核電站核島主設(shè)備系統(tǒng)里有大量的焊接接頭，主要形式有反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部堆焊、安全端異種鋼的連接，套管與封頭球面“J”型特殊坡口焊接，蒸汽發(fā)生器管板鎳基合金堆焊，管道管板封口焊以及不銹鋼主管道的焊接等，是核電站核島設(shè)備內(nèi)大型構(gòu)件的連接部分，也是隔離低合金鋼容器與冷卻劑高溫水的阻擋層。關(guān)節(jié)是一種的致密結(jié)締組織，是人體內(nèi)的重要器官，其主要功能是連接支撐人體軀干的骨骼系統(tǒng)。人類受到外力沖擊時(shí)最容易出現(xiàn)跌打損傷的是關(guān)節(jié)部位。類似地，核電站焊接接頭在載荷、環(huán)境或者二者的共同作用下，是容易出現(xiàn)損傷的薄弱部位。像人類注意保護(hù)關(guān)節(jié)避免損傷那樣，精心呵護(hù)好核電站的關(guān)節(jié)？焊接接頭，是核電站健康安全運(yùn)行維護(hù)中的重要議題。

1. 舉足輕重：并駕齊驅(qū)的核能與其安全性

從上個(gè)世紀(jì)起，由于全球化石能源的過度使用，儲(chǔ)量急劇下降并將在不久內(nèi)枯竭，而隨著世界人口快速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要更多的能源。我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在粗放的模式下快速發(fā)展，能源利用效率較低，國(guó)內(nèi)能源供給矛盾突出，環(huán)境壓力日益加重致使新能源的使用就成為了必然[1]。繼原子核的神秘面紗被人類揭開后，原子能走上歷史的舞臺(tái)，原子能又稱為核能，即原子核發(fā)生變化時(shí)所產(chǎn)生的能量。相比于傳統(tǒng)的化石燃料，利用核能為人類提供能源，可以避免向大氣直接排放污染性物質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生加劇地球溫室效應(yīng)的二氧化碳。而且核燃料的能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，運(yùn)輸與儲(chǔ)存都很方便。核能發(fā)電的成本中，燃料費(fèi)用所占的比例較低，核能發(fā)電的成本較不易受到國(guó)際經(jīng)濟(jì)情勢(shì)影響，故發(fā)電成本較其他發(fā)電方法更穩(wěn)定。

但是核電站一旦發(fā)生泄漏事故，其結(jié)果與危害往往是不可估量的。世界上第一座核電站于1954年在前蘇聯(lián)建成并投入使用，主要作用是以試驗(yàn)示范形式來驗(yàn)證核電能否被運(yùn)用到工程之中。但在核電站處于高速發(fā)展時(shí)，先后卻于1979年在美國(guó)、1986年在前蘇聯(lián)發(fā)生核事故，這促使人們逐漸冷靜下來，重新考慮核電站運(yùn)行的安全問題。在進(jìn)入世界核電復(fù)興時(shí)期，2011年3月由日本大地震引發(fā)的福島核電站重大泄漏事故則再次給人們敲響了警鐘。我國(guó)目前建成的商業(yè)運(yùn)行核電站主要是壓水堆型核電站，三代壓水堆核電站是目前全球核電發(fā)展的技術(shù)主流。壓水堆核電站的工作原理圖如圖1所示。壓水堆核電站主回路核心系統(tǒng)主要為一回路系統(tǒng)與二回路系統(tǒng)，堆芯裝置在壓力容器內(nèi)部，是反應(yīng)堆的心臟，一回路和壓力殼是核電運(yùn)行過程中的重要安全屏障。其中一回路系統(tǒng)主要由反應(yīng)堆壓力容器、主泵、穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器等構(gòu)件組成，各部件之間的連接位置就需要大量的焊接結(jié)構(gòu)，而這類結(jié)構(gòu)猶如人體內(nèi)的“關(guān)節(jié)”，連接著其他各個(gè)重要的骨骼主體。雖然核電站焊接接頭本身不允許像人體關(guān)節(jié)那樣靈活運(yùn)動(dòng)，需要保持相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，但有大量的管道焊接接頭內(nèi)部可通過流體，焊接接頭也是保有活力的。核電站核島主設(shè)備常用結(jié)構(gòu)材料有低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金等材料，焊接接頭或者堆焊層主要采用不銹鋼和鎳基合金制備，制備過程中形成的與母材不同的微結(jié)構(gòu)、成分、力學(xué)性能和殘余應(yīng)力和應(yīng)變，加上高溫高壓水的腐蝕作用和強(qiáng)烈輻照效應(yīng)（對(duì)于堆內(nèi)構(gòu)件而言），使得焊接接頭面臨著需要保持長(zhǎng)期服役的嚴(yán)峻考驗(yàn)，需要在科學(xué)理論與工程經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下對(duì)“焊接接頭”倍加呵護(hù)，才能使核電站在幾十年甚至百年安全運(yùn)行期間變得“無懈可擊”。

