核电高压容器堆焊层磨削技术研究初探

张忠圆

（中国第一重型机械股份公司重装事业部，黑龙江 齐齐哈尔 161042）

1 引言

核电作为一种新型的能源日益受到全世界人们的重视。从上个世纪六十年代，中国就开始了核反应堆的研究。国家规划在2020年前新增3200万千瓦核电装机容量，也就是将当前装机容量的870万千瓦提高到4000万千瓦左右。目前我国已有的11座核电站均采用了压水堆型，存放核燃料压力壳在高温高压条件下长期运行，因此要求反应堆压力壳堆焊层有较好的机械性能和耐腐蚀性，堆焊层抗静水腐蚀性能要求在3000～5000小时左右,腐蚀率≤10mg/dm2·月,以及在含硼水中无应力腐蚀现象。核电的高压容器壳体通常由低合金锻钢16MnD5卷制而成，压力壳内壁均采用大面积双层带极堆焊工艺。其壳体焊缝根据形状可分为纵焊缝和环焊缝。

一般核电高压容器壳体焊缝为达到所需要求，均需经如下加工工序进行处理：①罐体内外纵、环焊缝焊筋磨削。②罐体内外纵、环焊缝焊根清除。③罐体内部堆焊层平整磨削。④各种封头内表面堆焊层磨削及对焊边坡口磨削。由于容器工作条件比较苛刻，除了承受高压之外，还常常伴有交变载荷或冲击载荷，有时还伴有高温和介质腐蚀作用。因此对于它的焊缝堆焊层的磨削有着特殊的要求。

砂带磨削作为一种具有磨削、研磨、抛光多种作用的复合加工工艺，应用范围十分广泛。首先，它的磨粒有着比砂轮磨粒更强的切削能力，所以磨削效率非常高，而且它的磨削温度低，工件表面也不易出现烧伤，微观金相组织变化及裂纹等现象。其次，砂带磨削设备简单，磨削系统振动小且稳定性好，操作简便，从更换调整砂带到被加工工件的装夹，一切都可在很短时间内完成，省工省时，且易于控制，非常安全，噪音和粉尘小，环境效益好。

正是由于核电高压容器堆焊层材料及其工艺上的特殊磨削要求和砂带磨削具有的这些优于其它磨削、特别是手工磨削的优点，才使得砂带磨削成为应用于核电高压容器壳体的堆焊层打磨和表面抛光的第一选择，我国在此技术领域尚属空白，一直以外国进口设备和手工打磨为主。既严重制约了核电高压重型容器的制造，又影响了相关产业的发展。

2 核电高压重型容器制造技术

2.1 砂带磨削技术

就砂带磨削技术而言，目前，国内外都非常重视砂带磨削的理论基础研究和应用研究，并出现了一些新的发展方向，如电解复合砂带磨削，超声砂带磨削以及电镀金刚石金属砂带磨削等，使得砂带磨削技术不断向高效、自动化的方向发展，充分显示了砂带磨削在未来制造业中的强大生命力。国外特别是欧美等工业发达国家，从事砂带磨削技术研究、开发的研究机构和砂带磨床制造厂家（或集团）数量很多且实力雄厚，其成果和产品代表了当今世界砂带磨削技术的最高水平。如在美国，仅3M等几大著名砂带集团就开发了数万余种不同规格的砂带，平均每4台磨床中就有一台砂带磨床，3M公司还专门成立了CAM中心为使用砂带磨削技术提供咨询服务。法国圣戈班公司收购了美国三大砂带集团之一的诺顿（NORTON）公司后,成了世界上最著名的砂带生产商之一。在把重载纸作为砂带基材的研究方面，法国作了大量工作，取得了突破性进展。砂带磨床也朝着小型化、强力、高效、大功率宽砂带磨床方向发展,如美国生产的砂带磨床最大宽度达5.0m,最大功率达200kW。我国在应用砂带磨削方面时间虽早，但发展缓慢，70年代末期直到现在才是我国砂带磨削真正发展的阶段，在理论研究方面，东北大学，重庆大学，华中理工大学，清华大学以及郑州磨料磨具与磨削研究所等单位分别在砂带磨削工艺，特种材料加工等方面有所建树，迅速发展高效砂带磨削工艺。纵观砂带磨削技术的研究和应用状况,我国与国外发达国家仍存在一定差距，需奋起直追。

