核電站水箱不銹鋼襯里焊接修復技術及其泄漏檢測

厲福海，周小兵，肖 鵬

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

1 引言

不銹鋼襯里被廣泛應用于核電站高放射性水箱、核燃料轉運通道、高放射性工具存放間等，例如反應堆換料水池、反應堆堆腔水池、乏燃料水池等，它是隔離和阻擋放射性物質的第一道重要屏障。

硼酸作為核電站一回路的中子化學毒物冷卻劑，主要作用是補償控制棒對核反應堆反應性的控制。硼酸在一回路環境下對系統設備的腐蝕危害很小，一旦硼酸發生泄漏，就會對鐵素體鋼部件產生硼酸腐蝕。

2 水箱結構及泄漏危害

國內某核電站水箱用于貯存溫度為75℃、質量濃度為15 g/L的一回路含硼水，水箱尺寸為20 m×12 m×6 m，容積約為1 300 m3，要求機組正常運行時儲水量不低于1 000 m3。水箱內部是由厚度為3 mm，寬度為1 000 mm，長度為3 500 mm的A321奧氏體不銹鋼襯里拼接而成，水箱頂部開有2個1.0 m×1.0 m的人孔。

水箱是核電站一回路主要的輔助系統設備，貯存有低濃度硼酸溶液，用于參與一回路調硼。一旦水箱發生泄漏，放射性物質就存在外泄的重大風險，并且當水箱發生泄漏后，其泄漏點的位置確定和修復都有較高的技術難度。

據文獻資料統計，國內幾乎每個核電廠在不同階段都發生過水池泄漏的問題，例如秦山一期、二期核電廠水池泄漏，嶺澳核電站1號機組乏燃料貯存水池在投入運行前期出現泄漏；國外核電廠，比如美國的佐治亞電廠哈奇1號機組、巴基斯坦的恰希瑪核電廠和日本某些電廠的不銹鋼鋼襯里均發生過泄漏的問題。

目前發現水箱不銹鋼襯里焊縫和母材表面有不同程度的腐蝕開裂，導致硼酸外漏。經分析，硼酸水箱鋼襯里開裂機制為應力腐蝕開裂。

3 水箱不銹鋼襯里焊接修復

現階段，可以采用的不銹鋼襯里修復技術有很多，但對于存在高放射性的核電站水箱泄漏采用何種修復方法，只能依據其泄漏的嚴重程度來判斷。本文采取隔離排空后對不銹鋼襯里進行整體焊接修復。

3.1 不銹鋼母材和焊材選擇

由于不銹鋼水箱處于低濃度硼酸溶液中，并且常接觸含有大量氯離子的環境，這種環境對不銹鋼有極高的腐蝕性。因此，作為水箱襯里的板材必須具有耐腐蝕性且有抗氯離子腐蝕的能力。單相奧氏體不銹鋼對氯離子應力腐蝕比較敏感，并不適用于水箱本體的海洋氣候環境。而采用鐵素體奧氏體雙相不銹鋼，使得材料兼備耐蝕和結構要求的性能，所以，選用S2205雙相不銹鋼作為焊接母材。

該基體組織含有Cr、Mo、N和Ni等元素，Cr和Mo元素有利于鐵素體的形成，Ni和N元素則是為了奧氏體相的析出。其中，Cr、Mo和N元素含量比較高，使得其抗腐蝕性能優于304L和316L等普通不銹鋼。另外，該組織含有奧氏體和鐵素體，其優良的韌性、焊接性、高強度和耐氯腐蝕性能高效地結合在一起。S2205雙相不銹鋼化學成分如表1所示。

表1 S2205雙相不銹鋼化學成分（%）

根據焊材應與母材相匹配的原則，可以選用ER2209的焊絲與之搭配使用，其化學成分如表2所示。焊絲與母材的化學成分比較類似，但增加了Ni的含量，比母材高出2.8%.這樣做，就可以提高相變溫度，促使δ向γ的轉變，同時，也能起到抑制焊縫中鐵素體相過量增加的作用，保持相比例的平衡。但是，Ni含量的比例不宜過高，以免單一鐵素體轉變為雙相凝固時發生元素偏析。

