激光喷丸技术在核电设备上的应用

吴树辉，黄科峰，胡金力，陈国星

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

随着我国核电建设的快速发展，将有越来越多的核电设备投入运营，尽管设备材料在一定程度上会有所更新，但随着运行时间的延续，构件的老化、疲劳、应力腐蚀这些问题仍是不可回避，这些问题仍然是影响设备安全可靠运行的重要因素。近30年国内外核电厂的实际运行情况也证实了这一点，相当一部分核电设备和结构达不到设计寿命，实际运行寿命仅达到设计寿命的20%左右[1]，这种局面目前仍未得到根本性的改变。以反应堆压力容器（RPV）为例, 辐照脆化和应力腐蚀开裂仍是决定其寿命的关键因素，如何对在役设备的薄弱部位进行强化，从而达到对设备的有效保养、延寿的效果，提高其安全稳定运行的水平，无论从经济效益还是社会效益都非常值得关注。激光喷丸技术在航空领域对航空部件的成功应用，以及取得的显著强化效果，显示了该技术在设备延寿方面的潜力，为其在核电领域的应用奠定了基础。

激光喷丸技术是20世纪70年代发展起来的一种新型表面强化技术。由于激光喷丸处理与其他喷丸技术比较，实施作业时没有反弹介质及反作用力产生，又能够实现精确遥控操作，由于不使用钢砂等喷丸介质，因此，不存在影响设备正常运行的残留物，而且对一些狭窄区域或形状特殊的部位能够实现完整的作业[5]。更为关键的一点，同一构件，激光喷丸的效果比普通喷丸要优异得多，形成的压应力层深可以达到1 mm，而且不会伤及构件的表面。由此推断，激光喷丸是特别适合于核电设备保养延寿的技术。但由于核电设备的服役环境明显有别于其他的设备，许多设备的不可拆卸及辐照环境，要实现该技术的现场应用，与航空部件上的应用还有许多明显的不同之处，还有待于针对性的深入研究与开发。

1 激光喷丸技术

激光喷丸技术又称激光冲击处理技术，是随着强脉冲激光的出现而发展起来的一项技术。是利用1～50 ns的高峰值功率，功率密度大于109W/cm2脉冲激光束照射被处理的构件表面，在被冲击构件的外表面由于吸收激光能量，在被处理基体的表面,发生爆炸性汽化蒸发，产生高温高压的等离子体，该等离子体受到约束层的约束作用（见图1）,其高强度的应力冲击波将冲击金属表面,并向构件的内部传播。当激光冲击波的冲击力大于被冲击材料的屈服强度时,在构件的表面,就会发生塑性变形，微观结构上会产生孪晶等晶体缺陷，会形成极其细小的位错亚结构，在构件的表层形成很大的残余压应力层，从而使材料的近表面层的强度、硬度和抗疲劳、抗腐蚀性能都得以大幅度的提高。相当于对构件表面进行了塑性加工，使表面形成残余压应力的一项强化技术。与常规的表面强化工艺相比，激光冲击强化处理对材料表面基本上无热损伤或机械损伤，激光冲击处理能获得比普通喷丸深约2～5倍的残余压应力层，能保持材料表面光洁度，适合于处理那些表面质量要求较高的精加工部件或成品件，对投入运营的核电机组来说，核岛内有些部件不能拆下来处理,而且很多部件处于水环境中，因此，对于在役核电设备而言，与航空部件的处理明显不同：一方面，无法实现喷丸前在被处理部位的外表面贴吸收层,且有许多工作需在水下完成（见图2）；另一方面，核岛内构件有些是处于辐照区,有些是作业空间狭窄等客观条件，都决定了要实现在役核电设备的喷丸处理，必须因地制宜，开发一套能够远距离操作，实现激光的准确传输，终端能量的准确计量的作业系统。

图1 激光喷丸的基本原理示意图[4]Fig.1 Fundamental principle schematic of laser-peening

图2 水下激光喷丸示意图[2]Fig.2 Schematic of underwater laser-peening

2 核电厂应力腐蚀现状

核电厂设备多因为各种不易克服的损伤（如应力腐蚀、疲劳等）而提前退役（见图3），当然，随着材料科学的发展，采用性能更优异的材料，可以一定程度的缓解应力腐蚀或疲劳导致的破坏发生，但对于已投入运营的机组，更换新材料做成的配件，有很大的局限性。而且核电厂内大部分重要设备属于不可更换或者极难更换的范围，如反应堆压力容器（RPV）在安全上处于特殊地位，在电站寿命管理中，RPV被定义为“不可更换的敏感类设备”；蒸汽发生器也是不可轻易更换的设备。决定这些设备寿命的主要因素之一就是应力腐蚀开裂[3]。因此，利用表面强化技术，对易出现老化或应力腐蚀的部位进行现场强化处理,是最为现实可行的有效措施之一。

核电厂的应力腐蚀破裂事件大部分与270～345 ℃范围的高温水质环境相关，主要材料是不锈钢、镍基合金、锆合金以及低合金钢。从技术角度讲，比较适合进行激光喷丸处理。

图3 某核电厂蒸汽发生器及控制棒导管出现的应力腐蚀裂纹Fig.3 The stress corrosion crack of steam generator and control rod catheter in some nuclear power plants

