理化檢測新技術在核電設備制造中的應用

李華綱， 陸連萍， 唐偉寶

（上海電氣核電設備有限公司，上海201306）

在中國核電規模發展的進程中，如何在確保產品質量的前提下，通過技術進步來提高制造能力、推進核電又好又快發展是擺在我們面前的挑戰。金屬材料理化檢測不僅是材料技術的重要組成部分，也是新材料開發和應用的基礎，更是產品制造過程中必要的控制手段和產品竣工報告數據可靠性的質量保證。隨著第三代核電技術的開發、應用，核電設備設計對材料性能提出了越來越高的技術檢驗要求。在此形勢下，必須相應地開展理化檢測新技術、新方法研究，以不斷提高理化檢測技術的準確性，縮短檢測的周期，最終滿足核電技術發展的要求。

本文通過對檢測方法的研究，經過檢測設備改造和理化試樣加工方法的改進來提高檢測效率，縮短理化檢測周期，提高檢測精度，更好地確保核電設備的質量，推進核電設備的制造進程。本文涉及的新技術已在上海電氣核電設備有限公司紅沿河百萬千瓦級核電項目蒸汽發生器設備制造中得到了成功應用。

1 檢測新技術在核電設備制造中的應用

1.1 沖擊試樣加工方法的改進

核電主設備材料性能檢驗的沖擊韌性試樣數量較多，試樣加工花費時間較長。通過改進試樣加工方法，既確保了沖擊試樣的加工質量，又提高了試樣加工速度，是提高加工效率的有效途徑。方法比較如下。

（1）加工流程

傳統加工流程：鋸床（下毛坯料）→車床（逐根進行粗加工）→磨床（精加工至標準尺寸）。傳統加工方法的缺點：加工工序多，磨床加工時間長，整個加工周期冗長，嚴重使試樣的檢測周期滯后。

改進后的加工流程：鋸床（下毛坯料）→車床（6根沖擊試樣同時精加工至標準尺寸）。新加工方法的特點是經過2道工序就結束了沖擊試樣的加工，不用磨床，且車床采用創新工裝，可以使6根沖擊試樣同時加工完成，試樣尺寸精度達到標準要求。

上述改進加工方法（如圖1所示）在國內屬首創，得到了同行業專家的認可，并在紅沿河百萬千瓦級核電項目蒸汽發生器制造中得到成功應用。

圖1 自制沖擊試樣加工裝夾工裝

（2）加工精度比較

以一組沖擊試樣加工（共3個沖擊試樣）為例，傳統加工方法和改進加工方法加工試樣的尺寸比較如表1所示。

由表1的數據可看出，改進加工方法后的沖擊試樣尺寸完全符合試樣精度要求，且工作效率提高了一倍，為整個檢測周期搶出了寶貴的時間。

表1 兩種加工方法試樣尺寸比較 mm

1.2 落錘試樣加工方法的改進

落錘試驗是用來測量金屬材料產生脆性斷裂的一種試驗方法，在核電設備制造過程中是用于判斷金屬材料和堆焊焊道性能的重要手段之一。對于落錘試驗，其試樣的加工精度以及裂紋源焊道開槽位置的準確程度決定了落錘試驗沖擊的準確性。傳統落錘試樣加工方法中采用鋸床切割毛坯后，經砂輪機打磨成型，此方法對加工操作者要求較高，需要憑借個人經驗才能掌握好加工尺寸，不同的操作者加工后的試樣不盡相同，質量較難控制。在紅沿河項目核電產品制造中使用鋸床切割毛坯加銑床銑削加工工藝，保證了試樣的幾何尺寸精度。落錘試樣加工準備情況如圖2所示。

