控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）Ω密封環(huán)焊接

隗祖民

摘 要：核電站核島主系統(tǒng)中燃料控制棒驅(qū)動機構(gòu)CRDM在核反應(yīng)堆中起著重要性作用， 從而控制棒驅(qū)動機構(gòu)的Ω密封環(huán)的焊接在保證安全運行上具有重要意義。該文作者通過自身積累的相關(guān)經(jīng)驗，在分析了Ω密封環(huán)所用金屬材料的物理化學(xué)性能及焊接性的基礎(chǔ)上，以及焊接難點及加入Y型環(huán)焊接后，充分肯定了采用Y型環(huán)充當(dāng)填充材料的在焊接上的優(yōu)點。同時重點對CPR1000機組CRDMΩ密封環(huán)的焊接介紹了成熟的自動焊焊接工藝實施，工藝參數(shù)、焊接流程等內(nèi)容，為以后為核電站建設(shè)及該重要焊縫的設(shè)計和工藝評定及機具的改進提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞：CRDM Ω密封環(huán) Y型環(huán) 焊接 自動焊 焊接工藝

中圖分類號：TL351.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0100-02

核電站核島控制棒驅(qū)動機構(gòu)（control rod drive mechanism，簡稱CRDM）是一種快速控制反應(yīng)性的工具，用于在正常運行時調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，在事故工況下快速引入負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆緊急停堆，保證核安全?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)由星形架和吸收劑棒組成。星形架用不銹鋼制成，它的中央是一個連接柄，其內(nèi)部通過絲扣與控制棒驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動桿上的可拆接頭相連接。連接柄下端裝有彈簧組件，當(dāng)控制棒快速下落時，彈簧可起緩沖作用，減少控制棒組件對燃料組件的撞擊。

CRDM是壓水堆核安全Ⅰ級、質(zhì)保Ⅰ級、抗震Ⅰ級的重要部件。CPR1000型機組CRDM共61套，熱電偶4套。材質(zhì)為控氮奧氏體不銹鋼Z2CN19.10N，規(guī)格為φ163.620-0.1×1.9±0.13 （mm）。CRDM的安裝過程中，控制棒驅(qū)動機構(gòu)耐壓殼和壓力容器頂蓋接管座間采用Y型密封環(huán)密封即Ω密封環(huán)，對Ω密封環(huán)進行的焊接是關(guān)鍵部分。

CRDM耐壓殼與壓力容器頂蓋接管座間的Y型密封環(huán)，相當(dāng)于焊接材料，材質(zhì)為308L，焊接采用全自動脈沖鎢極氬弧焊進行。焊接接頭屬于密封焊接，焊接時不需要填充焊接材料，是一種自動密封焊接技術(shù)，用焊機的脈沖電流將Y型環(huán)熔化并使之熔合形成焊縫。

1 Z2CN19.10N材料物理化學(xué)性能分析

控氮不銹鋼Z2CN19.10N是隨著核電發(fā)展新研制的鋼種，是為解決304不銹鋼在沸水核反應(yīng)堆運行中出現(xiàn)晶間腐蝕破裂事故，也能為核反應(yīng)堆提供更好的材料，提高反應(yīng)堆安全運行的可靠性。控氮不銹鋼Z2CN19.10N其化學(xué)成分如表1。

控氮不銹鋼Z2CN19.10N并含有一定量的氮元素，屬于超低碳奧氏體不銹鋼，其含碳量非常低，因此具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕能力，但另一方面也制約著材料的強度，而由于氮元素的固溶強化作用，向其中添加一定的氮元素，可以提高它的強度。因此控氮不銹鋼Z2CN19.10N被廣泛應(yīng)用于重要設(shè)備中，如核電站堆內(nèi)構(gòu)件、主管道等，因為它既具有較好的抗晶間腐蝕能力，同時強度也較高。

2 Z2CN19.10N焊接性分析

2.1 Z2CN19.10N焊接特點

控氮不銹鋼Z2CN19.10N屬于奧氏體不銹鋼，具有它的焊接特點。奧氏體不銹鋼在高溫和室溫下均為奧氏體組織，無固態(tài)相變，對氫也不敏感，無淬硬傾向，焊接接頭綜合力學(xué)性能良好，與其他類型不銹鋼相比具有良好的焊接性 但當(dāng)選用的焊接工藝參數(shù)不合理時，會σ相脆化，產(chǎn)生熱裂紋，晶間腐蝕等缺陷[3]。

2.1.1 熱裂紋

由于奧氏體焊縫組織為方向性很強的柱狀晶，有利于偏析有害雜質(zhì)，當(dāng)焊縫中含較高有害雜質(zhì)時，奧氏體柱狀晶之間就易形成低熔點共晶。此外，奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)比碳鋼高約50%，熱導(dǎo)率僅為碳鋼的1/3。高線膨脹系數(shù)、低熱導(dǎo)率的特點，決定了在凝固過程中奧氏體不銹鋼焊縫產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力較大。因此，在低熔點共晶和較大的收縮拉應(yīng)力的共同作用下，晶界被低熔點共晶分割，被拉開形成焊接熱裂紋。

2.1.2 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼在450～850℃的敏化溫度區(qū)間停留一定時間后，過飽和的碳向奧氏體晶界擴散，并與晶界的鉻化合形成碳化鉻（Cr23C6）。由于鉻在奧氏體中擴散速度小于碳的擴散速度，使晶界的鉻得不到及時補充，造成奧氏體晶界貧鉻。當(dāng)晶界的含Cr量低于12%時，就失去了抗腐蝕能力，在腐蝕介質(zhì)作用下，即產(chǎn)生晶間腐蝕。在應(yīng)力作用下，受到晶間腐蝕的不銹鋼，即會沿晶界斷裂，幾乎完全喪失強度。

