Ti-35合金制核級(jí)乏燃料后處理裝置的質(zhì)量控制

魏 侃 宋品玲 葉建林 張 成

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司)

Ti-35合金制核級(jí)乏燃料后處理裝置的質(zhì)量控制

魏 侃*宋品玲 葉建林 張 成

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司)

Ti-35合金，是一種可應(yīng)用于核電領(lǐng)域的新型鈦合金材料。介紹了Ti-35合金制核級(jí)乏燃料后處理裝置質(zhì)量控制的一些重要因素。根據(jù)Ti-35合金材料的特殊性，選擇特殊的過程控制方法，就可以保證核級(jí)乏燃料后處理裝置的質(zhì)量。

乏燃料 后處理裝置 鈦合金 質(zhì)量控制 焊接 壓力容器

0 前言

乏燃料是指核反應(yīng)堆中，輻射達(dá)到計(jì)劃卸料的比燃耗后，從堆中卸出且不再在堆中使用的核燃料。乏燃料后處理過程，就是使化學(xué)分離的鈾成分、未使用的鈾和超鈾核素返回到反應(yīng)堆循環(huán)的過程。乏燃料后處理裝置即為完成后處理過程的裝置，屬于壓力容器的一種。壓力容器廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，作為一種特種設(shè)備，其質(zhì)量與人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。乏燃料后處理裝置作為核級(jí)壓力容器，其質(zhì)量問題就顯得尤為重要，一旦發(fā)生事故，其危害程度是無(wú)法估量的。本文就影響壓力容器質(zhì)量的幾個(gè)因素，結(jié)合Ti-35合金材料的特點(diǎn)，分析核級(jí)壓力容器制造過程中進(jìn)行質(zhì)量控制所需采取的具體措施。壓力容器的質(zhì)量包括設(shè)計(jì)質(zhì)量、制造質(zhì)量和安裝質(zhì)量三個(gè)方面，其中制造質(zhì)量的好壞起著關(guān)鍵作用。要提高壓力容器的制造質(zhì)量，重點(diǎn)是要加強(qiáng)制造過程的質(zhì)量控制，只有把握好制造過程中每個(gè)細(xì)節(jié)，控制好每個(gè)環(huán)節(jié)，才能真正保證壓力容器產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。

1 原材料和零部件質(zhì)量控制

原材料和零部件的質(zhì)量作為制造過程中的首要環(huán)節(jié)，直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。Ti-35合金，作為一種新材料，包括其板材、管材、換熱管、鍛件、棒材等，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)西北有色金屬研究院的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。如果材料用于核工業(yè)領(lǐng)域，供貨方還應(yīng)取得國(guó)家核安全局頒發(fā)的相應(yīng)資質(zhì)證書，檢驗(yàn)試驗(yàn)人員也應(yīng)取得民用核安全設(shè)備制造相應(yīng)的資質(zhì)證書。檢驗(yàn)人員根據(jù)Ti-35合金的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、圖紙及企業(yè)規(guī)程對(duì)原材料和零部件進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)收，且需經(jīng)過制造廠材料責(zé)任師確認(rèn)合格后，才能入庫(kù)。不合格品必須進(jìn)行標(biāo)識(shí)和隔離。合格的原材料和零部件必須有符合要求的質(zhì)量證明書、檢驗(yàn)記錄、檢驗(yàn)報(bào)告以及化學(xué)性能和力學(xué)性能報(bào)告[2]。

2 制造工藝

不同于一般的壓力容器，Ti-35合金制核級(jí)壓力容器在制造前期應(yīng)編制完成產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)劃和詳細(xì)的制造工藝。質(zhì)量計(jì)劃需通過用戶、設(shè)計(jì)、制造廠三方審核會(huì)簽，設(shè)置質(zhì)量控制點(diǎn)，并在國(guó)家核安全局備案，方可生效執(zhí)行。制造前期應(yīng)完成相關(guān)的過程試驗(yàn)，編制詳細(xì)的制造工藝規(guī)程。對(duì)于每一個(gè)工藝工裝都應(yīng)嚴(yán)格要求，以保證后續(xù)制造過程的順利進(jìn)行，確保工藝的可操作性。作為關(guān)鍵的零部件，封頭成形是設(shè)備制造過程的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。