圖2 準備加工的落錘試樣

落錘試樣的裂紋源焊道缺口尺寸加工要求十分嚴格，寬度≤1.5mm，缺口底部到試樣表面的距離為1.8～2.0mm，傳統的方法是采用手工鋸缺口，這樣做不但尺寸很難保證，而且容易破壞試樣表面。為此，設計了專用的工裝夾具，使開槽只需調整一次銑刀與試樣表面的位置，適合于不同類型的落錘試樣（P1、P2、P3型）的加工，保證了裂紋源焊道槽口的幾何尺寸精度以及槽口位置，從而確保了落錘試驗結果的正確性和有效性［1］。落錘裂紋源焊道槽口工裝夾具如圖3所示。

圖3 落錘裂紋源焊道槽口工裝

1.3 高溫拉伸試驗用高溫爐的技術改造

理化試驗室使用的高溫拉伸試驗機根據標準配置的是一套高溫加熱爐裝置，以1根300℃高溫拉伸試驗為例，從試樣加熱到保溫直至試樣拉斷大約需要50min，對于300℃以上高溫試驗，則時間更長，且試樣夾持的工裝夾具不易操作，更延長了試驗時間。以工作時間8h／d來計算，一天最多只能完成8～9根試樣，這與目前核電設備制造產能要求嚴重不符。為此，通過學習借鑒，并對現有設備技術改造的可行性進行研究，設計并制作了可轉式3爐高溫控制裝置，從而使高溫拉伸試驗機可同時對3根試樣進行加熱保溫，將整個試驗周期縮短為原來的1／3，確保試驗效率符合產品制造的實際需求。改造前、后理化高溫加熱爐裝置如圖4和圖5所示。

圖4 改造前單爐裝置的拉伸試驗機

經過改造后的多爐溫控設備采用一爐一溫控方式，設定溫度后每個加熱爐用3根熱電偶分別對上、中、下3個位置進行實時溫度監測，測定的數據結果比較如表2所示。

圖5 改造后多爐裝置的拉伸試驗機

表2 溫控設定溫度與實測溫度 ／℃

由表2數據分析可見，多爐溫控加熱爐的各爐爐內溫度均勻、穩定。實測溫度與設定溫度偏差符合法國 高 溫 拉 伸 RCC－M［RCC－M MC 1212TENSILE TESTING AT HIGH TEMPERATURE試驗］標準要求的誤差范圍。

1.4 金相檢驗腐蝕劑的改進

金相檢驗中很重要的一個環節是金相組織的顯示、分析和判斷。如果沒有好的顯示效果，往往會產生誤判斷，從而導致錯誤的結論。在核電產品的制造中，大量采用了異種鋼焊接技術，如低合金鋼與不銹鋼的焊接。對低合金鋼與不銹鋼異種材料對接的焊接接頭，傳統的方法是使用草酸電解或王水腐蝕法，這樣做不銹鋼材料一側的顯微組織顯示得較清楚，但是因為低合金鋼材料比不銹鋼易腐蝕，如用同樣的腐蝕時間，低合金鋼材料一側會因腐蝕時間過長而造成顯微組織顯示模糊，易導致觀察困難并使一些不明顯的缺陷被疏忽［2］。

在紅沿河核電產品的制造中，根據低合金鋼和不銹鋼腐蝕性能的差異，使用鉻酸電解＋硝酸酒精腐蝕方法，不銹鋼和低合金鋼的顯微組織都可清晰地顯示，宏、微觀檢驗效果更好，使采用傳統侵蝕劑容易忽略的組織缺陷更加清楚。

以圖6和圖7為腐蝕劑改進前后的微觀組織對比圖。

圖6 改進前的晶相組織效果圖（微觀1∶200）

圖7 改進后的晶相組織效果圖（微觀1∶200）

1.5 管子管板檢驗方法的改進

管子管板焊接接頭的特點是在這很小的焊接區域內，一些微小的缺陷在焊接應力作用下會逐漸擴展形成裂紋。這種裂紋使產品在使用周期內提前失效并造成嚴重后果［3］，對管子管板焊接接頭晶相檢驗技術提出了較高的要求。

