Ti-35合金制核级乏燃料后处理装置的质量控制

魏 侃 宋品玲 叶建林 张 成

（西安优耐特容器制造有限公司)

Ti-35合金制核级乏燃料后处理装置的质量控制

魏 侃*宋品玲 叶建林 张 成

（西安优耐特容器制造有限公司)

Ti-35合金，是一种可应用于核电领域的新型钛合金材料。介绍了Ti-35合金制核级乏燃料后处理装置质量控制的一些重要因素。根据Ti-35合金材料的特殊性，选择特殊的过程控制方法，就可以保证核级乏燃料后处理装置的质量。

乏燃料 后处理装置 钛合金 质量控制 焊接 压力容器

0 前言

乏燃料是指核反应堆中，辐射达到计划卸料的比燃耗后，从堆中卸出且不再在堆中使用的核燃料。乏燃料后处理过程，就是使化学分离的铀成分、未使用的铀和超铀核素返回到反应堆循环的过程。乏燃料后处理装置即为完成后处理过程的装置，属于压力容器的一种。压力容器广泛应用于国民经济各个领域，作为一种特种设备，其质量与人们的生命和财产安全息息相关。乏燃料后处理装置作为核级压力容器，其质量问题就显得尤为重要，一旦发生事故，其危害程度是无法估量的。本文就影响压力容器质量的几个因素，结合Ti-35合金材料的特点，分析核级压力容器制造过程中进行质量控制所需采取的具体措施。压力容器的质量包括设计质量、制造质量和安装质量三个方面，其中制造质量的好坏起着关键作用。要提高压力容器的制造质量，重点是要加强制造过程的质量控制，只有把握好制造过程中每个细节，控制好每个环节，才能真正保证压力容器产品的质量[1]。

1 原材料和零部件质量控制

原材料和零部件的质量作为制造过程中的首要环节，直接影响产品的最终质量。Ti-35合金，作为一种新材料，包括其板材、管材、换热管、锻件、棒材等，应严格根据西北有色金属研究院的企业标准进行验收。如果材料用于核工业领域，供货方还应取得国家核安全局颁发的相应资质证书，检验试验人员也应取得民用核安全设备制造相应的资质证书。检验人员根据Ti-35合金的相关标准、图纸及企业规程对原材料和零部件进行检验验收，且需经过制造厂材料责任师确认合格后，才能入库。不合格品必须进行标识和隔离。合格的原材料和零部件必须有符合要求的质量证明书、检验记录、检验报告以及化学性能和力学性能报告[2]。

2 制造工艺

不同于一般的压力容器，Ti-35合金制核级压力容器在制造前期应编制完成产品质量计划和详细的制造工艺。质量计划需通过用户、设计、制造厂三方审核会签，设置质量控制点，并在国家核安全局备案，方可生效执行。制造前期应完成相关的过程试验，编制详细的制造工艺规程。对于每一个工艺工装都应严格要求，以保证后续制造过程的顺利进行，确保工艺的可操作性。作为关键的零部件，封头成形是设备制造过程的一个关键环节[2]。

在制造前期，应完成Ti-35合金封头的冲压工艺评定，以确定符合规范的最优工艺参数。封头料采用水切割下料，清理干净后，双面涂抹KBC-12高温防氧化涂料，自然风干时间超过24 h。

封头冲压前，全面检查油压机设备，开启电源、油路，设备应运行正常，不漏油，上下顺畅。根据不同规格的封头尺寸选择模具，要对上下模具表面进行仔细清理、打磨。模具安装后，须核对上下模位置及间隙，所有紧固件应拧紧，以确保安全。按照封头成形工艺评定的参数进行封头的冲压：板料≤500℃时进炉，随炉升温至 580～650℃，炉内热电偶搭工件控温，保温15～25 min，炉内保持微氧化气氛。装料时，须保证材质标记在毛坯的下表面，以便冲压后露于外表面。板料出炉压制，控制终压温度≥550℃；然后，封头在空气中冷却并脱模；封头温度降至200℃后，方可小心地将其从下模底下取出，以防变形；封头取出后不得放在风口，以防止冷却不均产生变形。

封头成形后，按图纸及 GB/T 25198—2010《压力容器封头》标准进行尺寸检验及表面检验，表面不得有划伤、皱折等缺陷。验收合格后，对封头全表面进行石英砂喷砂处理，以保证防氧化涂料去除干净。之后对封头内外表面进行渗透检测，符合NB/T 47013.5—2015Ⅰ级要求为合格[3-5]。