在制造前期，應(yīng)完成Ti-35合金封頭的沖壓工藝評(píng)定，以確定符合規(guī)范的最優(yōu)工藝參數(shù)。封頭料采用水切割下料，清理干凈后，雙面涂抹KBC-12高溫防氧化涂料，自然風(fēng)干時(shí)間超過24 h。

封頭沖壓前，全面檢查油壓機(jī)設(shè)備，開啟電源、油路，設(shè)備應(yīng)運(yùn)行正常，不漏油，上下順暢。根據(jù)不同規(guī)格的封頭尺寸選擇模具，要對(duì)上下模具表面進(jìn)行仔細(xì)清理、打磨。模具安裝后，須核對(duì)上下模位置及間隙，所有緊固件應(yīng)擰緊，以確保安全。按照封頭成形工藝評(píng)定的參數(shù)進(jìn)行封頭的沖壓：板料≤500℃時(shí)進(jìn)爐，隨爐升溫至 580～650℃，爐內(nèi)熱電偶搭工件控溫，保溫15～25 min，爐內(nèi)保持微氧化氣氛。裝料時(shí)，須保證材質(zhì)標(biāo)記在毛坯的下表面，以便沖壓后露于外表面。板料出爐壓制，控制終壓溫度≥550℃；然后，封頭在空氣中冷卻并脫模；封頭溫度降至200℃后，方可小心地將其從下模底下取出，以防變形；封頭取出后不得放在風(fēng)口，以防止冷卻不均產(chǎn)生變形。

封頭成形后，按圖紙及 GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)及表面檢驗(yàn)，表面不得有劃傷、皺折等缺陷。驗(yàn)收合格后，對(duì)封頭全表面進(jìn)行石英砂噴砂處理，以保證防氧化涂料去除干凈。之后對(duì)封頭內(nèi)外表面進(jìn)行滲透檢測(cè)，符合NB/T 47013.5—2015Ⅰ級(jí)要求為合格[3-5]。

3 焊接技術(shù)

Ti-35作為一種新材料，其焊接技術(shù)尤為重要。制造前期應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完成Ti-35材料的焊接工藝評(píng)定，確認(rèn)正確可行的焊接工藝參數(shù)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、圖紙及技術(shù)條件要求，制定詳細(xì)的焊接工藝規(guī)程及焊接工藝文件。嚴(yán)格按照焊接工藝文件對(duì)焊接過程的質(zhì)量進(jìn)行控制。

3.1 人員

焊接操作人員、焊接檢驗(yàn)人員及質(zhì)保監(jiān)察人員，應(yīng)取得國(guó)家核行業(yè)資格證書，在設(shè)備制造過程中履行相應(yīng)的職責(zé)。

3.2 焊接材料

Ti-35焊接材料，應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及西北有色金屬研究院的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于焊材的驗(yàn)收、入庫(kù)、使用，均應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及作業(yè)文件執(zhí)行。

3.3 焊接設(shè)備

所有與焊接相關(guān)的設(shè)備，要有專人管理，要滿足使用要求。

3.4 焊接環(huán)境

通過菲繞啉試驗(yàn)對(duì)焊接環(huán)境進(jìn)行控制，以確保滿足要求。

4 制造過程控制

制造過程控制是該設(shè)備制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。核級(jí)壓力容器制造過程中，對(duì)制造環(huán)境要求相當(dāng)苛刻，應(yīng)設(shè)置專用場(chǎng)地，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。對(duì)備料、下料、卷制、組對(duì)、焊接、脹接、零部件機(jī)加工等過程均應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)、圖紙及技術(shù)條件進(jìn)行控制。整個(gè)制造過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)為焊接過程。

4.1 焊前準(zhǔn)備

施焊前應(yīng)檢查施焊件的坡口質(zhì)量，用丙酮清理焊接坡口及其兩側(cè)50 mm寬的區(qū)域，確保這些部位無(wú)雜物、油跡及鐵離子污染。點(diǎn)焊時(shí)，點(diǎn)焊處不允許有表面缺陷及氧化現(xiàn)象，并盡量使其外形不要有明顯凸出或凹坑的現(xiàn)象。焊絲在使用前應(yīng)用丙酮擦洗，以確保焊絲表面清潔。擦拭后的焊絲放置在專用的焊絲筒中，以防止空氣浮塵中的鐵離子污染焊絲。在施焊前，還應(yīng)檢查焊機(jī)運(yùn)行情況，保證焊機(jī)運(yùn)行正常，保證焊接保護(hù)氣體滿足焊接要求。

