核電高壓容器堆焊層磨削技術研究初探

張忠圓

（中國第一重型機械股份公司重裝事業部，黑龍江 齊齊哈爾 161042）

1 引言

核電作為一種新型的能源日益受到全世界人們的重視。從上個世紀六十年代，中國就開始了核反應堆的研究。國家規劃在2020年前新增3200萬千瓦核電裝機容量，也就是將當前裝機容量的870萬千瓦提高到4000萬千瓦左右。目前我國已有的11座核電站均采用了壓水堆型，存放核燃料壓力殼在高溫高壓條件下長期運行，因此要求反應堆壓力殼堆焊層有較好的機械性能和耐腐蝕性，堆焊層抗靜水腐蝕性能要求在3000～5000小時左右,腐蝕率≤10mg/dm2·月,以及在含硼水中無應力腐蝕現象。核電的高壓容器殼體通常由低合金鍛鋼16MnD5卷制而成，壓力殼內壁均采用大面積雙層帶極堆焊工藝。其殼體焊縫根據形狀可分為縱焊縫和環焊縫。

一般核電高壓容器殼體焊縫為達到所需要求，均需經如下加工工序進行處理：①罐體內外縱、環焊縫焊筋磨削。②罐體內外縱、環焊縫焊根清除。③罐體內部堆焊層平整磨削。④各種封頭內表面堆焊層磨削及對焊邊坡口磨削。由于容器工作條件比較苛刻，除了承受高壓之外，還常常伴有交變載荷或沖擊載荷，有時還伴有高溫和介質腐蝕作用。因此對于它的焊縫堆焊層的磨削有著特殊的要求。

砂帶磨削作為一種具有磨削、研磨、拋光多種作用的復合加工工藝，應用范圍十分廣泛。首先，它的磨粒有著比砂輪磨粒更強的切削能力，所以磨削效率非常高，而且它的磨削溫度低，工件表面也不易出現燒傷，微觀金相組織變化及裂紋等現象。其次，砂帶磨削設備簡單，磨削系統振動小且穩定性好，操作簡便，從更換調整砂帶到被加工工件的裝夾，一切都可在很短時間內完成，省工省時，且易于控制，非常安全，噪音和粉塵小，環境效益好。

正是由于核電高壓容器堆焊層材料及其工藝上的特殊磨削要求和砂帶磨削具有的這些優于其它磨削、特別是手工磨削的優點，才使得砂帶磨削成為應用于核電高壓容器殼體的堆焊層打磨和表面拋光的第一選擇，我國在此技術領域尚屬空白，一直以外國進口設備和手工打磨為主。既嚴重制約了核電高壓重型容器的制造，又影響了相關產業的發展。

2 核電高壓重型容器制造技術

2.1 砂帶磨削技術

就砂帶磨削技術而言，目前，國內外都非常重視砂帶磨削的理論基礎研究和應用研究，并出現了一些新的發展方向，如電解復合砂帶磨削，超聲砂帶磨削以及電鍍金剛石金屬砂帶磨削等，使得砂帶磨削技術不斷向高效、自動化的方向發展，充分顯示了砂帶磨削在未來制造業中的強大生命力。國外特別是歐美等工業發達國家，從事砂帶磨削技術研究、開發的研究機構和砂帶磨床制造廠家（或集團）數量很多且實力雄厚，其成果和產品代表了當今世界砂帶磨削技術的最高水平。如在美國，僅3M等幾大著名砂帶集團就開發了數萬余種不同規格的砂帶，平均每4臺磨床中就有一臺砂帶磨床，3M公司還專門成立了CAM中心為使用砂帶磨削技術提供咨詢服務。法國圣戈班公司收購了美國三大砂帶集團之一的諾頓（NORTON）公司后,成了世界上最著名的砂帶生產商之一。在把重載紙作為砂帶基材的研究方面，法國作了大量工作，取得了突破性進展。砂帶磨床也朝著小型化、強力、高效、大功率寬砂帶磨床方向發展,如美國生產的砂帶磨床最大寬度達5.0m,最大功率達200kW。我國在應用砂帶磨削方面時間雖早，但發展緩慢，70年代末期直到現在才是我國砂帶磨削真正發展的階段，在理論研究方面，東北大學，重慶大學，華中理工大學，清華大學以及鄭州磨料磨具與磨削研究所等單位分別在砂帶磨削工藝，特種材料加工等方面有所建樹，迅速發展高效砂帶磨削工藝。縱觀砂帶磨削技術的研究和應用狀況,我國與國外發達國家仍存在一定差距，需奮起直追。

