理化检测新技术在核电设备制造中的应用

李华纲， 陆连萍， 唐伟宝

（上海电气核电设备有限公司，上海201306）

在中国核电规模发展的进程中，如何在确保产品质量的前提下，通过技术进步来提高制造能力、推进核电又好又快发展是摆在我们面前的挑战。金属材料理化检测不仅是材料技术的重要组成部分，也是新材料开发和应用的基础，更是产品制造过程中必要的控制手段和产品竣工报告数据可靠性的质量保证。随着第三代核电技术的开发、应用，核电设备设计对材料性能提出了越来越高的技术检验要求。在此形势下，必须相应地开展理化检测新技术、新方法研究，以不断提高理化检测技术的准确性，缩短检测的周期，最终满足核电技术发展的要求。

本文通过对检测方法的研究，经过检测设备改造和理化试样加工方法的改进来提高检测效率，缩短理化检测周期，提高检测精度，更好地确保核电设备的质量，推进核电设备的制造进程。本文涉及的新技术已在上海电气核电设备有限公司红沿河百万千瓦级核电项目蒸汽发生器设备制造中得到了成功应用。

1 检测新技术在核电设备制造中的应用

1.1 冲击试样加工方法的改进

核电主设备材料性能检验的冲击韧性试样数量较多，试样加工花费时间较长。通过改进试样加工方法，既确保了冲击试样的加工质量，又提高了试样加工速度，是提高加工效率的有效途径。方法比较如下。

（1）加工流程

传统加工流程：锯床（下毛坯料）→车床（逐根进行粗加工）→磨床（精加工至标准尺寸）。传统加工方法的缺点：加工工序多，磨床加工时间长，整个加工周期冗长，严重使试样的检测周期滞后。

改进后的加工流程：锯床（下毛坯料）→车床（6根冲击试样同时精加工至标准尺寸）。新加工方法的特点是经过2道工序就结束了冲击试样的加工，不用磨床，且车床采用创新工装，可以使6根冲击试样同时加工完成，试样尺寸精度达到标准要求。

上述改进加工方法（如图1所示）在国内属首创，得到了同行业专家的认可，并在红沿河百万千瓦级核电项目蒸汽发生器制造中得到成功应用。

图1 自制冲击试样加工装夹工装

（2）加工精度比较

以一组冲击试样加工（共3个冲击试样）为例，传统加工方法和改进加工方法加工试样的尺寸比较如表1所示。

由表1的数据可看出，改进加工方法后的冲击试样尺寸完全符合试样精度要求，且工作效率提高了一倍，为整个检测周期抢出了宝贵的时间。

表1 两种加工方法试样尺寸比较 mm

1.2 落锤试样加工方法的改进

落锤试验是用来测量金属材料产生脆性断裂的一种试验方法，在核电设备制造过程中是用于判断金属材料和堆焊焊道性能的重要手段之一。对于落锤试验，其试样的加工精度以及裂纹源焊道开槽位置的准确程度决定了落锤试验冲击的准确性。传统落锤试样加工方法中采用锯床切割毛坯后，经砂轮机打磨成型，此方法对加工操作者要求较高，需要凭借个人经验才能掌握好加工尺寸，不同的操作者加工后的试样不尽相同，质量较难控制。在红沿河项目核电产品制造中使用锯床切割毛坯加铣床铣削加工工艺，保证了试样的几何尺寸精度。落锤试样加工准备情况如图2所示。

图2 准备加工的落锤试样

落锤试样的裂纹源焊道缺口尺寸加工要求十分严格，宽度≤1.5mm，缺口底部到试样表面的距离为1.8～2.0mm，传统的方法是采用手工锯缺口，这样做不但尺寸很难保证，而且容易破坏试样表面。为此，设计了专用的工装夹具，使开槽只需调整一次铣刀与试样表面的位置，适合于不同类型的落锤试样（P1、P2、P3型）的加工，保证了裂纹源焊道槽口的几何尺寸精度以及槽口位置，从而确保了落锤试验结果的正确性和有效性［1］。落锤裂纹源焊道槽口工装夹具如图3所示。

图3 落锤裂纹源焊道槽口工装

1.3 高温拉伸试验用高温炉的技术改造

理化试验室使用的高温拉伸试验机根据标准配置的是一套高温加热炉装置，以1根300℃高温拉伸试验为例，从试样加热到保温直至试样拉断大约需要50min，对于300℃以上高温试验，则时间更长，且试样夹持的工装夹具不易操作，更延长了试验时间。以工作时间8h／d来计算，一天最多只能完成8～9根试样，这与目前核电设备制造产能要求严重不符。为此，通过学习借鉴，并对现有设备技术改造的可行性进行研究，设计并制作了可转式3炉高温控制装置，从而使高温拉伸试验机可同时对3根试样进行加热保温，将整个试验周期缩短为原来的1／3，确保试验效率符合产品制造的实际需求。改造前、后理化高温加热炉装置如图4和图5所示。

图4 改造前单炉装置的拉伸试验机

经过改造后的多炉温控设备采用一炉一温控方式，设定温度后每个加热炉用3根热电偶分别对上、中、下3个位置进行实时温度监测，测定的数据结果比较如表2所示。

图5 改造后多炉装置的拉伸试验机

表2 温控设定温度与实测温度 ／℃

由表2数据分析可见，多炉温控加热炉的各炉炉内温度均匀、稳定。实测温度与设定温度偏差符合法国 高 温 拉 伸 RCC－M［RCC－M MC 1212TENSILE TESTING AT HIGH TEMPERATURE试验］标准要求的误差范围。

