核電工程貫穿件密封技術研究

馬占營+張俊麗+王楚涵

摘 要：核電工程項目中貫穿件的密封性優(yōu)劣是影響項目安全性和可靠性的關鍵因素，隨著能源資源危機和溫室效應的不斷加重，核電站工程越來越受到各個國家的重視，核電站作為能夠清潔生產電力的重要手段，在保護環(huán)境和節(jié)約能源中具有明顯的優(yōu)勢。但是，核電工程也給人們帶來極大的安全威脅，即核泄漏問題，貫穿件密封技術與核泄漏密切相關，保證貫穿件密封技術的質量是確保核電工程安全運行的前提。

關鍵詞：核電工程；貫穿件；密封技術

中圖分類號：TM623 文獻標志碼：A

0 前言

日本福島核電站泄露事件給世界各國核工業(yè)敲響了警鐘，由核泄漏導致的生化危機給環(huán)境帶來了不可逆的嚴重破壞，目前日本福島核電站造成的危機依然在持續(xù)，據調查顯示，核電站附近大量物種體內仍具有較高含量的放射性物質，國內大量物種出現畸形，因此，保證核電工程的安全性，確保貫穿件密封性達到要求是至關重要的。

1 核電站貫穿件密封技術現狀

據研究表明，目前絕大多數核電工程貫穿件采用有機材料旋鍛密封方法。有機材料往往玻璃化溫度比較低，容易在高溫下軟化，當長期處于高輻射狀態(tài)和高溫環(huán)境中時，有機材料的機械性能和使用性能會發(fā)生明顯下降，嚴重影響其使用的可靠度。在本文中，我們可以將金屬和陶瓷釬焊，從而用無機手段密封貫穿件，以滿足在嚴苛使用環(huán)境中的需求。但從材料本身出發(fā)，陶瓷潤濕性不好，金屬與陶瓷間存在較大的物化性質差異，導致釬焊界面會殘留比較大的剩余應力，影響焊接處的穩(wěn)定性。為了解決這一問題，有兩種方法可供選擇，其中一種是在陶瓷中添加活性元素，另一種是對陶瓷進行金屬化的處理工作之后再進行連接。這兩種方法均能有效解決陶瓷潤濕性差的問題，且操作相對比較簡單，在實際工程領域有著十分廣泛的應用。

在釬焊過程中，因為活性釬料很容易在空氣中氧化而生成比較脆的金屬間化合物，而且生產成本也相對比較高，因此我們在下文中主要討論如何通過設計釬焊工藝和合理構造，以減少剩余應力的產生，盡可能地使焊接缺陷少，密封性良好，并節(jié)約成本，提高核電工程的經濟效益。

3 實踐部分

3.1 實驗方法

釬焊選擇的母材為無氧銅、4J33可伐合金、95%三氧化二鋁陶瓷，在陶瓷表面首先用鉬-錳法進行金屬化處理，并用電鍍的方法在表面覆蓋5μm左右厚度的鎳，以提高陶瓷釬料之前的潤濕性。

將可伐環(huán)釬焊在陶瓷外表面，無氧銅棒釬焊在陶瓷內表面，并在無氧銅棒和內表面間通過無氧的銅環(huán)過渡以減少焊接過程中產生的大量剩余應力，降低應力造成的機械損傷，銅環(huán)大多0.6mm厚。釬料選擇銀-銅28共晶組分，并分別在500℃和700℃保溫一個小時，防止釬焊過程中因為溫度急劇升高而造成大量剩余應力的產生。一般以850℃作為釬焊的平均溫度，焊接時間不能過長，要控制在5min左右，也不能過短防止釬料未能完全反應。在釬焊工作結束之后，用質譜檢漏儀檢查貫穿件密封性是否合格，并用金相檢測手段制備相應部位的金相樣品，通過掃描電鏡和能譜儀進行分析。

3.2 實驗結果和討論

3.2.1 氣密性

此次試驗中，利用金屬與陶瓷釬焊來完成貫穿件之間的無機密封，通過氣密性檢測實驗可以發(fā)現，泄漏率滿足實際使用標準，說明實驗具有實際應用價值。

3.2.2 釬焊接頭組織

通過金相圖像可以發(fā)現，銅和釬料在焊接的過程中實現了完全的擴散，接頭部位沒有明顯的缺陷且界面具有波浪形的特征。從掃描電鏡圖中觀察微觀圖像可以發(fā)現，在接頭中間位置處有灰色相和白色相的雜亂分布，在兩相周圍出現共晶組織，其中共晶組織中銅和銀的含量要高于共晶釬料，約是其二倍。在焊接過程中，如果溫度超過兩種金屬的共晶溫度會出現釬料融化，銅元素發(fā)生溶解，并向釬料中擴散，造成釬料中銅元素含量的上升。

