隨著我國核電工業的飛速發展，如何延長已建和在建核電站無故障工作年限，特別是防止核島內各部件受各類腐蝕損傷的課題已引起當前核電建設工作者們的高度重視。

   圖一：為保證核電站安全運行的外層保護墻

       以下是各主要核電國家現有機組及其安全運行壽命的一個簡單的比較：

                           表一     注：這是2000年的統計數字

我國計劃到2020年底核電站總數將超過40座，裝機容量將達到創紀錄的40,000兆瓦。因此保證這些核電站的安全長壽運行已成為我國核電工作者所面臨的嚴峻挑戰。

核電安全長壽以及日常老化管理的課題相當復雜；例如各種材料的疲勞和老化，中子輻射所引起材料的脆化，高溫及核輻射對絕緣及屏蔽材料造成的損 傷，核電站啟動和停堆瞬間由于溫度壓力的急劇變化對材料所造成的損傷等，其中又以殼體材料，特別是各種焊層或焊縫受到各類腐蝕所產生的故障占較高的比例。 因此本文試圖從防止材料及焊道腐蝕的角度來探討這個題目。

從核電站所發生這類事故的性質來看，主要集中在以下幾個方面：

（1）        在受輻射純水的長期腐蝕作用下，蒸氣發生器傳熱管及管板焊接根部產生晶間應力腐蝕裂紋。（美國、日本、法國均有報道）。

（2）        反應堆壓力容器頂蓋上控制鎘棒進給的管座（CRDM）曾發現應力腐蝕裂紋(美國、法國有報道)。此外，上述控制鎘棒中心位置的銷釘曾發現晶間應力腐蝕裂紋（美國西屋公司報道）

（3）        90年代美國海軍研究人員發現在蒸氣發生器管板焊接中，存在再熱條件下晶間塑性下跌裂紋。（美國海軍報道）

由于種種原因，有關核電廠內部故障的公開報道并不多見，事實在上述故障公開報道后，對這些故障都進行了緊急維修。同時為了從根本上杜絕這類故障 的再次發生，一些核電材料的供應商在有關材料改進和新材料的研制和開發上都投入了大量的人力和物力。其中以提供防腐高鎳合金材料的SMC公司 （Special Metal Coperation）協同西屋公司和愛迪生焊接實驗室為從根本上解決這些課題做出了不少重要的貢獻。核電行業在使用了SMC公司及其他公司在各個時期所 提供的各種高鎳合金核電專用材料及相關焊接材料后，上述各種由于晶間應力腐蝕而產生的故障已得了到有效的控制，從而提高了核電站工作的安全系數和使用壽 命。以下對這些難題的解決分述如下：

（一）如何解決蒸氣發生器中輻射環境下的純水腐蝕以及引起相關部件解決應力腐蝕裂紋的難題：

蒸氣發生器是核電站的關鍵設備，它是一個包括上千支U型管的熱交換器，而所有這些U型管的終端將全部倒插在單面敷有多層高鎳合金堆焊的大型管板 上，該管板的直徑通常要超過5米，厚度達數百毫米。所有這些U型管需經深孔鉆穿過管極，并且每一個U型管的末端需要和帶堆焊層的管板致密地焊接在一起。這 些焊縫要求長年在純水的腐蝕環境下生存。

                                圖 二 核電站的主要組成：核反應堆和蒸氣發生器

上世紀60年代，法國Coriou等人發表了一般鎳基合金在高溫純水、及高應力環境下會產生晶間應力腐蝕裂紋（IGSCC）的理論。之后，在壓 水反應堆的一次冷卻的循環系統中，在當時普遍采用的防腐鎳基合金，如INCONEL600合金、X－750合金、INCONEL 718合金以及和這些母材配套的INCONEL 82焊絲/焊帶及INCONEL 182焊條所制作的焊道中均發生了不少IGSCC的損傷事例。下表中所示的是INCONEL600合金和INCONEL82焊絲和INCONEL182焊 條的化學成分表。

                                                               表 二

SMC的科研人員經過多年的研究及跟蹤考察，終于在80年代初期發現這類ISGCC裂紋和鉻元素在INCONEL 600合金中所含的比例有直接關系。由此SMC的研究人員設法將INCONEL 600合金中所含14.0％－17.0%的鉻含量提到接近30％，并在80年代中期推出含有30％鉻的INCONEL 690 合金。隨后SMC公司下屬的焊接產品公司也在90年代開始推廣INCONEL 52 填充金屬（含鉻量28－31.5%）和INCONEL 152焊條（含鉻量28％－31.5％）。這二種焊材和INCONEL690合金配合使用在核電工程上以后，上述ISGCC裂紋得到了有效的控制。下表所 示的是INCONEL 690，INCONEL 52和INCONEL 152的化學成分。

                             表     三

（二）在壓力殼頂部可能產生的腐蝕裂紋：

       為控制核反應連鎖反應的速度，需要將控制鎘棒伸進核燃料反應區吸收增殖中子以減低反應速度或抽起鎘棒讓核燃料反應區內的連鎖的反應加快。所以在反應堆的殼 頂需要設置一定數量的貫穿件：包括鎘棒進給機構（CRDM）及固定這一進給機構的基座（如下圖所示）。在80年代以前，為了為防止產生腐蝕裂紋，這一部分 的基座及相關部件，特別是用于上述用于控制鎘棒中心位置的定位銷釘，都采用INCONEL600，或x－750合金來制造。結果仍然檢測到晶間應力腐蝕裂 紋。近年來不少工程開始改變規范，用INCONEL690，及與其相配合的INCONEL52/INCONEL152焊材來替代傳統的 INCONEL600合金以及與之相配合的INCONEL82/182焊材來制作殼頂貫穿件及其基座和殼頂間

