爆炸復合在AP1000安注箱制造中的應用

李剛+李博西

摘 要：為保障AP1000核電站的安全性與可靠性，安注箱材料需嚴格滿足設計要求，該文介紹了AP1000安注箱的結構特點以及其對材料性能的要求，闡述了爆炸復合原理及爆炸復合生產安注箱復合板的過程，總結了爆炸復合的優點，發現爆炸復合所生產的復合板能夠滿足安注箱對材料的要求，認為爆炸復合技術適用于AP1000安注箱的制造。

關鍵詞：爆炸復合 安注箱 AP1000

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（c）-0074-02

我國引入了AP1000核電技術，是一種先進的非能動型壓水堆核電技術[1]。非能動安全系統是大型先進壓水堆核電系統中的重要組成部分，包括非能動堆芯冷卻系統、非能動安全殼冷卻系統和安全殼隔離與卸壓系統等。安注箱是其中的關鍵設備，承擔著迅速冷卻堆芯的作用。

爆炸復合是一門較新的技術，它可以使絕大多數金屬材料相互復合在一起形成一種兼具兩種或多種金屬（合金）性能的復合材料，從而擴展現有金屬（合金）的性能以及應用范圍。

1 安注箱概述

1.1 結構及特點

AP1000安注箱由上下球形封頭、中間球殼筒身、支撐裙座、人孔等裝置組成，其中前者由兩塊復合板拼焊而成，中間筒體由6塊相同尺寸的瓜瓣形復合板拼焊而成[2]。

1.2 復合板材料的選用

安注箱內充含硼水，故其覆板材料需一定的防腐蝕性。內充氮氣作為覆蓋氣體，正常工況承受4.8 MPa的內壓，因此基板材料具有一定的強度。殼體采用不銹鋼復合鋼板制成，外層（基板）作為殼體的主要承壓材料，內層（覆板）不銹鋼用來滿足抗腐蝕要求。

若都采用不銹鋼材料，一次性投資較高，且無法滿足設計所需的強度要求。將兩種材料復合在一起，54 mm的錳鉬鎳合金鋼SA533作為主要承壓材料——基板，7 mm不銹鋼SA240作為表面覆板來滿足抗腐蝕要求——覆板，滿足整體性能要求。

1.3 爆炸復合在安注箱制造中的應用

AP1000在安注箱設計上采用了復合板制造的球形容器結構形式，在核島關鍵設備的應用上屬首次[4]。傳統的軋制復合板，與爆炸復合板相比，雖界面結合強度較低，但生產工藝成熟，生產質量容易控制。隨著技術水平的進步，爆炸復合板優異的界面結合性能得到了廣泛的重視。

2 爆炸復合的原理及參數選擇

2.1 爆炸復合原理

爆炸復合是利用炸藥爆炸瞬間產生的能量作為動力，使金屬產生塑性變形、熔化、達到原子間的結合。在覆材上鋪炸藥，引爆后，使基板與覆板撞擊結合，見圖1。

以爆轟波速VD傳播，在距引爆端不遠處，爆速VD達到穩定。復板在爆轟產物壓力作用下以VP向下飛行，VP的準確方向不易測定，假定它垂直于彎折角的平分線，在平行放置復合法中彎折角等于碰撞角β，隨著爆轟的進行，碰撞點C也以速度VCP自左向右進行。在復板平行放置情況下VCP=VD。如果把坐標系取在碰撞點C上，讓它隨同碰撞點C一起運動，那么對此坐標系來說，復板運動速度VP、碰撞角β、碰撞點運動速度VCP的關系滿足如下關系式[5]：

兩塊被復合的金屬板材在炸藥的爆轟下實現高速斜碰撞，在微秒量級時間內，在碰撞點附近產生高度106～107/s的應變率以及高達104 GPa量級的高壓，該處金屬受到很大的絕熱剪切作用，塑性剪切功轉變為熱量，因此碰撞點附近溫度的急劇升高，其升溫速度達到108～9 K/s，溫度的升高將導致材料強度的下降，碰撞點附近金屬板材呈現流體性態。流體狀態的復合板在碰撞點處分成兩股運動方向相反的金屬射流。射流的形成意味著從兩塊互相復合的金屬板材的內表面剝離了一層含氧化膜和污染物的金屬表面層，使金屬露出有活性的清潔表面，是復合的必要條件。另一股射流即主體射流，它的噴射方向指向碰撞點的下游，其厚度為基覆板的95%～98%，使基覆板結合。

2.2 爆炸復合工藝參數的選擇原則

為了獲得較好的質量，既要保證射流的產生，又要避免界面結合層內過度熔化。碰撞點速度必須在亞音速范圍內，即碰撞點速度或者說炸藥爆速必須小于板材中的聲速。若超過基覆板中各自的聲速，射流就會被抑制，清理作用消失，從而不能保證良好的復合質量。

