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(yán)格滿足設(shè)計(jì)要求，該文介紹了AP1000安注箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其對材料性能的要求，闡述了爆炸復(fù)合原理及爆炸復(fù)合生產(chǎn)安注箱復(fù)合板的過程，總結(jié)了爆炸復(fù)合的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)爆炸復(fù)合所生產(chǎn)的復(fù)合板能夠滿足安注箱對材料的要求，認(rèn)為爆炸復(fù)合技術(shù)適用于AP1000安注箱的制造。

關(guān)鍵詞：爆炸復(fù)合 安注箱 AP1000

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

我國引入了AP1000核電技術(shù)，是一種先進(jìn)的非能動型壓水堆核電技術(shù)[1]。非能動安全系統(tǒng)是大型先進(jìn)壓水堆核電系統(tǒng)中的重要組成部分，包括非能動堆芯冷卻系統(tǒng)、非能動安全殼冷卻系統(tǒng)和安全殼隔離與卸壓系統(tǒng)等。安注箱是其中的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著迅速冷卻堆芯的作用。

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

1 安注箱概述

1.1 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

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(fù)合板拼焊而成，中間筒體由6塊相同尺寸的瓜瓣形復(fù)合板拼焊而成[2]。

1.2 復(fù)合板材料的選用

安注箱內(nèi)充含硼水，故其覆板材料需一定的防腐蝕性。內(nèi)充氮?dú)庾鳛楦采w氣體，正常工況承受4.8 MPa的內(nèi)壓，因此基板材料具有一定的強(qiáng)度。殼體采用不銹鋼復(fù)合鋼板制成，外層（基板）作為殼體的主要承壓材料，內(nèi)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(shè)計(jì)所需的強(qiáng)度要求。將兩種材料復(fù)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(fù)合在安注箱制造中的應(yīng)用

AP1000在安注箱設(shè)計(jì)上采用了復(fù)合板制造的球形容器結(jié)構(gòu)形式，在核島關(guān)鍵設(shè)備的應(yīng)用上屬首次[4]。傳統(tǒng)的軋制復(fù)合板，與爆炸復(fù)合板相比，雖界面結(jié)合強(qiáng)度較低，但生產(chǎn)工藝成熟，生產(chǎn)質(zhì)量容易控制。隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，爆炸復(fù)合板優(yōu)異的界面結(jié)合性能得到了廣泛的重視。

2 爆炸復(fù)合的原理及參數(shù)選擇

2.1 爆炸復(fù)合原理

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

以爆轟波速VD傳播，在距引爆端不遠(yuǎn)處，爆速VD達(dá)到穩(wěn)定。復(fù)板在爆轟產(chǎn)物壓力作用下以VP向下飛行，VP的準(zhǔn)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(fù)合法中彎折角等于碰撞角β，隨著爆轟的進(jìn)行，碰撞點(diǎn)C也以速度VCP自左向右進(jìn)行。在復(fù)板平行放置情況下VCP=VD。如果把坐標(biāo)系取在碰撞點(diǎn)C上，讓它隨同碰撞點(diǎn)C一起運(yùn)動，那么對此坐標(biāo)系來說，復(fù)板運(yùn)動速度VP、碰撞角β、碰撞點(diǎn)運(yùn)動速度VCP的關(guān)系滿足如下關(guān)系式[5]：

兩塊被復(fù)合的金屬板材在炸藥的爆轟下實(shí)現(xiàn)高速斜碰撞，在微秒量級時間內(nèi)，在碰撞點(diǎn)附近產(chǎn)生高度106～107/s的應(yīng)變率以及高達(dá)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(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚虼伺鲎颤c(diǎn)附近溫度的急劇升高，其升溫速度達(dá)到108～9 K/s，溫度的升高將導(dǎo)致材料強(qiáng)度的下降，碰撞點(diǎn)附近金屬板材呈現(xiàn)流體性態(tài)。流體狀態(tài)的復(fù)合板在碰撞點(diǎn)處分成兩股運(yùn)動方向相反的金屬射流。射流的形成意味著從兩塊互相復(fù)合的金屬板材的內(nèi)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(fù)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(diǎn)的下游，其厚度為基覆板的95%～98%，使基覆板結(jié)合。

2.2 爆炸復(fù)合工藝參數(shù)的選擇原則

為了獲得較好的質(zhì)量，既要保證射流的產(chǎn)生，又要避免界面結(jié)合層內(nèi)過度熔化。碰撞點(diǎn)速度必須在亞音速范圍內(nèi)，即碰撞點(diǎn)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(fù)合質(zhì)量。

碰撞角β應(yīng)處于一定范圍內(nèi)，這一取值范圍取決于材料的性質(zhì)和表面狀態(tài)。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(dǎo)致無法進(jìn)行自清理而失效。碰撞角越大，則覆板飛行速度越大，高壓區(qū)范圍越大，出現(xiàn)過度熔化，引起結(jié)合面強(qiáng)度下降。過熔現(xiàn)象是不允許的，故碰撞角應(yīng)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(shù)來實(shí)現(xiàn)的[6]。