4.2 焊接

焊接過程中嚴(yán)格按照焊接工藝參數(shù)進(jìn)行施焊，保證施焊工件及環(huán)境的清潔。多層焊的焊縫每焊完一層必須認(rèn)真檢查和清理焊縫表面，發(fā)現(xiàn)焊縫表面有焊接缺陷或局部氧化現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)先將存在表面缺陷及局部氧化的焊縫打磨清理干凈，然后再進(jìn)行下一層焊接[4]。

5 可靠性質(zhì)量控制方法

5.1 焊接接頭檢測(cè)

焊接完成后，檢驗(yàn)人員應(yīng)按照 JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行焊縫外觀檢查，要求焊縫表面呈銀白色，無(wú)氣孔、裂紋等表面缺陷。外觀檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行射線或滲透無(wú)損檢測(cè)。A、B類焊縫按 NB/T 47013.2—2015(B級(jí)）Ⅰ級(jí)為合格，每100 mm焊接接頭長(zhǎng)度內(nèi)允許的缺陷數(shù)量＜3，允許的缺陷大小 （單個(gè)氣孔）≤0.8 mm。由于Ti-35合金中有Ta元素存在，因此射線檢測(cè)過程中應(yīng)采用專用的Ti-35像質(zhì)計(jì)，以確保底片靈敏度。Ti-35合金的焊接接頭射線底片異于常規(guī)的鈦合金，因此在底片評(píng)定過程中，應(yīng)根據(jù)Ti-35合金試件對(duì)比底片，以完成底片評(píng)定工作。C、D類焊縫按NB/T 47013.5—2015Ⅰ級(jí)為合格。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的角接焊接接頭，無(wú)法進(jìn)行射線檢測(cè)，為了確保其質(zhì)量，應(yīng)在焊接過程中逐層進(jìn)行100%滲透檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)要先充分去除焊縫表面的油脂、涂料、銹蝕、水等影響滲透液滲透的污物，然后通過滲透、清洗、顯像、觀察四個(gè)步驟檢測(cè)焊縫表面。如果焊縫上有未熔合、氣孔、裂紋等表面開口缺陷，就可以直觀地顯示出來(lái)[4－5]。

5.2 液壓試驗(yàn)

液壓試驗(yàn)過程是該設(shè)備制造的最終質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，一般采用水壓試驗(yàn)。對(duì)于鈦合金材料，試驗(yàn)水質(zhì)中氯離子的含量通常應(yīng)控制在20 mg/L以下。對(duì)于Ti-35合金制容器，對(duì)水質(zhì)控制要求更加嚴(yán)格，應(yīng)使用去離子水進(jìn)行水壓試驗(yàn)，并附有水質(zhì)報(bào)告。對(duì)特殊結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備，應(yīng)配有相應(yīng)的打壓工裝。在常溫下進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試壓時(shí)容器頂部應(yīng)設(shè)排氣口，充液時(shí)應(yīng)將容器內(nèi)的空氣排盡。在打壓設(shè)備的最高點(diǎn)處安裝2塊壓力表 (量程為試驗(yàn)壓力的1.5～3倍)。設(shè)備內(nèi)充滿水，將所有開口封閉。當(dāng)容器壁溫與水溫接近時(shí)，用試壓泵加壓，緩慢升壓至設(shè)計(jì)壓力，確認(rèn)無(wú)泄漏后繼續(xù)升壓到規(guī)定的試驗(yàn)壓力，保壓30 min。然后降壓至設(shè)計(jì)壓力，保壓足夠時(shí)間并進(jìn)行檢查。試驗(yàn)過程中，用壓縮空氣吹干接管法蘭密封面、管板密封面、焊接接頭及焊接相關(guān)部位，保持觀察表面的干燥。對(duì)所有的檢測(cè)部位進(jìn)行檢測(cè)，不允許出現(xiàn)變形、異常響聲、泄漏等情況。

5.3 氣密性試驗(yàn)