2.1.3 σ相脆化

奧氏體不銹鋼焊縫如果在650～650℃溫度區(qū)間停留時間過長，有可能析出一種脆硬的金屬間化合物δ相，主要存在于柱狀晶的晶界。當(dāng)焊縫中鐵素體含量超過12%時，δ向σ的轉(zhuǎn)變非常顯著，造成焊縫金屬的明顯脆化，從而降低焊縫的塑性、韌性和抗晶間腐蝕性能。

2.2 防止缺陷產(chǎn)生的措施

（1）選用優(yōu)質(zhì)的母材和焊材，嚴(yán)格控制S、P等易形成低熔點共晶的雜質(zhì)含量，從而降低熱裂紋傾向。

（2）鐵素體對S、P等元素溶解度較大，能防止這些元素低熔點共晶的形成和偏析，從而阻止產(chǎn)生熱裂紋。另外，鐵素體可以有效切斷奧氏體的柱狀晶，細化晶粒，隔斷奧氏體晶界連續(xù)網(wǎng)狀碳化鉻（Cr23C6）析出，從而防止晶間腐蝕。因此選用Mo、Cr、Si等含適量鐵素體促進元素的焊材，使焊縫產(chǎn)生鐵素體+奧氏體雙相組織，含量占4%～12%的鐵素體能有效防止晶間腐蝕傾向和熱裂紋。

（3）選用含碳量低的焊材，降低焊縫中碳與鉻形成Cr23C6碳化鉻的機率，從而使晶間腐蝕傾向降低。

（4）采用小電流、小焊接熱輸入、快速焊，使焊接區(qū)的冷卻速度加快，使焊接接頭在高溫區(qū)停留的時間縮短，避免長時間停留在450～850℃區(qū)間及此區(qū)間溫度的焊后熱處理，可以使σ相脆化傾向和晶間腐蝕有效降低[3]。

2.3 填充Y型密封環(huán)的材質(zhì)分析

Y型密封環(huán)相當(dāng)于CRDM耐壓殼與壓力容器頂蓋接管座間的焊接材料，其材料為ER-308L，其化學(xué)成分如表2所示。

根據(jù)控氮不銹鋼Z2CN19.10N焊接性分析，ER-308L材質(zhì)的Y型環(huán)能有效降低熱裂紋傾向和晶間腐蝕。

3 焊接工藝實施

控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）Ω環(huán)焊接的主要流程為：CRDM耐壓殼及填充Y型環(huán)進行檢查→焊接前Y型環(huán)點焊→焊前裝配檢查→焊接試件→在接管座上焊接CRDM耐壓殼→質(zhì)量檢查（驗）。Ω環(huán)焊接采用的是全自動焊接，在整個過程中，在焊接前的工序是至關(guān)重要的，包括CRDM耐壓殼及填充Y型環(huán)進行檢查、焊接前Y型環(huán)點焊、焊前裝配檢查、焊接試件。

3.1 焊接前Y型環(huán)點焊

Y型密封環(huán)點焊，采用DC/直流手工鎢極氬弧焊接方法點焊，無需填充材料，采用熔焊方法，將Y型密封環(huán)緊密固定在CRDM耐壓殼側(cè)，其焊接參數(shù)如表3。

3.2 鎢極的加工和選擇

使用含釷2%的釷/鎢電極，它們一端被加工成30°錐形圓柱，規(guī)格為直徑2±0.05 mm，長度在48～58 mm之間，端面直徑在0.3 mm到0.5 mm之間。尖端的表面粗糙度應(yīng)為Ra≤1.6，如圖1所示鎢電極錐形示意圖。

3.3 鎢極的設(shè)置尺寸

所用的鎢極經(jīng)過嚴(yán)格的標(biāo)定和編號，每條焊縫都必須使用新的鎢極，在焊接前機頭需繞行一周，鎢極錐面的上下擺動不得超過0.3 mm。鎢極的位置及高度，如圖2所示鎢極與Y形密封環(huán)位置示意圖。

3.4 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)見表4、表5所示。

4 結(jié)語

控制棒驅(qū)動機構(gòu)Ω焊縫是形狀特異的密封焊縫，是為減少焊接變形而設(shè)置的，Ω環(huán)焊縫選在垂直固定位置（2GT），在焊接時該位置驅(qū)動機構(gòu)的徑向變形量為零，因焊接應(yīng)力均勻分布在耐壓殼組件上軸向變形量也微乎其微。采用全自動鎢極氬弧焊，不僅焊接工作強度降低，而且焊接質(zhì)量容易控制。驅(qū)動機構(gòu)Ω 環(huán)的焊接工藝已在多個核電工程成功應(yīng)用，且已逐漸趨于成熟，達到了當(dāng)前世界同類焊縫安裝焊接技術(shù)的先進水平，為核電站建設(shè)、工藝評定機具的改進和該重要焊縫的設(shè)計積累了寶貴經(jīng)驗。

參考文獻

[1] 法國核島設(shè)備設(shè)計，建造及在役檢查規(guī)則協(xié)會，中科華核電技術(shù)研究院有限公司.RCC-M壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則（2000版+2002補遺共8冊）（精）[M].上海：上海科技文獻，2010.

[2] 張偉棟.控制棒驅(qū)動機構(gòu)Ω環(huán)的焊接技術(shù)[C]//中國工程建設(shè)焊接協(xié)會第八屆年會論文集，2001：66-68.

[3] 陳磊.核電站控氮不銹鋼Z2CN19-10焊接技術(shù)[J].電站輔機，2012（9）：40-43.