根據管子管板焊接接頭金相分析試樣的特殊性，開展了從研磨、拋光到侵蝕劑選擇等一系列的改進試驗，最終在已有的試驗室條件下取得了令人滿意的試驗效果。

相比于常規的磨樣，對管子管板焊接接頭試樣增加了一道細砂紙研磨，同時，使用更為合適的呢絨布代替原先的絲絨布進行拋光，大大提高了效率。侵蝕劑改用新的配方（5%醋酸＋10%硝酸＋85%水）并電解1min（電流控制在3A），解決了原有金相照片不清晰和反酸的問題。各效果見圖8～圖10。

1.6 掃描電鏡技術的應用

掃描電鏡作為現代先進檢測技術，通過對材料的斷口分析，為材料內在組織及焊縫缺陷等提供科學依據，能從不同的角度對金屬材料驗收、產品與焊接試件焊縫缺陷原因分析起到舉足輕重的作用，為工程應用中的缺陷判斷和后續處理奠定了基礎。

圖8 改進前、后的宏觀效果

圖9 改進前、后的微觀效果

圖11為某核電項目產品沖擊試驗結果異常的試樣，使用掃描電鏡技術對沖擊試樣斷口進行金相和能譜分析，發現在其斷口面存在夾渣物，從而找到了材料沖擊韌性不合格的原因［4］。

圖10 反酸的微觀效果（1∶200）

圖11 沖擊斷口夾雜物分析（1∶500）

圖12為焊接后的某原材料的裂紋截面，對其進行了掃描電鏡分析并結合現場金相分析，判斷其母材存在缺陷［4］。

圖12 母材裂紋缺陷（1∶900）

1.7 現場金相檢驗技術的應用

在核電設備實際制造中，往往會因原材料暗藏的質量問題而在產品后序加工工序中反應出來，嚴重影響了產品質量和項目進度。如某核電產品接管鍛件內表面下存在超標夾雜物等缺陷，入廠復檢中采用無損檢測方法并不能檢出；當接管內表面堆焊后，這些隱藏的缺陷因焊接應力、結構拘束力和異種材料物理性能的差異產生了裂紋［5］，對于這種缺陷的分析，在不能破壞產品的前提下，可采用現場金相檢驗技術進行分析。在此檢驗過程中，考慮到材料的特殊性，如按照常規的操作既費時又費力，還得不到理想的效果，為此，采用酒精沖洗和拋磨相結合的方法以提高檢驗質量和速度，為發現缺陷產生的原因提供了有力的手段。圖13和圖14為放大100倍和400倍的接管內表面裂紋和缺陷照片。

圖13 接管內表面裂紋和缺陷照片（1∶100）

圖14 接管內表面裂紋和缺陷照片（1∶400）

2 結 語

理化試驗和檢測是確保核電產品制造質量的重要手段，本文所述的理化試樣加工和檢測所采用的新技術，是在總結傳統加工和檢測方法的基礎上，結合上海電氣核電設備有限公司核電產品材料試驗所涉及的具體技術和工藝的特點進行的改進創新嘗試，并在紅沿河項目核電產品制造中得到了成功的應用，目前，上述技術已廣泛應用于所有核電產品制造中。

［1］榮烈潤.微細切削加工技術［J］.金屬加工冷加工，2011，（23）：36－39.

［2］高漢文.金相分析技術［M］.上海：上海科技文獻出版社，1987：105－107.

［3］任頌贊，張靜江，陳質如，等.鋼鐵金相圖譜［M］.上海：上海科學技術文獻出版社，2005.

［4］威廉·勞斯特克.金相組織解說［M］.劉以寬，譯.上海：上海科學技術出版社，1984：76－78.

［5］埃里希·福克哈德.不銹鋼焊接冶金［M］.栗卓新，朱學軍，譯.北京：化學工業出版社，2004：213－215.