表2 ER2209焊絲及熔敷金屬化學成分（%）

3.2 焊接工藝評定

在不銹鋼襯里焊接修復前，必須對雙相不銹鋼焊接進行工藝評定，獲得可靠和穩定的焊接工藝參數范圍。焊接接頭外觀及其力學性能要符合ASME IX標準的要求，通過試驗得出其中的主要焊接參數，具體如表3所示。

表3 焊接參數

3.3 不銹鋼襯里焊接工藝

水箱不銹鋼襯里的焊接修復主要采取以下措施。

3.3.1 焊接方法和參數

為了保證水箱不銹鋼襯里的焊接質量，采用手工鎢極氬弧焊和自動鎢極氬弧焊2種工藝相結合的方法，這樣既可以滿足單面焊雙面成型，又可以減少輻射防護危險，大大提高了焊接效率，縮短了施工周期，降低了施工成本。為了保證焊接質量，應在滿足焊接接頭性能的前提下，盡可能地降低焊接熱輸入，同時，控制焊接層間的溫度，使其不超多100℃，以減小焊接變形。

3.3.2 焊接順序

先檢查不銹鋼板材間的坡口形式、組對間隙、錯邊量和平整度，再進行定位焊焊接，間距為50 mm即可，同時，使用木錘敲擊定位焊部位，以便不銹鋼襯里板與水箱本體緊密貼合。

水箱不銹鋼襯里的焊接順序一般由側面襯里至底面襯里，優先選擇焊接立縫，其次焊接橫縫。在焊接過程中，應采取分段退焊的工藝，分段退焊長度不應超過500 mm，相鄰立縫同時對稱焊接。

3.3.3 剛性固定

為了防止不銹鋼襯里焊接變形，在焊前采用反變形和專用卡具進行剛性固定。

4 泄漏檢測技術

水箱不銹鋼襯里焊接修復完成后，依次對焊縫進行目視、真空發泡法、液體滲透等無損檢測，最后對焊縫表面進行酸洗鈍化處理。

4.1 外觀目視檢驗

外觀目視主要是通過直接目視或放大鏡檢查，焊縫表面不允許有裂紋、燒穿、弧坑、焊瘤、孔洞和未焊透等焊接缺陷。在100 mm焊縫長度范圍內，最多允許存在4個最大尺寸不超過1 mm的表面氣孔。

4.2 真空發泡法

真空發泡法檢驗是先將起泡溶液涂覆在不銹鋼襯里焊縫和鄰近母材表面，再將真空盒置于焊縫上，然后通過真空泵抽真空，使得盒內壓力與周圍空氣的壓差達到0.3×105Pa為止，持續保壓20 s，觀察盒內是否有氣泡，若無，則證明被檢驗焊縫合格。

4.3 液體滲透檢驗

液體滲透檢驗在水箱泄漏檢驗中應用較為普遍，因為其操作簡單、直觀，對于裂紋和氣孔等表面缺陷具有很高的靈敏度。按照ASME IX卷QW-195要求，對焊接修復區域進行100%液體滲透檢測并驗收。

經目視檢驗、真空發泡法和液體滲透檢驗后，確認不銹鋼襯里焊接修復質量達到標準要求，最后對焊縫及其熱影響區，以及受到污染、損傷的表面實施酸洗鈍化處理。

5 結論

核電站水箱不銹鋼襯里容易發生泄漏的問題，當泄漏發生后，放射性物質存在外泄的重大風險，并且其泄漏點的位置確定和修復存在較大的技術難度。

采用隔離排空后對水箱進行整體焊接修復，通過選擇合適的母材和焊材，制定嚴格的焊接工藝措施和實施焊后泄漏檢測，有效解決了核電水箱不銹鋼襯里焊接修復技術難題，最終證明了焊接修復技術的可行性，為同類核電站不銹鋼襯里焊接修復提供了重要借鑒。