激光噴丸技術在核電設備上的應用

吳樹輝，黃科峰，胡金力，陳國星

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

隨著我國核電建設的快速發展，將有越來越多的核電設備投入運營，盡管設備材料在一定程度上會有所更新，但隨著運行時間的延續，構件的老化、疲勞、應力腐蝕這些問題仍是不可回避，這些問題仍然是影響設備安全可靠運行的重要因素。近30年國內外核電廠的實際運行情況也證實了這一點，相當一部分核電設備和結構達不到設計壽命，實際運行壽命僅達到設計壽命的20%左右[1]，這種局面目前仍未得到根本性的改變。以反應堆壓力容器（RPV）為例, 輻照脆化和應力腐蝕開裂仍是決定其壽命的關鍵因素，如何對在役設備的薄弱部位進行強化，從而達到對設備的有效保養、延壽的效果，提高其安全穩定運行的水平，無論從經濟效益還是社會效益都非常值得關注。激光噴丸技術在航空領域對航空部件的成功應用，以及取得的顯著強化效果，顯示了該技術在設備延壽方面的潛力，為其在核電領域的應用奠定了基礎。

激光噴丸技術是20世紀70年代發展起來的一種新型表面強化技術。由于激光噴丸處理與其他噴丸技術比較，實施作業時沒有反彈介質及反作用力產生，又能夠實現精確遙控操作，由于不使用鋼砂等噴丸介質，因此，不存在影響設備正常運行的殘留物，而且對一些狹窄區域或形狀特殊的部位能夠實現完整的作業[5]。更為關鍵的一點，同一構件，激光噴丸的效果比普通噴丸要優異得多，形成的壓應力層深可以達到1 mm，而且不會傷及構件的表面。由此推斷，激光噴丸是特別適合于核電設備保養延壽的技術。但由于核電設備的服役環境明顯有別于其他的設備，許多設備的不可拆卸及輻照環境，要實現該技術的現場應用，與航空部件上的應用還有許多明顯的不同之處，還有待于針對性的深入研究與開發。

1 激光噴丸技術

激光噴丸技術又稱激光沖擊處理技術，是隨著強脈沖激光的出現而發展起來的一項技術。是利用1～50 ns的高峰值功率，功率密度大于109W/cm2脈沖激光束照射被處理的構件表面，在被沖擊構件的外表面由于吸收激光能量，在被處理基體的表面,發生爆炸性汽化蒸發，產生高溫高壓的等離子體，該等離子體受到約束層的約束作用（見圖1）,其高強度的應力沖擊波將沖擊金屬表面,并向構件的內部傳播。當激光沖擊波的沖擊力大于被沖擊材料的屈服強度時,在構件的表面,就會發生塑性變形，微觀結構上會產生孿晶等晶體缺陷，會形成極其細小的位錯亞結構，在構件的表層形成很大的殘余壓應力層，從而使材料的近表面層的強度、硬度和抗疲勞、抗腐蝕性能都得以大幅度的提高。相當于對構件表面進行了塑性加工，使表面形成殘余壓應力的一項強化技術。與常規的表面強化工藝相比，激光沖擊強化處理對材料表面基本上無熱損傷或機械損傷，激光沖擊處理能獲得比普通噴丸深約2～5倍的殘余壓應力層，能保持材料表面光潔度，適合于處理那些表面質量要求較高的精加工部件或成品件，對投入運營的核電機組來說，核島內有些部件不能拆下來處理,而且很多部件處于水環境中，因此，對于在役核電設備而言，與航空部件的處理明顯不同：一方面，無法實現噴丸前在被處理部位的外表面貼吸收層,且有許多工作需在水下完成（見圖2）；另一方面，核島內構件有些是處于輻照區,有些是作業空間狹窄等客觀條件，都決定了要實現在役核電設備的噴丸處理，必須因地制宜，開發一套能夠遠距離操作，實現激光的準確傳輸，終端能量的準確計量的作業系統。