圖1 壓水堆核電站的工作原理示意圖

2. 不可或缺：核電站主管道的關(guān)節(jié)

骨骼是支撐我們身體的基礎(chǔ)，人類生理結(jié)構(gòu)由206塊骨骼構(gòu)成，連接眾多骨骼的關(guān)節(jié)更是高達(dá)78個(gè)。關(guān)節(jié)的存在對(duì)于人體的穩(wěn)定性和靈活性起到?jīng)Q定性作用，人體關(guān)節(jié)部位名稱及其作用可見圖2。

核電系統(tǒng)與之大同小異，以國(guó)產(chǎn)“華龍一號(hào)”核電站主管道為例，每臺(tái)機(jī)組主管道均由3個(gè)相同環(huán)路構(gòu)成，每個(gè)環(huán)路現(xiàn)場(chǎng)安裝8道焊口，共計(jì)24 道焊口。每條環(huán)路由2道冷段焊口、2道熱段焊口和4道過渡段焊口組成，分別連接反應(yīng)堆壓力容器、 蒸汽發(fā)生器、 主泵泵殼形成閉合回路。核電站焊接接頭形式眾多，主要有低合金鋼、鎳基合金、不銹鋼材料對(duì)接接頭；不銹鋼堆焊；鎳基合金堆焊；各種材料的角焊；異種金屬接頭；“J”型接頭等。表1為壓水堆核電站典型的焊接接頭應(yīng)用部件及選用材料。

圖2 人體關(guān)節(jié)部位名稱及其作用示意圖

表1 壓水堆核電站典型的焊接接頭應(yīng)用部件及選用材料

人體不同部位的關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)和作用不盡相同。以人體膝關(guān)節(jié)為例。圖3為膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。膝關(guān)節(jié)主要由中間軟骨及兩側(cè)的股骨與脛骨組成，是人體重要的承重結(jié)構(gòu)之一。需要強(qiáng)調(diào)的是中間軟骨與兩側(cè)股骨與脛骨在結(jié)構(gòu)和組成上并不相同。同時(shí)，由于膝關(guān)節(jié)負(fù)重很大，移動(dòng)更多因此也是人體最易受傷的部位。與之類似，在核電站一回路高溫水環(huán)境中服役的壓力容器接管和不銹鋼主管安全端的連接是位于壓力邊界的關(guān)鍵位置。關(guān)節(jié)軟骨最重要的作用之一就是緩沖與吸收兩側(cè)骨組織直接連接導(dǎo)致的摩擦與震蕩。類似的是由于低合金鋼與不銹鋼兩者材料線膨脹系數(shù)差別較大，在焊接的結(jié)合面上會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為了考慮“關(guān)節(jié)”的在服役工程中的安全性，減少焊縫兩側(cè)的應(yīng)力差，壓力容器安全端與主管道的連接是用異種金屬作為過渡材料。通常是采用鎳基合金焊絲（690類如152和52合金）或不銹鋼焊絲（如309L和308L）來焊接。結(jié)構(gòu)示意圖可見圖4。軟骨是關(guān)節(jié)最易損傷的部位之一，而接管安全端焊縫是核島主設(shè)備制造的難點(diǎn)，同時(shí)也是核電運(yùn)行過程常發(fā)生破裂失效的部位。這兩者具有一定的相似性。

圖3 人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 安全端異種鋼焊接結(jié)構(gòu)示意圖[3]

身體各部位生理活動(dòng)的需要決定了關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，人類關(guān)節(jié)可主要分為頸關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等。核電站各系統(tǒng)組件運(yùn)行同樣需要各類焊接接頭的支撐。以蒸汽發(fā)生器為例，其主要形式有蒸汽發(fā)生器處的管板堆焊，下封頭內(nèi)壁與載熱劑接觸的表面堆焊，下封頭進(jìn)出口接管安全端焊接以及水室隔板與下封頭的焊接。關(guān)節(jié)的作用是減震，保障人體完成旋轉(zhuǎn)類運(yùn)動(dòng)，提升身體的穩(wěn)定性即促進(jìn)力的傳遞和保護(hù)。因此在生理病變和外力作用下，像韌帶損傷，疲勞，脆性組織，錯(cuò)位，撕裂等成為了關(guān)節(jié)處主要出現(xiàn)的病理性問題。焊接接頭在制備和應(yīng)用過程中同樣會(huì)因?yàn)闊彷斎肱c外力作用出現(xiàn)質(zhì)量問題，譬如產(chǎn)生焊接熱裂紋、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、脆化、疲勞、焊接應(yīng)力和焊接變形等。關(guān)節(jié)的生理病因與焊接接頭常見的失效形式可見表2。

