控制棒驅動機構（CRDM）Ω密封環焊接

隗祖民

摘 要：核電站核島主系統中燃料控制棒驅動機構CRDM在核反應堆中起著重要性作用， 從而控制棒驅動機構的Ω密封環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經驗，在分析了Ω密封環所用金屬材料的物理化學性能及焊接性的基礎上，以及焊接難點及加入Y型環焊接后，充分肯定了采用Y型環充當填充材料的在焊接上的優點。同時重點對CPR1000機組CRDMΩ密封環的焊接介紹了成熟的自動焊焊接工藝實施，工藝參數、焊接流程等內容，為以后為核電站建設及該重要焊縫的設計和工藝評定及機具的改進提供相關參考。

關鍵詞：CRDM Ω密封環 Y型環 焊接 自動焊 焊接工藝

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

核電站核島控制棒驅動機構（control rod drive mechanism，簡稱CRDM）是一種快速控制反應性的工具，用于在正常運行時調節反應堆功率，在事故工況下快速引入負反應性，使反應堆緊急停堆，保證核安全?？刂瓢趄寗訖C構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，其內部通過絲扣與控制棒驅動機構驅動桿上的可拆接頭相連接。連接柄下端裝有彈簧組件，當控制棒快速下落時，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。材質為控氮奧氏體不銹鋼Z2CN19.10N，規格為φ163.620-0.1×1.9±0.13 （mm）。CRDM的安裝過程中，控制棒驅動機構耐壓殼和壓力容器頂蓋接管座間采用Y型密封環密封即Ω密封環，對Ω密封環進行的焊接是關鍵部分。

CRDM耐壓殼與壓力容器頂蓋接管座間的Y型密封環，相當于焊接材料，材質為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，用焊機的脈沖電流將Y型環熔化并使之熔合形成焊縫。

1 Z2CN19.10N材料物理化學性能分析

控氮不銹鋼Z2CN19.10N是隨著核電發展新研制的鋼種，是為解決304不銹鋼在沸水核反應堆運行中出現晶間腐蝕破裂事故，也能為核反應堆提供更好的材料，提高反應堆安全運行的可靠性?？氐讳P鋼Z2CN19.10N其化學成分如表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被廣泛應用于重要設備中，如核電站堆內構件、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，無固態相變，對氫也不敏感，無淬硬傾向，焊接接頭綜合力學性能良好，與其他類型不銹鋼相比具有良好的焊接性 但當選用的焊接工藝參數不合理時，會σ相脆化，產生熱裂紋，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，當焊縫中含較高有害雜質時，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比碳鋼高約50%，熱導率僅為碳鋼的1/3。高線膨脹系數、低熱導率的特點，決定了在凝固過程中奧氏體不銹鋼焊縫產生的收縮拉應力較大。因此，在低熔點共晶和較大的收縮拉應力的共同作用下，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。當晶界的含Cr量低于12%時，就失去了抗腐蝕能力，在腐蝕介質作用下，即產生晶間腐蝕。在應力作用下，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。當焊縫中鐵素體含量超過12%時，δ向σ的轉變非常顯著，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 防止缺陷產生的措施

（1）選用優質的母材和焊材，嚴格控制S、P等易形成低熔點共晶的雜質含量，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網狀碳化鉻（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，使焊接區的冷卻速度加快，使焊接接頭在高溫區停留的時間縮短，避免長時間停留在450～850℃區間及此區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型密封環的材質分析

Y型密封環相當于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，其化學成分如表2所示。

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

3 焊接工藝實施

控制棒驅動機構（CRDM）Ω環焊接的主要流程為：CRDM耐壓殼及填充Y型環進行檢查→焊接前Y型環點焊→焊前裝配檢查→焊接試件→在接管座上焊接CRDM耐壓殼→質量檢查（驗）。Ω環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重要的，包括CRDM耐壓殼及填充Y型環進行檢查、焊接前Y型環點焊、焊前裝配檢查、焊接試件。

3.1 焊接前Y型環點焊

Y型密封環點焊，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型密封環緊密固定在CRDM耐壓殼側，其焊接參數如表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為Ra≤1.6，如圖1所示鎢電極錐形示意圖。

3.3 鎢極的設置尺寸

所用的鎢極經過嚴格的標定和編號，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形密封環位置示意圖。

3.4 焊接參數

焊接參數見表4、表5所示。

4 結語

控制棒驅動機構Ω焊縫是形狀特異的密封焊縫，是為減少焊接變形而設置的，Ω環焊縫選在垂直固定位置（2GT），在焊接時該位置驅動機構的徑向變形量為零，因焊接應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，而且焊接質量容易控制。驅動機構Ω 環的焊接工藝已在多個核電工程成功應用，且已逐漸趨于成熟，達到了當前世界同類焊縫安裝焊接技術的先進水平，為核電站建設、工藝評定機具的改進和該重要焊縫的設計積累了寶貴經驗。

參考文獻

[1] 法國核島設備設計，建造及在役檢查規則協會，中科華核電技術研究院有限公司.RCC-M壓水堆核島機械設備設計和建造規則（2000版+2002補遺共8冊）（精）[M].上海：上?？萍嘉墨I，2010.

[2] 張偉棟.控制棒驅動機構Ω環的焊接技術[C]//中國工程建設焊接協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[J].電站輔機，2012（9）：40-43.