抑制焊縫中鐵素體相過量增加的作用，保持相比例的平衡。但是，Ni含量的比例不宜過高，以免單一鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相凝固時發(fā)生元素偏析。

表2 ER2209焊絲及熔敷金屬化學(xué)成分（%）

3.2 焊接工藝評定

在不銹鋼襯里焊接修復(fù)前，必須對雙相不銹鋼焊接進(jìn)行工藝評定，獲得可靠和穩(wěn)定的焊接工藝參數(shù)范圍。焊接接頭外觀及其力學(xué)性能要符合ASME IX標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過試驗(yàn)得出其中的主要焊接參數(shù)，具體如表3所示。

表3 焊接參數(shù)

3.3 不銹鋼襯里焊接工藝

水箱不銹鋼襯里的焊接修復(fù)主要采取以下措施。

3.3.1 焊接方法和參數(shù)

為了保證水箱不銹鋼襯里的焊接質(zhì)量，采用手工鎢極氬弧焊和自動鎢極氬弧焊2種工藝相結(jié)合的方法，這樣既可以滿足單面焊雙面成型，又可以減少輻射防護(hù)危險，大大提高了焊接效率，縮短了施工周期，降低了施工成本。為了保證焊接質(zhì)量，應(yīng)在滿足焊接接頭性能的前提下，盡可能地降低焊接熱輸入，同時，控制焊接層間的溫度，使其不超多100℃，以減小焊接變形。

3.3.2 焊接順序

先檢查不銹鋼板材間的坡口形式、組對間隙、錯邊量和平整度，再進(jìn)行定位焊焊接，間距為50 mm即可，同時，使用木錘敲擊定位焊部位，以便不銹鋼襯里板與水箱本體緊密貼合。

水箱不銹鋼襯里的焊接順序一般由側(cè)面襯里至底面襯里，優(yōu)先選擇焊接立縫，其次焊接橫縫。在焊接過程中，應(yīng)采取分段退焊的工藝，分段退焊長度不應(yīng)超過500 mm，相鄰立縫同時對稱焊接。

3.3.3 剛性固定

為了防止不銹鋼襯里焊接變形，在焊前采用反變形和專用卡具進(jìn)行剛性固定。

4 泄漏檢測技術(shù)

水箱不銹鋼襯里焊接修復(fù)完成后，依次對焊縫進(jìn)行目視、真空發(fā)泡法、液體滲透等無損檢測，最后對焊縫表面進(jìn)行酸洗鈍化處理。

4.1 外觀目視檢驗(yàn)

外觀目視主要是通過直接目視或放大鏡檢查，焊縫表面不允許有裂紋、燒穿、弧坑、焊瘤、孔洞和未焊透等焊接缺陷。在100 mm焊縫長度范圍內(nèi)，最多允許存在4個最大尺寸不超過1 mm的表面氣孔。

4.2 真空發(fā)泡法

真空發(fā)泡法檢驗(yàn)是先將起泡溶液涂覆在不銹鋼襯里焊縫和鄰近母材表面，再將真空盒置于焊縫上，然后通過真空泵抽真空，使得盒內(nèi)壓力與周圍空氣的壓差達(dá)到0.3×105Pa為止，持續(xù)保壓20 s，觀察盒內(nèi)是否有氣泡，若無，則證明被檢驗(yàn)焊縫合格。

4.3 液體滲透檢驗(yàn)

液體滲透檢驗(yàn)在水箱泄漏檢驗(yàn)中應(yīng)用較為普遍，因?yàn)槠洳僮骱唵?、直觀，對于裂紋和氣孔等表面缺陷具有很高的靈敏度。按照ASME IX卷QW-195要求，對焊接修復(fù)區(qū)域進(jìn)行100%液體滲透檢測并驗(yàn)收。

經(jīng)目視檢驗(yàn)、真空發(fā)泡法和液體滲透檢驗(yàn)后，確認(rèn)不銹鋼襯里焊接修復(fù)質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，最后對焊縫及其熱影響區(qū)，以及受到污染、損傷的表面實(shí)施酸洗鈍化處理。

5 結(jié)論

核電站水箱不銹鋼襯里容易發(fā)生泄漏的問題，當(dāng)泄漏發(fā)生后，放射性物質(zhì)存在外泄的重大風(fēng)險，并且其泄漏點(diǎn)的位置確定和修復(fù)存在較大的技術(shù)難度。

采用隔離排空后對水箱進(jìn)行整體焊接修復(fù)，通過選擇合適的母材和焊材，制定嚴(yán)格的焊接工藝措施和實(shí)施焊后泄漏檢測，有效解決了核電水箱不銹鋼襯里焊接修復(fù)技術(shù)難題，最終證明了焊接修復(fù)技術(shù)的可行性，為同類核電站不銹鋼襯里焊接修復(fù)提供了重要借鑒。