                                   圖三 反應堆壓力殼頂部貫穿件的示意圖

的環焊縫。從此,上述被腐蝕的情形得到了有效的控制。

INCONEL 690合金，以及INCONEL52 （或稱為ERNiCrFe－7）和INCONEL 152（或稱為ENiCrFe-7）的出現，使它們在近20年的核電站建設中扮演了十分重要的角色。目前這些材料在一些拘束度不大的焊接環境下仍是十分理 想的首選材料。INCONEL 52焊絲和焊條特別適合大面積的自動埋弧或電焊堆焊。而INCONEL 152焊條則十分適用于在核島內外，對一些管道或部件進行修補。

（三）多層焊道中類似熱裂紋的發現和解決：

    上世紀90年代，美國海軍的研究人員在一些高拘束度的多層焊道中發現一些類似熱裂紋的開裂。進一步的研究發現這些所謂的“熱裂紋”沒有出現在液相區或凝固 區，這表明這些裂紋不是真正的熱裂紋。其次，發現容易產生這類裂紋的溫度范圍是760°－1038°C 。這表明這類裂紋也不是冷裂紋。而這類裂紋經常發生在某些管道或蒸發器的管板交界的位置。這些位置我們通常稱之為”焊根”。此外這一類裂紋也常常焊層的再 熱影響區內被發現。因此這些裂紋被稱為“焊根裂紋”或“再熱裂紋”。

    為了解決這一類在技術發展進程中出現的新問題，SMC公司的專家會同相關公司專家先設法了解這一種裂紋產生的機理，并隨即開始研發可以防止這一類裂紋的新材料及新焊材。

    進一步的研究發現這類裂的產生和材料的晶體內部的塑性隨溫度發生的變化有關。最后科學家們確認：在大拘束度和多道焊接的條件下，由于在上面焊層的溫度變化 （如新敷設的焊層中所攜帶的高溫對下層已逐漸冷卻焊層所產生的再熱現象），可以使下焊層中的某些部位產生超出材料最大屈服強度的臨界值。即在溫度回升時， 晶界的塑性會產生下跌。正是由于這一種塑性的下跌就引發了這種所謂的“再熱開裂”（DDC）。在以下的Gleeble曲線（晶界塑性隨溫度變化的曲線）上 可以發現在760°－1204°C的范圍內二者變化有一種成反比例的關系。

                                     表 四 晶間塑性變化隨溫度變化曲線

    經過這一系列材料性能的研究后，SMC公司決定為此開發一種全新的母材和焊材，使它們在上述再熱的情況下晶界塑性變化仍能和溫度變化保持正比關系。這一種新材料的性能指標是：

•        適當降低Al,Ti的含量，以保證表面抗氧化的能力。

• 加入適量的Nb,Mn以繼續保持原有材料優異的抵抗熱裂紋的能力。

• 增加防止焊根開裂的能力。

• 加入適量的Zr和B以提抗DDC的能力。

這樣，一種全新的專用焊材INCONEL 52M焊絲和INCONEL 152M焊條就誕生了。從以下的這張照片中可以看到使用這種新焊材所帶來的一種革命性的效果。

                                  
圖 四 用INCONEL 52M堆滲漏管道進行緊急修補

由圖四所見是用INCONEL 52M焊絲來緊急修補一條有滲漏的管道。維修工程師可以在該管道上不進行任何表面處理而直接連續地進行三層全自動Tig焊。我們可以發現每一個焊層的表面 基本上沒有氧化，效果類似不銹鋼焊。并且在焊后所做的各項力學試驗，特別包括在焊根位置所進行各種彎曲試驗都取得了良好的結果。

    迄今為止的實驗及實際使用過程中，INCONEL 52M和INCONEL 152M所制作的焊道中沒有產生熱裂紋，或再熱裂紋。

    INCONEL 690及其配套的INCONEL 52M 和INCONEL 152M已成為迄今為止最佳的核電防腐焊材，以下是INCONEL 52M的化學成分。

                                       表五

目前，INCONEL 52M和152M已開始在實際施工中得以應用。特別是使用INCONEL 52M制作的大面積堆焊層（埋弧堆焊或電渣堆焊）已獲得核電業界一致推崇。以下二張圖片是用電渣焊制作的多層堆焊，從圖片中可以清楚地看到焊層表面十分光 潔，基本沒有任何氧化的跡象。除了焊道表面的光潔和沒有氧化跡象外，INCONEL 52M和INCONEL 152M繼承了INCONEL 52/152優良的抗熱裂紋能力。同時首次解決了再熱裂紋的難題（再熱塑性下跌裂紋或簡稱DDC）。除此之外INCONEL 52M/152M的各種力學性能以及金相檢測的結果都十分優異，圖七及圖八為INCONEL 52M金相截面圖。

           

圖五 用INCONEL 52M制作的電渣堆                           圖六 INCONEL 52M電渣堆焊表面  焊試板

                                               

圖七，52M金相截面圖之一                                          圖八 52M金相截面圖之二

從以上三個實例的分析，使我們看到各種核電防腐新材料的出現都是為了針對核電站運營中所產生的各種故障及其引發的材料損傷而研發出來的。 相信隨著核電技術的不斷發展，各種新問題的出現必將繼續催生各種更新的材料以及防護措施，并促使核電作業的安全長效的運營達到一個更臻完美的境界。