3 焊接技术

Ti-35作为一种新材料，其焊接技术尤为重要。制造前期应根据产品结构完成Ti-35材料的焊接工艺评定，确认正确可行的焊接工艺参数。根据国家标准、图纸及技术条件要求，制定详细的焊接工艺规程及焊接工艺文件。严格按照焊接工艺文件对焊接过程的质量进行控制。

3.1 人员

焊接操作人员、焊接检验人员及质保监察人员，应取得国家核行业资格证书，在设备制造过程中履行相应的职责。

3.2 焊接材料

Ti-35焊接材料，应满足国家标准及西北有色金属研究院的企业标准。对于焊材的验收、入库、使用，均应严格按照相关标准及作业文件执行。

3.3 焊接设备

所有与焊接相关的设备，要有专人管理，要满足使用要求。

3.4 焊接环境

通过菲绕啉试验对焊接环境进行控制，以确保满足要求。

4 制造过程控制

制造过程控制是该设备制造的关键环节。核级压力容器制造过程中，对制造环境要求相当苛刻，应设置专用场地，并采取相应的保护措施。对备料、下料、卷制、组对、焊接、胀接、零部件机加工等过程均应严格按照标准、图纸及技术条件进行控制。整个制造过程中最关键的环节为焊接过程。

4.1 焊前准备

施焊前应检查施焊件的坡口质量，用丙酮清理焊接坡口及其两侧50 mm宽的区域，确保这些部位无杂物、油迹及铁离子污染。点焊时，点焊处不允许有表面缺陷及氧化现象，并尽量使其外形不要有明显凸出或凹坑的现象。焊丝在使用前应用丙酮擦洗，以确保焊丝表面清洁。擦拭后的焊丝放置在专用的焊丝筒中，以防止空气浮尘中的铁离子污染焊丝。在施焊前，还应检查焊机运行情况，保证焊机运行正常，保证焊接保护气体满足焊接要求。

4.2 焊接

焊接过程中严格按照焊接工艺参数进行施焊，保证施焊工件及环境的清洁。多层焊的焊缝每焊完一层必须认真检查和清理焊缝表面，发现焊缝表面有焊接缺陷或局部氧化现象时，应先将存在表面缺陷及局部氧化的焊缝打磨清理干净，然后再进行下一层焊接[4]。

5 可靠性质量控制方法

5.1 焊接接头检测

焊接完成后，检验人员应按照 JB/T 4745—2002《钛制焊接容器》标准要求进行焊缝外观检查，要求焊缝表面呈银白色，无气孔、裂纹等表面缺陷。外观检验合格后，进行射线或渗透无损检测。A、B类焊缝按 NB/T 47013.2—2015(B级）Ⅰ级为合格，每100 mm焊接接头长度内允许的缺陷数量＜3，允许的缺陷大小 （单个气孔）≤0.8 mm。由于Ti-35合金中有Ta元素存在，因此射线检测过程中应采用专用的Ti-35像质计，以确保底片灵敏度。Ti-35合金的焊接接头射线底片异于常规的钛合金，因此在底片评定过程中，应根据Ti-35合金试件对比底片，以完成底片评定工作。C、D类焊缝按NB/T 47013.5—2015Ⅰ级为合格。对于特殊结构的角接焊接接头，无法进行射线检测，为了确保其质量，应在焊接过程中逐层进行100%渗透检测。检测时要先充分去除焊缝表面的油脂、涂料、锈蚀、水等影响渗透液渗透的污物，然后通过渗透、清洗、显像、观察四个步骤检测焊缝表面。如果焊缝上有未熔合、气孔、裂纹等表面开口缺陷，就可以直观地显示出来[4－5]。