表2 關(guān)節(jié)的生理病因與焊接接頭常見的失效形式對(duì)比表

人體關(guān)節(jié)從幼年至老年有著一個(gè)成長(zhǎng)到衰老的變化過程。幼年至老年階段分別經(jīng)歷襁褓脆弱期，青年黃金期，中年乏力期，與老年退化期。不同階段不同部位，關(guān)節(jié)的損傷情況也大不一樣。與之類似的是焊接接頭在服役期間也經(jīng)歷不同的失效形式。關(guān)節(jié)隨時(shí)間的變化過程與焊接接頭失效案例的對(duì)比可見表3。

表3 人類不同年齡段關(guān)節(jié)隨時(shí)間的變化過程，以及焊接接頭失效案例

3. 追本溯源：關(guān)節(jié)的診斷與探傷

對(duì)于人體易受損傷的關(guān)節(jié)來說，醫(yī)用鈦合金的發(fā)展似乎成為了合適的替換材料。同樣，焊接接頭也經(jīng)歷了更新?lián)Q代的過程。以核島內(nèi)部U型傳熱管為例，其所用材料經(jīng)歷了由Cr含量15%的Inconel-600合金到Cr含量30% Inconel-690合金的發(fā)展歷程。安全端異種金屬焊接接頭焊縫金屬也由原先的82/182合金（600 系列）升級(jí)為目前的52/152合金（690系列）。促使材料更新?lián)Q代的一個(gè)很重要的原因是600系列合金在壓水堆核電站實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)并不理想。圖5為美國(guó)的VC Summer壓水堆核電站壓力容器接管-安全端異材焊接件處裂紋的示意圖及形貌。與關(guān)節(jié)出現(xiàn)的骨裂類似，應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭最為危險(xiǎn)的失效形式。不管是合金內(nèi)元素成分的異常擴(kuò)散引起的“病理型”裂紋還是諸如負(fù)載條件變化引起的“外傷型裂紋”均與金屬表面在高溫水中的生成的氧化膜的機(jī)制密切相關(guān)。

圖5 美國(guó)的VC Summer壓水堆核電站壓力容器接管-安全端焊接件處裂紋示意圖及形貌[11]

鈣，鎂是人體骨關(guān)節(jié)內(nèi)的重要元素，這些生理元素的流失是導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)部組織產(chǎn)生病變甚至脆化斷裂的元兇。焊接接頭在制備過程中同樣都會(huì)出現(xiàn)類似問題，其靠近熔合線附近的組織復(fù)雜并且存在元素稀釋等現(xiàn)象，容易導(dǎo)致較高的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性[9]。與醫(yī)院的影像技術(shù)和生命元素檢測(cè)手段類似，采用先進(jìn)的顯微鏡與元素分析設(shè)備可以了解到焊接接頭中微結(jié)構(gòu)組成與元素成分的微妙變化。本文作者所在的課題組對(duì)焊接接頭母材與焊縫金屬的微結(jié)構(gòu)與元素成分進(jìn)行了檢測(cè)與分析[8-10]。對(duì)于元素稀釋導(dǎo)致的鎳基合金發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的主要解釋分為以下幾個(gè)階段：（1）在焊接凝固的過程中，晶粒的生長(zhǎng)沿著具有最大的溫度梯度的方向即散熱最快的方向生長(zhǎng)。在熔合線附近存在一個(gè)明顯的 Fe、Cr、Ni 等元素的濃度突變。（2）合金在高溫水中表面生成一層富 Cr 的氧化物。（3）裂紋孕育階段，在這一階段高溫水中氧化膜不斷破裂并被修復(fù)。（4）裂紋成核階段，此時(shí)不斷破裂的氧化膜導(dǎo)致晶界處貧 Cr，不足以修復(fù)富Cr的氧化膜，暴露在高溫水中的貧Cr晶界成為應(yīng)力腐蝕裂紋萌生源頭。

圖6 690合金焊接熱影響區(qū)焊縫熔合線EBSD測(cè)試結(jié)果[8]

圖7 熔合線處309L與308L不銹鋼EBSD測(cè)試結(jié)果[10]

圖8 SEM-EDS測(cè)試結(jié)果：不銹鋼熔合線附近元素的分布[10]

