Ti-35合金制核級乏燃料后處理裝置的質量控制

魏 侃 宋品玲 葉建林 張 成

（西安優耐特容器制造有限公司)

Ti-35合金制核級乏燃料后處理裝置的質量控制

魏 侃*宋品玲 葉建林 張 成

（西安優耐特容器制造有限公司)

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

乏燃料 后處理裝置 鈦合金 質量控制 焊接 壓力容器

0 前言

乏燃料是指核反應堆中，輻射達到計劃卸料的比燃耗后，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，就是使化學分離的鈾成分、未使用的鈾和超鈾核素返回到反應堆循環的過程。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。壓力容器廣泛應用于國民經濟各個領域，作為一種特種設備，其質量與人們的生命和財產安全息息相關。乏燃料后處理裝置作為核級壓力容器，其質量問題就顯得尤為重要，一旦發生事故，其危害程度是無法估量的。本文就影響壓力容器質量的幾個因素，結合Ti-35合金材料的特點，分析核級壓力容器制造過程中進行質量控制所需采取的具體措施。壓力容器的質量包括設計質量、制造質量和安裝質量三個方面，其中制造質量的好壞起著關鍵作用。要提高壓力容器的制造質量，重點是要加強制造過程的質量控制，只有把握好制造過程中每個細節，控制好每個環節，才能真正保證壓力容器產品的質量[1]。

1 原材料和零部件質量控制

原材料和零部件的質量作為制造過程中的首要環節，直接影響產品的最終質量。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，應嚴格根據西北有色金屬研究院的企業標準進行驗收。如果材料用于核工業領域，供貨方還應取得國家核安全局頒發的相應資質證書，檢驗試驗人員也應取得民用核安全設備制造相應的資質證書。檢驗人員根據Ti-35合金的相關標準、圖紙及企業規程對原材料和零部件進行檢驗驗收，且需經過制造廠材料責任師確認合格后，才能入庫。不合格品必須進行標識和隔離。合格的原材料和零部件必須有符合要求的質量證明書、檢驗記錄、檢驗報告以及化學性能和力學性能報告[2]。

2 制造工藝

不同于一般的壓力容器，Ti-35合金制核級壓力容器在制造前期應編制完成產品質量計劃和詳細的制造工藝。質量計劃需通過用戶、設計、制造廠三方審核會簽，設置質量控制點，并在國家核安全局備案，方可生效執行。制造前期應完成相關的過程試驗，編制詳細的制造工藝規程。對于每一個工藝工裝都應嚴格要求，以保證后續制造過程的順利進行，確保工藝的可操作性。作為關鍵的零部件，封頭成形是設備制造過程的一個關鍵環節[2]。

在制造前期，應完成Ti-35合金封頭的沖壓工藝評定，以確定符合規范的最優工藝參數。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，自然風干時間超過24 h。

封頭沖壓前，全面檢查油壓機設備，開啟電源、油路，設備應運行正常，不漏油，上下順暢。根據不同規格的封頭尺寸選擇模具，要對上下模具表面進行仔細清理、打磨。模具安裝后，須核對上下模位置及間隙，所有緊固件應擰緊，以確保安全。按照封頭成形工藝評定的參數進行封頭的沖壓：板料≤500℃時進爐，隨爐升溫至 580～650℃，爐內熱電偶搭工件控溫，保溫15～25 min，爐內保持微氧化氣氛。裝料時，須保證材質標記在毛坯的下表面，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口，以防止冷卻不均產生變形。

封頭成形后，按圖紙及 GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》標準進行尺寸檢驗及表面檢驗，表面不得有劃傷、皺折等缺陷。驗收合格后，對封頭全表面進行石英砂噴砂處理，以保證防氧化涂料去除干凈。之后對封頭內外表面進行滲透檢測，符合NB/T 47013.5—2015Ⅰ級要求為合格[3-5]。

3 焊接技術

Ti-35作為一種新材料，其焊接技術尤為重要。制造前期應根據產品結構完成Ti-35材料的焊接工藝評定，確認正確可行的焊接工藝參數。根據國家標準、圖紙及技術條件要求，制定詳細的焊接工藝規程及焊接工藝文件。嚴格按照焊接工藝文件對焊接過程的質量進行控制。

3.1 人員

焊接操作人員、焊接檢驗人員及質保監察人員，應取得國家核行業資格證書，在設備制造過程中履行相應的職責。

3.2 焊接材料

Ti-35焊接材料，應滿足國家標準及西北有色金屬研究院的企業標準。對于焊材的驗收、入庫、使用，均應嚴格按照相關標準及作業文件執行。

3.3 焊接設備

所有與焊接相關的設備，要有專人管理，要滿足使用要求。

3.4 焊接環境

通過菲繞啉試驗對焊接環境進行控制，以確保滿足要求。

4 制造過程控制

制造過程控制是該設備制造的關鍵環節。核級壓力容器制造過程中，對制造環境要求相當苛刻，應設置專用場地，并采取相應的保護措施。對備料、下料、卷制、組對、焊接、脹接、零部件機加工等過程均應嚴格按照標準、圖紙及技術條件進行控制。整個制造過程中最關鍵的環節為焊接過程。

4.1 焊前準備

施焊前應檢查施焊件的坡口質量，用丙酮清理焊接坡口及其兩側50 mm寬的區域，確保這些部位無雜物、油跡及鐵離子污染。點焊時，點焊處不允許有表面缺陷及氧化現象，并盡量使其外形不要有明顯凸出或凹坑的現象。焊絲在使用前應用丙酮擦洗，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，還應檢查焊機運行情況，保證焊機運行正常，保證焊接保護氣體滿足焊接要求。