3 安注箱復(fù)合板生產(chǎn)工藝流程

3.1 復(fù)合板生產(chǎn)前期準(zhǔn)備

（1）投料前確認(rèn)。核對材料物證一致，并標(biāo)記復(fù)合板編號，核對來料尺寸。

（2）劃線、下料?；迮c覆板進(jìn)行劃線、切割。

（3）覆板、基板爆炸復(fù)合前準(zhǔn)備。對封頭用覆板進(jìn)行拼接焊，進(jìn)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(jié)合表面，涂保護(hù)層，基體材料不允許補(bǔ)焊和拼接。

3.2 安注箱復(fù)合板生產(chǎn)過程

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

（2）復(fù)合板熱處理。預(yù)熱845 ℃～980 ℃，均溫，水中淬火；回火，保溫溫度不應(yīng)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(yàn)與檢驗(yàn)?；诎沧⑾涫褂脡勖鼮?0年，在整個核電站壽期內(nèi)必須確保安注箱壓力邊界的完整性對制造出的復(fù)合鋼板進(jìn)行熱處理后，需測試其性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

對于部分試驗(yàn)項(xiàng)目，若試樣有任何加工缺陷或傷痕，或試驗(yàn)結(jié)果不合格但滿足一定的條件，該試樣可報(bào)廢，并復(fù)試，應(yīng)取雙倍數(shù)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(yàn)結(jié)果必須均滿足質(zhì)量要求。只有各項(xiàng)試驗(yàn)合格后，方能進(jìn)行下序。

（4）校平、劃線、切邊。采用三輥卷板機(jī)對復(fù)合板進(jìn)行校平、劃線，采用等離子切割機(jī)進(jìn)行切割。

（5）無損檢驗(yàn)與未結(jié)合區(qū)補(bǔ)焊。復(fù)合板進(jìn)行目視檢查，復(fù)層與基層表面不得有氣泡、結(jié)疤裂紋、折疊等缺陷，允許采用修磨的方法清除，復(fù)層缺陷清除后應(yīng)保證允許的最小厚度，基層材料清除深度不得超過允許負(fù)偏差的一半，清除區(qū)域應(yīng)圓滑過渡。對復(fù)合板進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)未結(jié)合區(qū)發(fā)現(xiàn)缺陷，需清除并用滲透檢驗(yàn)未結(jié)合區(qū)缺陷是否徹底清除，隨后補(bǔ)焊，補(bǔ)焊完成后對補(bǔ)焊區(qū)域及其熱影響區(qū)進(jìn)行100%超聲波檢驗(yàn)與滲透檢驗(yàn)。

（6）復(fù)層表面酸洗鈍化。對復(fù)層進(jìn)行酸洗鈍化，當(dāng)復(fù)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(jìn)行中和與干燥。

3.3 安注箱復(fù)合板后期處理

（1）標(biāo)識。采用低應(yīng)力鋼印標(biāo)識，鋼印標(biāo)識內(nèi)容包括復(fù)合板序號、材料型號、復(fù)合板尺寸、試驗(yàn)識別號等。

（2）清潔包裝：清理基、復(fù)層表面灰塵、浮銹以及氧化皮，在復(fù)層表面先覆蓋塑料布，再鋪黃板紙，避免在儲存、運(yùn)輸過程中發(fā)生銹蝕、劃傷，最后將復(fù)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(biāo)識：合同號、板號。

4 結(jié)語

通過上述內(nèi)容可知，爆炸法生產(chǎn)大面積不銹鋼復(fù)合板，具有生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品規(guī)格齊全、不銹鋼復(fù)合板的界面復(fù)合狀態(tài)好、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，面積為幾平方米的板材焊接，爆炸復(fù)合過程只要在千分之幾秒內(nèi)就可完成。

復(fù)合后的板材不僅能滿足工業(yè)上對耐腐蝕、耐高溫、耐高壓的需求，而且能夠節(jié)約優(yōu)質(zhì)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(fù)合、管與管的焊接，和用其地辦法難于生產(chǎn)或不可能生產(chǎn)（如兩種金屬的溶點(diǎn)相差懸殊、熱膨脹系數(shù)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(fù)基板原始的力學(xué)性能和覆板的耐蝕性能，爆炸不銹鋼復(fù)合板還具有優(yōu)良的綜合加工性能，是AP1000安注箱設(shè)備等的首選材料。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3] 陳敏.復(fù)合鋼板在AP1000安注箱制造中的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)[Z].

[5] 趙路遇，黃維學(xué).不銹鋼復(fù)合板及其在石化設(shè)備上的應(yīng)用[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2000，15（1）：27-29.

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