圖1 激光噴丸的基本原理示意圖[4]Fig.1 Fundamental principle schematic of laser-peening

圖2 水下激光噴丸示意圖[2]Fig.2 Schematic of underwater laser-peening

2 核電廠應力腐蝕現狀

核電廠設備多因為各種不易克服的損傷（如應力腐蝕、疲勞等）而提前退役（見圖3），當然，隨著材料科學的發展，采用性能更優異的材料，可以一定程度的緩解應力腐蝕或疲勞導致的破壞發生，但對于已投入運營的機組，更換新材料做成的配件，有很大的局限性。而且核電廠內大部分重要設備屬于不可更換或者極難更換的范圍，如反應堆壓力容器（RPV）在安全上處于特殊地位，在電站壽命管理中，RPV被定義為“不可更換的敏感類設備”；蒸汽發生器也是不可輕易更換的設備。決定這些設備壽命的主要因素之一就是應力腐蝕開裂[3]。因此，利用表面強化技術，對易出現老化或應力腐蝕的部位進行現場強化處理,是最為現實可行的有效措施之一。

核電廠的應力腐蝕破裂事件大部分與270～345 ℃范圍的高溫水質環境相關，主要材料是不銹鋼、鎳基合金、鋯合金以及低合金鋼。從技術角度講，比較適合進行激光噴丸處理。

圖3 某核電廠蒸汽發生器及控制棒導管出現的應力腐蝕裂紋Fig.3 The stress corrosion crack of steam generator and control rod catheter in some nuclear power plants

2.1 沸水堆應力腐蝕

沸水堆核電站中主要應力腐蝕破裂問題的歷史演變如表1所示。該堆型在歷史上發生重大損失的典型問題是發生在20世紀70年代及以后的不銹鋼等材料再循環管道的晶間應力腐蝕破裂（IGSCC）。美國沸水堆在1980—1994年由于腐蝕問題導致的功率因子損失數值平均值為5%以上，在1984年達到峰值超過18%。在峰值時的功率因子損失幾乎都是由再循環管道晶間應力腐蝕破裂造成的。

2.2 壓水堆應力腐蝕

壓水堆核電站上發生應力腐蝕破裂的部位主要有蒸汽發生器傳熱管、蒸汽發生器以外的鎳基合金部件及焊接件、主回路不銹鋼管道和高強合金螺栓、堆內的燃料包殼和結構部件等。美國壓水堆在1980—1994年由于腐蝕問題導致的功率因子損失數值有一些差異，其平均值也在5%以上，在1982年達到峰值，大約為8%。

3 核電廠應力腐蝕問題的解決方法

核電廠應力腐蝕是核電領域亟待解決的重要問題之一，抗應力腐蝕研究在核電設備安全領域占有重要地位，現在國內外很多專家做了相關研究，針對產生應力腐蝕的條件，出現了一些解決方法，但是各有優缺點。

（1）防腐處理，可采用多種防護措施，如涂層、襯里或陰極保護等，還可在介質中加入緩釋劑，由于核電的很多設備含有放射性，涂層等措施都會受到應用條件的限制，而且經常停機維護設備，會大大降低核電廠的經濟性，核電廠一、二回路水環境對水質有很高要求，而且還會引起其他一些安全問題，不可能加入很多防腐物質。

表1 沸水堆核電站中主要應力腐蝕破裂問題的歷史演變Table 1 The evolution of SCC for boiling-water reactor nuclear power plant

（2）選用優質材料，核電廠大量采用了性能更好的金屬材料以提高材料抗應力腐蝕的能力，使用優質材料是控制應力腐蝕最簡單有效的辦法，但是不可能所有部件都更換優質材料，而且新材料也存在各種問題，考慮到經濟上的巨大投入，更換材料并不是設備抗應力防腐的最佳選擇。

（3）消除應力處理，如常規噴丸、表面熱處理、整體高溫回火處理、爆炸法、機械拉伸法等。這些方法有一個共同之處，就是使用前設備必須在工廠內就進行應力處理，無法做到對在役核電設備實施。

由于上述幾種方法都存在很大局限性，無法全面滿足在役核電設備的抗應力腐蝕處理要求，因此，隨著核電的快速發展，對能有效提高在役核電設備構件抗應力腐蝕性能，且適合于現場作業的技術手段的開發，變得越來越迫切。通過廣泛地調研認識到，激光噴丸技術是比較理想的選擇。