5.2 液压试验

液压试验过程是该设备制造的最终质量控制环节，一般采用水压试验。对于钛合金材料，试验水质中氯离子的含量通常应控制在20 mg/L以下。对于Ti-35合金制容器，对水质控制要求更加严格，应使用去离子水进行水压试验，并附有水质报告。对特殊结构形式的设备，应配有相应的打压工装。在常温下进行液压试验，试压时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽。在打压设备的最高点处安装2块压力表 (量程为试验压力的1.5～3倍)。设备内充满水，将所有开口封闭。当容器壁温与水温接近时，用试压泵加压，缓慢升压至设计压力，确认无泄漏后继续升压到规定的试验压力，保压30 min。然后降压至设计压力，保压足够时间并进行检查。试验过程中，用压缩空气吹干接管法兰密封面、管板密封面、焊接接头及焊接相关部位，保持观察表面的干燥。对所有的检测部位进行检测，不允许出现变形、异常响声、泄漏等情况。

5.3 气密性试验

气密性试验在水压试验合格后进行。试验前安全附件应装配齐全，试验压力为设计压力的1.0倍或按图样规定。试验时，应缓慢升压至试验压力，保压30 min，然后对所有焊接接头及连接部位进行检查。如有泄漏，应将压力降至零，再进行处理。查明泄漏原因，消除隐患后再继续重新进行试验。用毛刷在钛焊缝表面涂刷肥皂水，如果焊缝存在贯穿性气孔、裂纹、未熔合等缺陷，泄漏的压缩空气就会使钛焊缝表面产生肥皂泡。气密性试验无泄漏为合格。

5.4 氦泄漏检验

试验前，先校准氦质谱检漏仪。依据氦检漏试验方案，从接管通入浓度不小于10%的氦气，达到试验压力后，对容器整体进行检漏，泄漏率小于1×10-7(Pa·m3)/s为合格。对于特殊部位，如氦检漏工装覆盖区域，在第一遍检漏完成并确认合格后，将工装位置调整，再对原覆盖区域重新进行检漏，直至最终确认合格[6]。

5.5 表面处理

钛合金材料的表面处理方法可分为5大类：机械法、化学法、机械化学法、电化学法和物理法。对于Ti-35合金制容器，依据相关设备的表面清洁工艺进行质量控制。推荐选择机械法对设备表面进行表面处理，可采用的表面处理工具为不锈钢钢丝刷、砂纸、百洁布。

6 结论

Ti-35合金制压力容器制造过程的质量控制对设备性能影响较大，建立完善的质量控制体系是控制设备质量的关键。本文根据公司多年的研究成果和经验数据，从原材料采购、容器制造过程及可靠性检验过程等方面，详细阐述了Ti-35合金制设备质量控制体系的建立和运行，并提出了以下要点。

（1）换热管与管板焊接接头的可靠性是关系到该Ti-35合金设备可靠性最重要的因素之一。渗透检测是对焊缝质量控制非常有效的表面检测方法。氦检漏检测对介质泄漏的感应灵敏度能达到不大于1×10-7(Pa·m3)/s的精度，进一步提高了Ti-35合金制容器的检测效率，为Ti-35合金制容器的产业化提供了可靠的检测手段。

（2）进行射线检测时，应使用专用的Ti-35像质计，并根据Ti-35合金试件对比底片进行底片评定，严格执行相应的评定标准。

（3）设备组装时平行度对设备的安全使用非常重要。推荐采用直板尺、工装及激光测距仪进行现场测试组装并检验，这样可以起到非常好的效果。

[1]民用核安全设备无损检验人员资格鉴定委员会.无损检验概论及民用核安全设备的基本知识 [M].北京：中国标准出版社，2011.

[2]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.热交换器：GB/ T 151—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

[3]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.压力容器：GB 150—2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

[4]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.钛制焊接容器：JB/T 4745—2002[S].昆明：云南科技出版社，2003.

[5]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.承压设备无损检测：NB/T 47013—2015[S].北京：新华出版社，2015.

[6]国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材编审委员会.泄漏检测 [M].北京：机械工业出版社，2005.

Quality Control of Ti-35 Alloy Post-processing Device for Nuclear Grade Spent Fuel

Wei Kan Song Pinling Ye Jianlin Zhang Cheng

Ti-35 alloy is a new type of titanium alloy material,which can be used in the field of nuclear power.The important factors that influence the quality control of the Ti-35 alloy post-processing device for nuclear grade spent fuel are introduced.And according to the particularity of Ti-35 alloy,the special process control methods can be used to ensure the quality of post-processing device for nuclear grade spent fuel.

Spent fuel;Post-processing device;Titanium alloy;Quality control;Welding;Pressure vessel

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.017

2016-10-20)

*魏侃，男，1987年生，助理工程师。西安市，710201。