碰撞角β應處于一定范圍內，這一取值范圍取決于材料的性質和表面狀態。只有碰撞角大于某臨界值時才能形成射流。如果小于某一臨界值，材料的粘性阻力將阻止射流的形成，導致無法進行自清理而失效。碰撞角越大，則覆板飛行速度越大，高壓區范圍越大，出現過度熔化，引起結合面強度下降。過熔現象是不允許的，故碰撞角應小于某一臨界值。基板與覆板之間的間隙是使覆板獲得加速度所必需的。這些要求是通過合理選擇炸藥爆轟速度、炸藥密度、間隙值等參數來實現的[6]。

3 安注箱復合板生產工藝流程

3.1 復合板生產前期準備

（1）投料前確認。核對材料物證一致，并標記復合板編號，核對來料尺寸。

（2）劃線、下料。基板與覆板進行劃線、切割。

（3）覆板、基板爆炸復合前準備。對封頭用覆板進行拼接焊，進行100%PT、RT檢查，覆材拼焊后，打磨焊縫與母材平齊，校平，拋磨覆材待結合表面，涂保護層，基體材料不允許補焊和拼接。

3.2 安注箱復合板生產過程

（1）爆炸復合。平整夯實爆床，清潔基板與覆板結合面，放置不銹鋼支撐，覆蓋覆層、配制藥框，嚴格按工藝布置炸藥，起爆。

（2）復合板熱處理。預熱845 ℃～980 ℃，均溫，水中淬火；回火，保溫溫度不應低于635 ℃，保溫時間最少為1.2 min/mm，且不少于0.5 h，保溫期間的溫度偏差不超過±15℃。

（3）試驗與檢驗。基于安注箱使用壽命為60年，在整個核電站壽期內必須確保安注箱壓力邊界的完整性對制造出的復合鋼板進行熱處理后，需測試其性能是否達到設計要求。

對于部分試驗項目，若試樣有任何加工缺陷或傷痕，或試驗結果不合格但滿足一定的條件，該試樣可報廢，并復試，應取雙倍數量試樣，試樣盡可能在靠近不合格試樣的部位切取，且兩個試驗結果必須均滿足質量要求。只有各項試驗合格后，方能進行下序。

（4）校平、劃線、切邊。采用三輥卷板機對復合板進行校平、劃線，采用等離子切割機進行切割。

（5）無損檢驗與未結合區補焊。復合板進行目視檢查，復層與基層表面不得有氣泡、結疤裂紋、折疊等缺陷，允許采用修磨的方法清除，復層缺陷清除后應保證允許的最小厚度，基層材料清除深度不得超過允許負偏差的一半，清除區域應圓滑過渡。對復合板進行超聲波檢驗，若發現未結合區發現缺陷，需清除并用滲透檢驗未結合區缺陷是否徹底清除，隨后補焊，補焊完成后對補焊區域及其熱影響區進行100%超聲波檢驗與滲透檢驗。

（6）復層表面酸洗鈍化。對復層進行酸洗鈍化，當復層形成致密的鈍化膜，處理完成取出，用清水沖洗干凈，后用堿進行中和與干燥。

3.3 安注箱復合板后期處理

（1）標識。采用低應力鋼印標識，鋼印標識內容包括復合板序號、材料型號、復合板尺寸、試驗識別號等。

（2）清潔包裝：清理基、復層表面灰塵、浮銹以及氧化皮，在復層表面先覆蓋塑料布，再鋪黃板紙，避免在儲存、運輸過程中發生銹蝕、劃傷，最后將復合板用塑料布包覆后再用鋼帶捆扎牢固，外包裝表面（中間位置）用油漆標識：合同號、板號。

4 結語

通過上述內容可知，爆炸法生產大面積不銹鋼復合板，具有生產工藝簡單、產品規格齊全、不銹鋼復合板的界面復合狀態好、結合強度高等特點，面積為幾平方米的板材焊接，爆炸復合過程只要在千分之幾秒內就可完成。

復合后的板材不僅能滿足工業上對耐腐蝕、耐高溫、耐高壓的需求，而且能夠節約優質貴重的金屬材料，大大降低了材料的成本，特別適用于一種金屬和另一種金屬的大板面復合、管與管的焊接，和用其地辦法難于生產或不可能生產（如兩種金屬的溶點相差懸殊、熱膨脹系數以及硬度相差很大）的金屬焊合。

通過合理的熱處理工藝還可以恢復基板原始的力學性能和覆板的耐蝕性能，爆炸不銹鋼復合板還具有優良的綜合加工性能，是AP1000安注箱設備等的首選材料。

參考文獻

[1] 林誠格.非能動安全先進核電廠AP1000[S].北京：原子能出版社，2008.

[2] 張文博.AP1000安注箱的質量控制和檢驗[J].電站輔機，2013，34（3）：17-21.

[3] 陳敏.復合鋼板在AP1000安注箱制造中的應用[J].熱加工工藝，2013，42（20）：121-122，127.

[4] ASME Ⅱ，材料A篇鐵基材料標準[Z].

[5] 趙路遇，黃維學.不銹鋼復合板及其在石化設備上的應用[J].材料開發與應用，2000，15（1）：27-29.

[6] 邵丙橫，張凱.爆炸焊接原理及其工程應用[M].大連：大連理工大學出版社，1987：2-7.