2.1 沸水堆应力腐蚀

沸水堆核电站中主要应力腐蚀破裂问题的历史演变如表1所示。该堆型在历史上发生重大损失的典型问题是发生在20世纪70年代及以后的不锈钢等材料再循环管道的晶间应力腐蚀破裂（IGSCC）。美国沸水堆在1980—1994年由于腐蚀问题导致的功率因子损失数值平均值为5%以上，在1984年达到峰值超过18%。在峰值时的功率因子损失几乎都是由再循环管道晶间应力腐蚀破裂造成的。

2.2 压水堆应力腐蚀

压水堆核电站上发生应力腐蚀破裂的部位主要有蒸汽发生器传热管、蒸汽发生器以外的镍基合金部件及焊接件、主回路不锈钢管道和高强合金螺栓、堆内的燃料包壳和结构部件等。美国压水堆在1980—1994年由于腐蚀问题导致的功率因子损失数值有一些差异，其平均值也在5%以上，在1982年达到峰值，大约为8%。

3 核电厂应力腐蚀问题的解决方法

核电厂应力腐蚀是核电领域亟待解决的重要问题之一，抗应力腐蚀研究在核电设备安全领域占有重要地位，现在国内外很多专家做了相关研究，针对产生应力腐蚀的条件，出现了一些解决方法，但是各有优缺点。

（1）防腐处理，可采用多种防护措施，如涂层、衬里或阴极保护等，还可在介质中加入缓释剂，由于核电的很多设备含有放射性，涂层等措施都会受到应用条件的限制，而且经常停机维护设备，会大大降低核电厂的经济性，核电厂一、二回路水环境对水质有很高要求，而且还会引起其他一些安全问题，不可能加入很多防腐物质。

表1 沸水堆核电站中主要应力腐蚀破裂问题的历史演变Table 1 The evolution of SCC for boiling-water reactor nuclear power plant

（2）选用优质材料，核电厂大量采用了性能更好的金属材料以提高材料抗应力腐蚀的能力，使用优质材料是控制应力腐蚀最简单有效的办法，但是不可能所有部件都更换优质材料，而且新材料也存在各种问题，考虑到经济上的巨大投入，更换材料并不是设备抗应力防腐的最佳选择。

（3）消除应力处理，如常规喷丸、表面热处理、整体高温回火处理、爆炸法、机械拉伸法等。这些方法有一个共同之处，就是使用前设备必须在工厂内就进行应力处理，无法做到对在役核电设备实施。

由于上述几种方法都存在很大局限性，无法全面满足在役核电设备的抗应力腐蚀处理要求，因此，随着核电的快速发展，对能有效提高在役核电设备构件抗应力腐蚀性能，且适合于现场作业的技术手段的开发，变得越来越迫切。通过广泛地调研认识到，激光喷丸技术是比较理想的选择。

4 核电激光技术应用与其他领域应用的区别

激光喷丸技术在核电领域的应用，与其他行业有相同之处，但也有明显的不同。目前，航空航天领域的应用，由于被处理件可以接近作业，可以采用大能量的激光，通过贴吸收层的办法，既保证被处理件不受损伤，又能保证处理效果。但核电设备有很多部位不能直接接触作业，而且很多待处理部位处在水下区域，因此，明显不同的是，要能够实现远距离传输，且要准确把握在传输过程中能量的损耗，及不同介质中传播规律是实现核岛内激光喷丸处理的先决条件。

5 需要突破的技术难题

（1）核电设备的激光喷丸处理，涉及激光发生及传导技术、遥控及自动精确定位的自动化控制技术，是一个典型的跨学科、多项高新技术集成的一项先进的加工技术。但就目前来说，我国在激光发生器的制造及自控技术方面，与发达国家还有很大的差距，涉及敏感的激光技术又会遇到国外的技术封锁，作为一项具有非常重要的现实意义的高端技术，更值得尽早着手开发。

（2）激光在不同的介质中传播，其传播规律、能量变化都会不同，特别是流体的水中传播，由于水不会静止不变，其传播规律就更为复杂，也是要重点攻关的课题。

（3）喷丸效果的评价。由于在大型设备上作业，又不可能局部取样评定，所以，作业前更接近现场环境的模拟试样的设计及工艺评定方案，也是确保处理效果的关键。

6 应用现状及前景展望

东芝公司经过近10年的开发，于2007年正式在核电设备上应用激光喷丸技术（见图4）。目前已经有8台机组的业绩，日本原子能协会专门起草了核电设备喷丸技术应用导则，由于该项技术的应用效果直接，效益显著，解决了关系核电设备安全稳定运行的关键技术问题，引发了很多领域的重视。目前，激光喷丸技术已经得到美国相关部门的认可，将在美国的核电厂应用，EPRI也就该技术与东芝公司开展了实质性合作。

图4 核岛内实施激光喷丸处理示意图[2]Fig.4 Schematic of using laser-peening technique in nuclear island

7 结束语

激光技术本身有很多优异的特性，作为其中应用技术之一的喷丸技术，其显著的强化效果和可操作性，使其有着广阔的应用前景。随着各项相关技术的发展，激光喷丸技术的性价比也会越来越高，也必将成为我国核电设备安全稳定运行的重要保障技术。

[1]唐辉.世界核电设备与结构将长期面临的一个问题——微动损伤[J].核动力工程，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]万里航，刘鹏，陶余春.大亚湾核电站2号机组反应堆压力容器老化现状的初步分析[J].核动力工程，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]邹世坤，王健，王华明.激光冲击处理技术的发展动态[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炉炉心シュラウドへの適用、「材料」（J.Soc.Mat.Scl,japan），Vol.49.