模擬壓力管力學性能試驗樣品制備技術研究

王鑫 劉薔 劉金平 李志國

摘 要：重水反應堆運行期間，壓力管受到中子輻照，同時從冷卻劑中吸氫，從而使Zr-2.5Nb材料產生脆化，并具有氫致延遲開裂的趨勢。為確保壓力管的運行安全，需對Zr-2.5Nb材料輻照后的力學性能及吸氫后的氫致延遲開裂性能進行深入研究，這就需要以服役一定時間或退役的壓力管為母材，制備出特定形態的力學試驗樣品以開展相應試驗。為此，設計了適用于放射性條件下遠距離操作的樣品加工流程并完善了相關技術，依據該流程在模擬放射性條件下制備出了滿足標準要求的試驗樣品。

關鍵詞：壓力管 力學性能 樣品制備

中圖分類號：TU99 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（b）-0081-03

Abstract： Pressure tube is the key component of heavy water reactor， and it has the risk of embrittlement under the neutron irradiation and hydrogen absorption， that makes mechanical property surveillance of pressure tube very important for nuclear safety. This surveillance needs several kinds of sample made from pressure tube， the sample preparation technology research was conducted on mockup pressure tube， and the sample made by this technology was qualified for surveillance testing.

Keg Words： Pressure tube； Mechanical propertg； Specimen preparation

CANDU型重水反應堆為壓力管式結構，壓力管構成了反應堆一回路的邊界，其完整性對于反應堆安全具有至關重要的意義。壓力管材料為Zr-2.5Nb，該材料在中子輻照條件下會產生硬化及脆化，同時由于Zr具有吸氫的特性，壓力管在從冷卻劑中吸氫后具有氫致延遲開裂（DHC）的趨勢[1]。壓力管的輻照監督機制就是確保壓力管力學性能滿足運行安全需求的重要手段。

1 研究目的

壓力管輻照監督檢驗需要利用已服役一定時間的壓力管制備以下幾種類型的試驗樣品用于力學性能測試和氫致延遲開裂行為研究[2-3]：（1）CCT樣品，用于測量Zr-2.5Nb材料的斷裂韌性，同時用于進行氫致延遲開裂性能試驗。該樣品從壓力管軸向取樣，樣品尺寸見圖1。（2）軸向拉伸樣品，用于測量壓力管的軸向拉伸性能，沿壓力管軸向取樣，樣品尺寸見圖2。本項研究的主要目的，就是在模擬放射性條件下開發出壓力管力學性能樣品的制備技術。

2 研究方案

輻照后的壓力管表面劑量率約為5mSv/h，不能由人員近距離直接操作，應在對操作人員進行有效屏蔽的條件下，使用機械手進行遠距離操作。由于遠距離操作的局限性，因此樣品的加工方案應盡可能減少機械手操作步驟，同時盡可能降低機械手操作精度要求。

考慮到壓力管監督檢驗的實際情況，采用每段約150～300mm長的模擬壓力管進行試樣的加工技術研究。待加工的三類樣品形狀復雜，同時對形位公差和加工面粗糙度均有較高要求，結合對國外同類試驗的調研，本項研究的實施方案即以單獨或聯合使用電火花及線切割手段來展開。

方案1：使用電火花加工設備一次加工成型。該方案的優點是僅需一臺設備即可實現，同時操作簡便，僅需將短管固定在機床上，其余的加工操作均可由機床的遙控功能實現；缺點是對電極的調平要求極高，而且加工效率較低。

方案2：利用電火花加工設備分步加工成型。該方案主要針對方案1中電極調平難度大的缺點進行了改進，優點是僅需一臺設備，常規條件下可以可靠實現所有類型樣品的加工；缺點是加工步驟繁瑣，需頻繁更換加工電極，機械手操作量大且操作精度要求高，進一步降低了加工效率。

方案3：配合使用電火花及線切割設備進行樣品加工。該方案的優點是加工效率高，樣品的加工精度及表面粗糙度最好，機械手的操作精度要求較低；缺點是需要兩臺設備配合使用，其中線切割設備較為昂貴。

3 試驗設備

本項試驗涉及的設備主要參數如下：

（1）數控精密電火花成型機床，X、Y、Z行程：320mm×250mm×250mm，最大工件尺寸：790mm×480mm×235mm，最大工件重量：400kg，最大電極重量：60kg。

（2）數控慢走絲線切割機床，X、Y、Z行程：300mm×300mm×180mm，最大工件尺寸：560mm×480mm×165mm，最大工件重量：200kg，最佳表面粗糙度：0.3μm。

（3）主從式機械手，垂直提升力：7kg。

4 試驗過程與結果

4.1 常規模擬試驗

在常規試驗條件下對方案1～3進行了模擬，利用不銹鋼板或尺寸相近的不銹鋼管材替代Zr-2.5Nb管材進行了模擬樣品的加工，并根據試驗結果進行了最終加工方案的確定。

方案1：利用電火花設備在不銹鋼板材上嘗試取樣。在對樣品和電極進行裝卡和調平后進行放電加工。但由于電極調平時存在微小偏差，因此樣品的一側先完成了切割，而另一側仍然與母材連接在一起，樣品在電極往復運動的帶動下出現了偏移，并造成最終加工出來的樣品出現了嚴重的變形。對電極進行反復調平和多次試驗后仍然未能加工出合格樣品，如圖3所示。

方案2：理論上可以避免方案1中的電極調平問題，重復裝卡過程對機械手的操作精度提出了過高的要求。使用機械手模擬此項操作，證明機械手操作無法實現此項加工所需的水平位置精度，因此方案2理論上可在常規環境中實現樣品加工，但不適于放射性條件下的遠距離操作。

方案3：利用慢走絲線切割設備切割出樣品的輪廓，然后利用電火花設備加工出樣品的銷孔。利用該方法加工的樣品如圖4、圖5所示。

4.2 模擬放射性試驗

試驗證明，方案3為唯一可行的方案。在常規模擬試驗的基礎上，壓力管力學性能試樣進行了模擬放射性條件下的全流程演示，并驗證了該流程的可行性。首先利用數控解體銑床將模擬壓力管切割為約150mm長的短管，然后利用慢走絲切割機床將短管沿周向6等分為圓弧板，再進行各類樣品的外輪廓切割，最后利用電火花成型機進行銷孔的加工。試驗全程均采用機械手操作，如圖6所示。加工的半成品及成品如圖7～圖9所示。

5 結語

通過對壓力管力學性能試驗樣品制備技術的研究，確定了以電火花設備配合線切割設備、以機械手遠距離操作的方式進行樣品加工為最優化的加工方案。設計了完備的加工流程并開發出了全套的輔助設備。利用該項技術制備的力學性能及氫致延遲開裂性能試驗樣品的形位公差及表面粗糙度滿足標準要求。

參考文獻

[1] CAN/CSA-N 285.4-05，Periodic Inspection of CANDU Nuclear Power Plant Components[S].Canadian standards association，2005.

[2] IAEA-TEDOC-1499，Intercomparison of techniques for inspection and diagnostics of heavy water reactor pressure tubes： Flaw detection and characterization[R]. Vienna：IAEA，2006.

[3] IAEA-TECDOC-1037，Assessment and management of ageing of major nuclear power plant components important to safety： CANDU pressure tubes[R].Vienna： IAEA，1998.