氣密性試驗(yàn)在水壓試驗(yàn)合格后進(jìn)行。試驗(yàn)前安全附件應(yīng)裝配齊全，試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.0倍或按圖樣規(guī)定。試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)緩慢升壓至試驗(yàn)壓力，保壓30 min，然后對(duì)所有焊接接頭及連接部位進(jìn)行檢查。如有泄漏，應(yīng)將壓力降至零，再進(jìn)行處理。查明泄漏原因，消除隱患后再繼續(xù)重新進(jìn)行試驗(yàn)。用毛刷在鈦焊縫表面涂刷肥皂水，如果焊縫存在貫穿性氣孔、裂紋、未熔合等缺陷，泄漏的壓縮空氣就會(huì)使鈦焊縫表面產(chǎn)生肥皂泡。氣密性試驗(yàn)無(wú)泄漏為合格。

5.4 氦泄漏檢驗(yàn)

試驗(yàn)前，先校準(zhǔn)氦質(zhì)譜檢漏儀。依據(jù)氦檢漏試驗(yàn)方案，從接管通入濃度不小于10%的氦氣，達(dá)到試驗(yàn)壓力后，對(duì)容器整體進(jìn)行檢漏，泄漏率小于1×10-7(Pa·m3)/s為合格。對(duì)于特殊部位，如氦檢漏工裝覆蓋區(qū)域，在第一遍檢漏完成并確認(rèn)合格后，將工裝位置調(diào)整，再對(duì)原覆蓋區(qū)域重新進(jìn)行檢漏，直至最終確認(rèn)合格[6]。

5.5 表面處理

鈦合金材料的表面處理方法可分為5大類：機(jī)械法、化學(xué)法、機(jī)械化學(xué)法、電化學(xué)法和物理法。對(duì)于Ti-35合金制容器，依據(jù)相關(guān)設(shè)備的表面清潔工藝進(jìn)行質(zhì)量控制。推薦選擇機(jī)械法對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行表面處理，可采用的表面處理工具為不銹鋼鋼絲刷、砂紙、百潔布。

6 結(jié)論

Ti-35合金制壓力容器制造過程的質(zhì)量控制對(duì)設(shè)備性能影響較大，建立完善的質(zhì)量控制體系是控制設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵。本文根據(jù)公司多年的研究成果和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從原材料采購(gòu)、容器制造過程及可靠性檢驗(yàn)過程等方面，詳細(xì)闡述了Ti-35合金制設(shè)備質(zhì)量控制體系的建立和運(yùn)行，并提出了以下要點(diǎn)。

（1）換熱管與管板焊接接頭的可靠性是關(guān)系到該Ti-35合金設(shè)備可靠性最重要的因素之一。滲透檢測(cè)是對(duì)焊縫質(zhì)量控制非常有效的表面檢測(cè)方法。氦檢漏檢測(cè)對(duì)介質(zhì)泄漏的感應(yīng)靈敏度能達(dá)到不大于1×10-7(Pa·m3)/s的精度，進(jìn)一步提高了Ti-35合金制容器的檢測(cè)效率，為Ti-35合金制容器的產(chǎn)業(yè)化提供了可靠的檢測(cè)手段。

（2）進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)，應(yīng)使用專用的Ti-35像質(zhì)計(jì)，并根據(jù)Ti-35合金試件對(duì)比底片進(jìn)行底片評(píng)定，嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

（3）設(shè)備組裝時(shí)平行度對(duì)設(shè)備的安全使用非常重要。推薦采用直板尺、工裝及激光測(cè)距儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試組裝并檢驗(yàn)，這樣可以起到非常好的效果。

[1]民用核安全設(shè)備無(wú)損檢驗(yàn)人員資格鑒定委員會(huì).無(wú)損檢驗(yàn)概論及民用核安全設(shè)備的基本知識(shí) [M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).熱交換器：GB/ T 151—2014[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[3]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器：GB 150—2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[4]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).鈦制焊接容器：JB/T 4745—2002[S].昆明：云南科技出版社，2003.

[5]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)：NB/T 47013—2015[S].北京：新華出版社，2015.

[6]國(guó)防科技工業(yè)無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材編審委員會(huì).泄漏檢測(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)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，助理工程師。西安市，710201。