4 核電激光技術應用與其他領域應用的區別

激光噴丸技術在核電領域的應用，與其他行業有相同之處，但也有明顯的不同。目前，航空航天領域的應用，由于被處理件可以接近作業，可以采用大能量的激光，通過貼吸收層的辦法，既保證被處理件不受損傷，又能保證處理效果。但核電設備有很多部位不能直接接觸作業，而且很多待處理部位處在水下區域，因此，明顯不同的是，要能夠實現遠距離傳輸，且要準確把握在傳輸過程中能量的損耗，及不同介質中傳播規律是實現核島內激光噴丸處理的先決條件。

5 需要突破的技術難題

（1）核電設備的激光噴丸處理，涉及激光發生及傳導技術、遙控及自動精確定位的自動化控制技術，是一個典型的跨學科、多項高新技術集成的一項先進的加工技術。但就目前來說，我國在激光發生器的制造及自控技術方面，與發達國家還有很大的差距，涉及敏感的激光技術又會遇到國外的技術封鎖，作為一項具有非常重要的現實意義的高端技術，更值得盡早著手開發。

（2）激光在不同的介質中傳播，其傳播規律、能量變化都會不同，特別是流體的水中傳播，由于水不會靜止不變，其傳播規律就更為復雜，也是要重點攻關的課題。

（3）噴丸效果的評價。由于在大型設備上作業，又不可能局部取樣評定，所以，作業前更接近現場環境的模擬試樣的設計及工藝評定方案，也是確保處理效果的關鍵。

6 應用現狀及前景展望

東芝公司經過近10年的開發，于2007年正式在核電設備上應用激光噴丸技術（見圖4）。目前已經有8臺機組的業績，日本原子能協會專門起草了核電設備噴丸技術應用導則，由于該項技術的應用效果直接，效益顯著，解決了關系核電設備安全穩定運行的關鍵技術問題，引發了很多領域的重視。目前，激光噴丸技術已經得到美國相關部門的認可，將在美國的核電廠應用，EPRI也就該技術與東芝公司開展了實質性合作。

圖4 核島內實施激光噴丸處理示意圖[2]Fig.4 Schematic of using laser-peening technique in nuclear island

7 結束語

激光技術本身有很多優異的特性，作為其中應用技術之一的噴丸技術，其顯著的強化效果和可操作性，使其有著廣闊的應用前景。隨著各項相關技術的發展，激光噴丸技術的性價比也會越來越高，也必將成為我國核電設備安全穩定運行的重要保障技術。

[1]唐輝.世界核電設備與結構將長期面臨的一個問題——微動損傷[J].核動力工程，2006，21（3）：221.（TANG Hui.A Long-term Problem to be Faced by World Nuclear Power Equipment and Structure [J].Nuclear Power Engineering, 2006,21(3)：221.）

[2] Yuji sano，Naruhiko mukai，Yoshinobu makino.Enhancement of Surface Properties of MetalMaterials by Underwater Laser Processing[J]，The Review of Laser Engineering Supplemental Volume 2008.

[3]萬里航，劉鵬，陶余春.大亞灣核電站2號機組反應堆壓力容器老化現狀的初步分析[J].核動力工程，2004，25（1）：252.（WAN Li-hang, LIU Peng,TAO Yu-chun.Preliminary Analysis on the Ageing Status of Unit 2 Reactor Pressure Vessel of Daya Bay Nuclear Power Plant [J].Nuclear Power Engineering，2004，25（1）：252.）

[4]鄒世坤，王健，王華明.激光沖擊處理技術的發展動態[J].材料工程，2001.（ZOU Shi-kun，WANG Jian，WANG Hua-ming.The Development of Laser Impact Processing Technique [J].Material Engineering，2001.）

[5]（株）東芝佐野雄二、小畑稔、濱本良男、鳩誠之、レーザーピーニング技術の開発と原子爐爐心シュラウドへの適用、「材料」（J.Soc.Mat.Scl,japan），Vol.49.