4.2 焊接

焊接過程中嚴格按照焊接工藝參數進行施焊，保證施焊工件及環境的清潔。多層焊的焊縫每焊完一層必須認真檢查和清理焊縫表面，發現焊縫表面有焊接缺陷或局部氧化現象時，應先將存在表面缺陷及局部氧化的焊縫打磨清理干凈，然后再進行下一層焊接[4]。

5 可靠性質量控制方法

5.1 焊接接頭檢測

焊接完成后，檢驗人員應按照 JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》標準要求進行焊縫外觀檢查，要求焊縫表面呈銀白色，無氣孔、裂紋等表面缺陷。外觀檢驗合格后，進行射線或滲透無損檢測。A、B類焊縫按 NB/T 47013.2—2015(B級）Ⅰ級為合格，每100 mm焊接接頭長度內允許的缺陷數量＜3，允許的缺陷大小 （單個氣孔）≤0.8 mm。由于Ti-35合金中有Ta元素存在，因此射線檢測過程中應采用專用的Ti-35像質計，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的鈦合金，因此在底片評定過程中，應根據Ti-35合金試件對比底片，以完成底片評定工作。C、D類焊縫按NB/T 47013.5—2015Ⅰ級為合格。對于特殊結構的角接焊接接頭，無法進行射線檢測，為了確保其質量，應在焊接過程中逐層進行100%滲透檢測。檢測時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、觀察四個步驟檢測焊縫表面。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[4－5]。

5.2 液壓試驗

液壓試驗過程是該設備制造的最終質量控制環節，一般采用水壓試驗。對于鈦合金材料，試驗水質中氯離子的含量通常應控制在20 mg/L以下。對于Ti-35合金制容器，對水質控制要求更加嚴格，應使用去離子水進行水壓試驗，并附有水質報告。對特殊結構形式的設備，應配有相應的打壓工裝。在常溫下進行液壓試驗，試壓時容器頂部應設排氣口，充液時應將容器內的空氣排盡。在打壓設備的最高點處安裝2塊壓力表 (量程為試驗壓力的1.5～3倍)。設備內充滿水，將所有開口封閉。當容器壁溫與水溫接近時，用試壓泵加壓，緩慢升壓至設計壓力，確認無泄漏后繼續升壓到規定的試驗壓力，保壓30 min。然后降壓至設計壓力，保壓足夠時間并進行檢查。試驗過程中，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部位，保持觀察表面的干燥。對所有的檢測部位進行檢測，不允許出現變形、異常響聲、泄漏等情況。

5.3 氣密性試驗

氣密性試驗在水壓試驗合格后進行。試驗前安全附件應裝配齊全，試驗壓力為設計壓力的1.0倍或按圖樣規定。試驗時，應緩慢升壓至試驗壓力，保壓30 min，然后對所有焊接接頭及連接部位進行檢查。如有泄漏，應將壓力降至零，再進行處理。查明泄漏原因，消除隱患后再繼續重新進行試驗。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使鈦焊縫表面產生肥皂泡。氣密性試驗無泄漏為合格。

5.4 氦泄漏檢驗

試驗前，先校準氦質譜檢漏儀。依據氦檢漏試驗方案，從接管通入濃度不小于10%的氦氣，達到試驗壓力后，對容器整體進行檢漏，泄漏率小于1×10-7(Pa·m3)/s為合格。對于特殊部位，如氦檢漏工裝覆蓋區域，在第一遍檢漏完成并確認合格后，將工裝位置調整，再對原覆蓋區域重新進行檢漏，直至最終確認合格[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：機械法、化學法、機械化學法、電化學法和物理法。對于Ti-35合金制容器，依據相關設備的表面清潔工藝進行質量控制。推薦選擇機械法對設備表面進行表面處理，可采用的表面處理工具為不銹鋼鋼絲刷、砂紙、百潔布。

6 結論

Ti-35合金制壓力容器制造過程的質量控制對設備性能影響較大，建立完善的質量控制體系是控制設備質量的關鍵。本文根據公司多年的研究成果和經驗數據，從原材料采購、容器制造過程及可靠性檢驗過程等方面，詳細闡述了Ti-35合金制設備質量控制體系的建立和運行，并提出了以下要點。

（1）換熱管與管板焊接接頭的可靠性是關系到該Ti-35合金設備可靠性最重要的因素之一。滲透檢測是對焊縫質量控制非常有效的表面檢測方法。氦檢漏檢測對介質泄漏的感應靈敏度能達到不大于1×10-7(Pa·m3)/s的精度，進一步提高了Ti-35合金制容器的檢測效率，為Ti-35合金制容器的產業化提供了可靠的檢測手段。

（2）進行射線檢測時，應使用專用的Ti-35像質計，并根據Ti-35合金試件對比底片進行底片評定，嚴格執行相應的評定標準。

（3）設備組裝時平行度對設備的安全使用非常重要。推薦采用直板尺、工裝及激光測距儀進行現場測試組裝并檢驗，這樣可以起到非常好的效果。

[1]民用核安全設備無損檢驗人員資格鑒定委員會.無損檢驗概論及民用核安全設備的基本知識 [M].北京：中國標準出版社，2011.

[2]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.熱交換器：GB/ T 151—2014[S].北京：中國標準出版社，2014.

[3]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.壓力容器：GB 150—2011[S].北京：中國標準出版社，2011.

[4]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.鈦制焊接容器：JB/T 4745—2002[S].昆明：云南科技出版社，2003.

[5]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.承壓設備無損檢測：NB/T 47013—2015[S].北京：新華出版社，2015.

[6]國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材編審委員會.泄漏檢測 [M].北京：機械工業出版社，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。