2.2 核电高压容器堆焊层磨削技术

在核电高压容器堆焊层磨削方面，由于受着自身材料、工艺和质量等方面的特殊要求的影响，使得核电高压容器焊缝磨削成为磨削界的一个较难攻克的课题。

国外对此的研究进行的比较早，取得了一些成就。瑞士和德国在这方面更是做了较多开创性的工作，一直走在世界前列。瑞士的FARROS BLATTER是世界知名的核电高压容器磨锉机生产厂商，它们生产的核电高压容器磨锉机SM300型产品的砂带磨削的切除率最高能达到800g/min,最大加工直径能达到10000mm，可负载250kg,堆焊层磨削的表面粗糙度最小可达到1.6μm,堆焊层磨削的最大尺寸（宽×余高）达到 150×15mm,占据了市场上60%的份额。德国的DEUMA公司推出的RBS7-900型核电高压容器强力砂带磨头，材料切除率可达600g/min,最大加工直径能达到8000mm,被加工表面粗糙度最小可达到1.8μm，堆焊层磨平效率1.7m2/min。

而目前国内由于技术人员知识及相关研究的匮乏，以及观念陈旧，资金投入困难等原因，在此领域还属空白，国产的核电高压容器堆焊层磨削仍然以从外国进口设备和手工打磨为主，前者既没有从根本上解决我国在此领域的技术问题，又大量浪费了国家的外汇资源，且事关国家能源发展的重大装备依旧由国外进行垄断。后者为了达到所需标准要求，往往需要多次反复加工，效率极低，且污染严重。

3 核电高压容器堆焊及焊接工艺

核电高压容器的堆焊层一般都用因科镍690合金和20Cr-10Ni不锈刚两种材料进行堆焊，堆焊两层，即过渡层和耐蚀层，厚度约为5～6mm。为使堆焊层具有良好的抗裂性和塑韧性，按RCC－M中SA3634规定堆焊层铁素体含量应控制在5%～12%之间。在选择堆焊用焊接材料及焊接参数时，必须严格控制熔敷金属中的铁素体含量，过量的δ铁素体在一定条件下会转化成σ相造成脆化，因此在带极堆焊时，除熔深外，还应特别注意相邻焊道之间的搭接量，带极堆焊的搭接量一般应控制在8～10 mm的范围内。按工艺流程又可以分为：管板镍基合金堆焊，管板和下封头的焊接和上、下筒体的最终焊接三个阶段。

砂带磨削是一种高效、经济和适用性强的加工技术，并被称为“万能磨削”和“冷态磨削”。虽然砂带磨削技术在我国经历了30多年发展，在某些领域也取得了成功的应用，但在基础研究方面,特别是在高效强力砂带磨削方面还比较薄弱核电高压容器壳体砂带磨削所涉及的磨削技术是一个基础性研究课题，它需要进行大量实验研究和相关分析，研究得出各种磨削条件对砂带磨削性能的影响。正确地选择磨削条件和调整工艺参数将会提高容器壳体堆焊层的磨削质量和效率，更能降低成本。

结束语

本文研究国内外砂带磨削技术及核电容器堆焊层磨削技术的发展及研究成果，对高效强力砂带磨削的基本原理和相关技术进行了研究分析。下一步的打算是：理论分析砂带磨削过程中的磨削加工机理、磨损机理，并以此为基础研究砂带磨削过程的特征和提高难加工材料砂带磨削性能的方法及途径；完成对高压容器壳体堆焊层材料在各种条件下的材料切除率和磨削力研究实验，分析实验结果找出砂带磨削高压容器壳体堆焊层材料的切除率和磨削力的变化规律和主要影响因素；在材料切除率实验的基础上完成砂带磨削材料表面质量和砂带磨损的基础实验，分析不同种类磨料和磨削不同材料后的砂带和磨削表面的微观形貌，探讨不同磨削条件下的砂带磨粒磨损规律及特征。

[1]吴祖乾，顾永康.核反应堆压力容器主焊缝和不锈钢堆焊层特殊性能研究.材料工程.2000，5：31-32

[2]蔡光起.磨削技术现状与新进展.制造技术与机床.2000，5：10-11