2.2 核電高壓容器堆焊層磨削技術

在核電高壓容器堆焊層磨削方面，由于受著自身材料、工藝和質量等方面的特殊要求的影響，使得核電高壓容器焊縫磨削成為磨削界的一個較難攻克的課題。

國外對此的研究進行的比較早，取得了一些成就。瑞士和德國在這方面更是做了較多開創性的工作，一直走在世界前列。瑞士的FARROS BLATTER是世界知名的核電高壓容器磨銼機生產廠商，它們生產的核電高壓容器磨銼機SM300型產品的砂帶磨削的切除率最高能達到800g/min,最大加工直徑能達到10000mm，可負載250kg,堆焊層磨削的表面粗糙度最小可達到1.6μm,堆焊層磨削的最大尺寸（寬×余高）達到 150×15mm,占據了市場上60%的份額。德國的DEUMA公司推出的RBS7-900型核電高壓容器強力砂帶磨頭，材料切除率可達600g/min,最大加工直徑能達到8000mm,被加工表面粗糙度最小可達到1.8μm，堆焊層磨平效率1.7m2/min。

而目前國內由于技術人員知識及相關研究的匱乏，以及觀念陳舊，資金投入困難等原因，在此領域還屬空白，國產的核電高壓容器堆焊層磨削仍然以從外國進口設備和手工打磨為主，前者既沒有從根本上解決我國在此領域的技術問題，又大量浪費了國家的外匯資源，且事關國家能源發展的重大裝備依舊由國外進行壟斷。后者為了達到所需標準要求，往往需要多次反復加工，效率極低，且污染嚴重。

3 核電高壓容器堆焊及焊接工藝

核電高壓容器的堆焊層一般都用因科鎳690合金和20Cr-10Ni不銹剛兩種材料進行堆焊，堆焊兩層，即過渡層和耐蝕層，厚度約為5～6mm。為使堆焊層具有良好的抗裂性和塑韌性，按RCC－M中SA3634規定堆焊層鐵素體含量應控制在5%～12%之間。在選擇堆焊用焊接材料及焊接參數時，必須嚴格控制熔敷金屬中的鐵素體含量，過量的δ鐵素體在一定條件下會轉化成σ相造成脆化，因此在帶極堆焊時，除熔深外，還應特別注意相鄰焊道之間的搭接量，帶極堆焊的搭接量一般應控制在8～10 mm的范圍內。按工藝流程又可以分為：管板鎳基合金堆焊，管板和下封頭的焊接和上、下筒體的最終焊接三個階段。

砂帶磨削是一種高效、經濟和適用性強的加工技術，并被稱為“萬能磨削”和“冷態磨削”。雖然砂帶磨削技術在我國經歷了30多年發展，在某些領域也取得了成功的應用，但在基礎研究方面,特別是在高效強力砂帶磨削方面還比較薄弱核電高壓容器殼體砂帶磨削所涉及的磨削技術是一個基礎性研究課題，它需要進行大量實驗研究和相關分析，研究得出各種磨削條件對砂帶磨削性能的影響。正確地選擇磨削條件和調整工藝參數將會提高容器殼體堆焊層的磨削質量和效率，更能降低成本。

結束語

本文研究國內外砂帶磨削技術及核電容器堆焊層磨削技術的發展及研究成果，對高效強力砂帶磨削的基本原理和相關技術進行了研究分析。下一步的打算是：理論分析砂帶磨削過程中的磨削加工機理、磨損機理，并以此為基礎研究砂帶磨削過程的特征和提高難加工材料砂帶磨削性能的方法及途徑；完成對高壓容器殼體堆焊層材料在各種條件下的材料切除率和磨削力研究實驗，分析實驗結果找出砂帶磨削高壓容器殼體堆焊層材料的切除率和磨削力的變化規律和主要影響因素；在材料切除率實驗的基礎上完成砂帶磨削材料表面質量和砂帶磨損的基礎實驗，分析不同種類磨料和磨削不同材料后的砂帶和磨削表面的微觀形貌，探討不同磨削條件下的砂帶磨粒磨損規律及特征。

[1]吳祖乾，顧永康.核反應堆壓力容器主焊縫和不銹鋼堆焊層特殊性能研究.材料工程.2000，5：31-32

[2]蔡光起.磨削技術現狀與新進展.制造技術與機床.2000，5：10-11