圖9為厚度方向試樣在325℃含氫水中浸泡146h后不同位置的SEM形貌。堆焊層厚度方向上隨著距離異種金屬熔合線越來越近，試樣表面生成的氧化物也有明顯的變化。即在靠近堆焊層表面處，基本上沒有發(fā)現(xiàn)氧化物顆粒，越靠近異種金屬熔合線，試樣表面生成的氧化物顆粒越密集。越靠近熔合線，試樣表面生成的氧化物中Fe元素的含量越高，Cr和Ni元素的含量越低，這與堆焊層鎳基合金的元素分布情況呈現(xiàn)正相關(guān)性；越靠近熔合線，試樣表面中氧元素的含量越高，表明該處更易被氧化。FeCrNi系合金在一回路高溫水中生成的氧化膜分內(nèi)外兩層，外層富Fe，內(nèi)層富Cr，隨著合金中Cr元素含量的增加，高溫高壓環(huán)境中合金表面生成的氧化物顆粒的數(shù)量和長(zhǎng)大速率都會(huì)降低，富Cr氧化膜內(nèi)層反而會(huì)成為擴(kuò)散障礙，阻礙了Fe等元素向外擴(kuò)散，從而減緩?fù)鈱友趸锏男纬膳c長(zhǎng)大。

關(guān)節(jié)柔韌性在不同外力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變化。同樣的，焊接接頭在經(jīng)受不同程度的加工變形后也有著不一樣應(yīng)力腐蝕特性。人體關(guān)節(jié)在一定量的外力沖擊后，骨組織內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)微量變形，骨表面會(huì)變得粗糙，骨質(zhì)會(huì)發(fā)生硬化現(xiàn)象。與之相似，焊接接頭在經(jīng)受不顯著改變材料的微觀結(jié)構(gòu)或者亞結(jié)構(gòu)的變形時(shí)，通常會(huì)增加材料的屈服強(qiáng)度，降低塑性，增加位錯(cuò)密度。特別是在晶界附近引起位錯(cuò)的聚集產(chǎn)生位錯(cuò)取向和微應(yīng)變。而且這一過程增加了金屬的活性，導(dǎo)致保護(hù)性的氧化物減少。高的氧化活性促進(jìn)了晶界的局部氧化，有利于晶間裂紋的形成，并且由于材料的變形能力降低，應(yīng)力集中在裂紋尖端會(huì)成為裂紋擴(kuò)展的導(dǎo)火索。圖9給出了600合金焊接熱影響區(qū)試樣在模擬壓水堆一回路水中試驗(yàn)4359.5h后斷口的SEM形貌。

圖9 厚度方向試樣在325℃含氫水中浸泡146h后不同位置的SEM形貌[10]

圖10 600合金熱影響區(qū)試樣在模擬壓水堆一回路水中試驗(yàn)4359.5h后斷口的SEM形貌[15]

社會(huì)的進(jìn)步離不開能源的幫助，實(shí)現(xiàn)核能大規(guī)模安全發(fā)展，和平利用的過程可謂之長(zhǎng)路漫漫。綜合各方的研究成果，理論與實(shí)踐并進(jìn)，消除“易損傷的關(guān)節(jié)”對(duì)核電站安全運(yùn)行所起到的威脅。保障國(guó)家能源安全提升核工業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，核材料與腐蝕與防護(hù)科技工作者們自當(dāng)上下而求索。

4. 結(jié)語(yǔ)

流動(dòng)的中國(guó)充滿著蓬勃發(fā)展的活力，新時(shí)代下的新型經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展離不開清潔能源特別是核能的高效安全利用。能源與材料相輔相成，是社會(huì)進(jìn)步的基石，核電材料的健康穩(wěn)定是核電長(zhǎng)期安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。重點(diǎn)關(guān)注焊接部位，掌握科學(xué)規(guī)律，系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)和工藝評(píng)定，從制備工藝優(yōu)化入手獲得合適的材料和力學(xué)性能，營(yíng)造適合的服役水質(zhì)環(huán)境，發(fā)展有效的缺陷監(jiān)檢測(cè)技術(shù)，使焊接部位這種“易損傷的關(guān)節(jié)”得到“精心呵護(hù)”，避免提前發(fā)生損傷，提升核電設(shè)備與材料的安全服役可靠性。實(shí)現(xiàn)核能的綠色安全發(fā)展，提升我國(guó)核工業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。核電材料與腐蝕與防護(hù)科技工作者們當(dāng)全力以赴，保安全促高效，化使命為戰(zhàn)衣，以勤奮作亮劍，在國(guó)際上打造安全核電的中國(guó)亮麗名片而繼續(xù)不懈努力。

致謝：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51771107） , 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0703002）。感謝本文寫作中寧飛和唐元杰兩位同學(xué)的討論和建議。

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