模拟压力管力学性能试验样品制备技术研究

王鑫 刘蔷 刘金平 李志国

摘 要：重水反应堆运行期间，压力管受到中子辐照，同时从冷却剂中吸氢，从而使Zr-2.5Nb材料产生脆化，并具有氢致延迟开裂的趋势。为确保压力管的运行安全，需对Zr-2.5Nb材料辐照后的力学性能及吸氢后的氢致延迟开裂性能进行深入研究，这就需要以服役一定时间或退役的压力管为母材，制备出特定形态的力学试验样品以开展相应试验。为此，设计了适用于放射性条件下远距离操作的样品加工流程并完善了相关技术，依据该流程在模拟放射性条件下制备出了满足标准要求的试验样品。

关键词：压力管 力学性能 样品制备

中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（b）-0081-03

Abstract： Pressure tube is the key component of heavy water reactor， and it has the risk of embrittlement under the neutron irradiation and hydrogen absorption， that makes mechanical property surveillance of pressure tube very important for nuclear safety. This surveillance needs several kinds of sample made from pressure tube， the sample preparation technology research was conducted on mockup pressure tube， and the sample made by this technology was qualified for surveillance testing.

Keg Words： Pressure tube； Mechanical propertg； Specimen preparation

CANDU型重水反应堆为压力管式结构，压力管构成了反应堆一回路的边界，其完整性对于反应堆安全具有至关重要的意义。压力管材料为Zr-2.5Nb，该材料在中子辐照条件下会产生硬化及脆化，同时由于Zr具有吸氢的特性，压力管在从冷却剂中吸氢后具有氢致延迟开裂（DHC）的趋势[1]。压力管的辐照监督机制就是确保压力管力学性能满足运行安全需求的重要手段。

1 研究目的

压力管辐照监督检验需要利用已服役一定时间的压力管制备以下几种类型的试验样品用于力学性能测试和氢致延迟开裂行為研究[2-3]：（1）CCT样品，用于测量Zr-2.5Nb材料的断裂韧性，同时用于进行氢致延迟开裂性能试验。该样品从压力管轴向取样，样品尺寸见图1。（2）轴向拉伸样品，用于测量压力管的轴向拉伸性能，沿压力管轴向取样，样品尺寸见图2。本项研究的主要目的，就是在模拟放射性条件下开发出压力管力学性能样品的制备技术。

2 研究方案

辐照后的压力管表面剂量率约为5mSv/h，不能由人员近距离直接操作，应在对操作人员进行有效屏蔽的条件下，使用机械手进行远距离操作。由于远距离操作的局限性，因此样品的加工方案应尽可能减少机械手操作步骤，同时尽可能降低机械手操作精度要求。

考虑到压力管监督检验的实际情况，采用每段约150～300mm长的模拟压力管进行试样的加工技术研究。待加工的三类样品形状复杂，同时对形位公差和加工面粗糙度均有较高要求，结合对国外同类试验的调研，本项研究的实施方案即以单独或联合使用电火花及线切割手段来展开。

方案1：使用电火花加工设备一次加工成型。该方案的优点是仅需一台设备即可实现，同时操作简便，仅需将短管固定在机床上，其余的加工操作均可由机床的遥控功能实现；缺点是对电极的调平要求极高，而且加工效率较低。

方案2：利用电火花加工设备分步加工成型。该方案主要针对方案1中电极调平难度大的缺点进行了改进，优点是仅需一台设备，常规条件下可以可靠实现所有类型样品的加工；缺点是加工步骤繁琐，需频繁更换加工电极，机械手操作量大且操作精度要求高，进一步降低了加工效率。

方案3：配合使用电火花及线切割设备进行样品加工。该方案的优点是加工效率高，样品的加工精度及表面粗糙度最好，机械手的操作精度要求较低；缺点是需要两台设备配合使用，其中线切割设备较为昂贵。

3 试验设备

本项试验涉及的设备主要参数如下：

（1）数控精密电火花成型机床，X、Y、Z行程：320mm×250mm×250mm，最大工件尺寸：790mm×480mm×235mm，最大工件重量：400kg，最大电极重量：60kg。

（2）数控慢走丝线切割机床，X、Y、Z行程：300mm×300mm×180mm，最大工件尺寸：560mm×480mm×165mm，最大工件重量：200kg，最佳表面粗糙度：0.3μm。

（3）主从式机械手，垂直提升力：7kg。

4 试验过程与结果

4.1 常规模拟试验

在常规试验条件下对方案1～3进行了模拟，利用不锈钢板或尺寸相近的不锈钢管材替代Zr-2.5Nb管材进行了模拟样品的加工，并根据试验结果进行了最终加工方案的确定。

方案1：利用电火花设备在不锈钢板材上尝试取样。在对样品和电极进行装卡和调平后进行放电加工。但由于电极调平时存在微小偏差，因此样品的一侧先完成了切割，而另一侧仍然与母材连接在一起，样品在电极往复运动的带动下出现了偏移，并造成最终加工出来的样品出现了严重的变形。对电极进行反复调平和多次试验后仍然未能加工出合格样品，如图3所示。

方案2：理论上可以避免方案1中的电极调平问题，重复装卡过程对机械手的操作精度提出了过高的要求。使用机械手模拟此项操作，证明机械手操作无法实现此项加工所需的水平位置精度，因此方案2理论上可在常规环境中实现样品加工，但不适于放射性条件下的远距离操作。

方案3：利用慢走丝线切割设备切割出样品的轮廓，然后利用电火花设备加工出样品的销孔。利用该方法加工的样品如图4、图5所示。

4.2 模拟放射性试验

试验证明，方案3为唯一可行的方案。在常规模拟试验的基础上，压力管力学性能试样进行了模拟放射性条件下的全流程演示，并验证了该流程的可行性。首先利用数控解体铣床将模拟压力管切割为约150mm长的短管，然后利用慢走絲切割机床将短管沿周向6等分为圆弧板，再进行各类样品的外轮廓切割，最后利用电火花成型机进行销孔的加工。试验全程均采用机械手操作，如图6所示。加工的半成品及成品如图7～图9所示。

5 结语

通过对压力管力学性能试验样品制备技术的研究，确定了以电火花设备配合线切割设备、以机械手远距离操作的方式进行样品加工为最优化的加工方案。设计了完备的加工流程并开发出了全套的辅助设备。利用该项技术制备的力学性能及氢致延迟开裂性能试验样品的形位公差及表面粗糙度满足标准要求。

参考文献

[1] CAN/CSA-N 285.4-05，Periodic Inspection of CANDU Nuclear Power Plant Components[S].Canadian standards association，2005.

[2] IAEA-TEDOC-1499，Intercomparison of techniques for inspection and diagnostics of heavy water reactor pressure tubes： Flaw detection and characterization[R]. Vienna：IAEA，2006.

[3] IAEA-TECDOC-1037，Assessment and management of ageing of major nuclear power plant components important to safety： CANDU pressure tubes[R].Vienna： IAEA，1998.