1.4 金相检验腐蚀剂的改进

金相检验中很重要的一个环节是金相组织的显示、分析和判断。如果没有好的显示效果，往往会产生误判断，从而导致错误的结论。在核电产品的制造中，大量采用了异种钢焊接技术，如低合金钢与不锈钢的焊接。对低合金钢与不锈钢异种材料对接的焊接接头，传统的方法是使用草酸电解或王水腐蚀法，这样做不锈钢材料一侧的显微组织显示得较清楚，但是因为低合金钢材料比不锈钢易腐蚀，如用同样的腐蚀时间，低合金钢材料一侧会因腐蚀时间过长而造成显微组织显示模糊，易导致观察困难并使一些不明显的缺陷被疏忽［2］。

在红沿河核电产品的制造中，根据低合金钢和不锈钢腐蚀性能的差异，使用铬酸电解＋硝酸酒精腐蚀方法，不锈钢和低合金钢的显微组织都可清晰地显示，宏、微观检验效果更好，使采用传统侵蚀剂容易忽略的组织缺陷更加清楚。

以图6和图7为腐蚀剂改进前后的微观组织对比图。

图6 改进前的晶相组织效果图（微观1∶200）

图7 改进后的晶相组织效果图（微观1∶200）

1.5 管子管板检验方法的改进

管子管板焊接接头的特点是在这很小的焊接区域内，一些微小的缺陷在焊接应力作用下会逐渐扩展形成裂纹。这种裂纹使产品在使用周期内提前失效并造成严重后果［3］，对管子管板焊接接头晶相检验技术提出了较高的要求。

根据管子管板焊接接头金相分析试样的特殊性，开展了从研磨、抛光到侵蚀剂选择等一系列的改进试验，最终在已有的试验室条件下取得了令人满意的试验效果。

相比于常规的磨样，对管子管板焊接接头试样增加了一道细砂纸研磨，同时，使用更为合适的呢绒布代替原先的丝绒布进行抛光，大大提高了效率。侵蚀剂改用新的配方（5%醋酸＋10%硝酸＋85%水）并电解1min（电流控制在3A），解决了原有金相照片不清晰和反酸的问题。各效果见图8～图10。

1.6 扫描电镜技术的应用

扫描电镜作为现代先进检测技术，通过对材料的断口分析，为材料内在组织及焊缝缺陷等提供科学依据，能从不同的角度对金属材料验收、产品与焊接试件焊缝缺陷原因分析起到举足轻重的作用，为工程应用中的缺陷判断和后续处理奠定了基础。

图8 改进前、后的宏观效果

图9 改进前、后的微观效果

图11为某核电项目产品冲击试验结果异常的试样，使用扫描电镜技术对冲击试样断口进行金相和能谱分析，发现在其断口面存在夹渣物，从而找到了材料冲击韧性不合格的原因［4］。

图10 反酸的微观效果（1∶200）

图11 冲击断口夹杂物分析（1∶500）

图12为焊接后的某原材料的裂纹截面，对其进行了扫描电镜分析并结合现场金相分析，判断其母材存在缺陷［4］。

图12 母材裂纹缺陷（1∶900）

1.7 现场金相检验技术的应用

在核电设备实际制造中，往往会因原材料暗藏的质量问题而在产品后序加工工序中反应出来，严重影响了产品质量和项目进度。如某核电产品接管锻件内表面下存在超标夹杂物等缺陷，入厂复检中采用无损检测方法并不能检出；当接管内表面堆焊后，这些隐藏的缺陷因焊接应力、结构拘束力和异种材料物理性能的差异产生了裂纹［5］，对于这种缺陷的分析，在不能破坏产品的前提下，可采用现场金相检验技术进行分析。在此检验过程中，考虑到材料的特殊性，如按照常规的操作既费时又费力，还得不到理想的效果，为此，采用酒精冲洗和抛磨相结合的方法以提高检验质量和速度，为发现缺陷产生的原因提供了有力的手段。图13和图14为放大100倍和400倍的接管内表面裂纹和缺陷照片。

图13 接管内表面裂纹和缺陷照片（1∶100）

图14 接管内表面裂纹和缺陷照片（1∶400）

2 结 语

理化试验和检测是确保核电产品制造质量的重要手段，本文所述的理化试样加工和检测所采用的新技术，是在总结传统加工和检测方法的基础上，结合上海电气核电设备有限公司核电产品材料试验所涉及的具体技术和工艺的特点进行的改进创新尝试，并在红沿河项目核电产品制造中得到了成功的应用，目前，上述技术已广泛应用于所有核电产品制造中。

［1］荣烈润.微细切削加工技术［J］.金属加工冷加工，2011，（23）：36－39.

［2］高汉文.金相分析技术［M］.上海：上海科技文献出版社，1987：105－107.

［3］任颂赞，张静江，陈质如，等.钢铁金相图谱［M］.上海：上海科学技术文献出版社，2005.

［4］威廉·劳斯特克.金相组织解说［M］.刘以宽，译.上海：上海科学技术出版社，1984：76－78.

［5］埃里希·福克哈德.不锈钢焊接冶金［M］.栗卓新，朱学军，译.北京：化学工业出版社，2004：213－215.