無氧銅環(huán)和釬料截面沒有明顯的缺陷并呈波浪形，當加熱溫度達到共晶點時，無氧銅環(huán)中的銅元素會發(fā)生溶解擴散，從而造成在銅環(huán)位置的附近液態(tài)釬料中銅元素含量明顯上升。通過研究發(fā)現，利用銅銀28共晶釬料焊接母材和無氧銅時，鎳元素會沿著銅晶界不斷向內擴散，而造成接頭塑性和強度的嚴重降低。從本次試驗來看，由于避免了鎳元素的擴散，從而有效降低了鎳元素沿著晶界擴散造成的影響。

從金相圖中我們可以看出，可伐合金界面、陶瓷鍍鎳層以及釬料之間形成了灰色的中間層，接頭中沒有明顯的焊接缺陷。中間層中一部分是銅基的固溶體，含有較多的銀元素，銀元素附近具有比較多的共晶組織。從能譜分析中來看，中間層還具有較多的鎳元素和銅元素，在釬焊的過程中，鎳元素會沿著釬料發(fā)生較大的擴散，形成鎳-銅固溶體。

陶瓷鍍鎳截面與釬料中間層為銅-鎳固溶體，同時具有少量的錳、鉬、氧以及銀等元素，固溶體的厚度在7μm左右，并隨著離界面距離不斷增加，鎳元素含量不但減少。

在焊接的過程中，陶瓷金屬化層中的氧、錳以及鉬等元素也能夠進行充分的擴散，并擴散至中間層的較深部位。

3.3 結論

首先利用對陶瓷材料表面的金屬化處理，然后使用普通釬料進行焊接，可以有效降低生產的成本，實現金屬與陶瓷的無縫釬焊，不僅能夠滿足核電工程貫穿件的使用氣密性要求，而且還大大提高了生產效率，滿足了接頭的使用要求。

將無氧銅作為無氧銅棒和陶瓷釬焊時的過渡層，可以有效減少在釬焊過程中產生的較大剩余應力，從而有效避免裂縫和氣泡的產生，提高焊接部位的強度和韌性。

無氧銅環(huán)和無氧銅棒釬焊接頭部位主要為白色的銀基固溶體、灰色的銅基固溶體以及銅-銀共晶組織。陶瓷與可伐合金、陶瓷與無氧銅環(huán)釬焊接頭主要為銅基固溶體、銀-銅共晶組織、鎳-銅固溶體。

4 玻璃-金屬貫穿件使用現狀

玻璃-金屬貫穿件使用至今已有60多年的歷史，核泄漏事故的頻發(fā)使得人們認識到聚合物密封的不足，并在無機材料方面給予了極大的關注，其中肖特發(fā)明了玻璃-金屬貫穿件在世界上引起了極大的轟動。與傳統(tǒng)的高分子材料密封件相比，無機材料-金屬密封技術具有更高的安全性和可靠性，能夠保證電氣貫穿件的完整性和密封性，而且無機材料的使用壽命更長，在耐老化方面的優(yōu)勢要遠遠高于有機材料，還具有良好的抗輻射和隔熱性能。肖特與西屋電氣公司在關于電氣貫穿件抗震的質量鑒定進行的實驗探究中可以得到，經玻璃-金屬密封技術處理的貫穿件能夠抵抗里氏12級地震，即即使有特大地震發(fā)生，核電站依然能夠穩(wěn)定運行，避免核泄漏的發(fā)生。與此同時，肖特貫穿件的價格較低，且終生免維護，從而極大地降低了產品生產成本，而且因為無機材料具有較強的耐腐蝕和抗老化性能，能夠長時間地在高溫高壓環(huán)境中使用，具有很好的環(huán)保價值。

結語

綜上所述，優(yōu)異的貫穿件密封技術對于核電工程的安全性和穩(wěn)定性至關重要，只有保證貫穿件密封性的質量，才能避免因為各種事故而引發(fā)的核泄漏問題，從而保證綠色核資源的使用。在本文中，我們就當今大熱的無機材料-金屬釬焊密封技術進行分析，指出了密封過程中的要點，并對實驗結果進行了詳細的分析，以期能夠為相關核電工程領域工作提供一定的參考。

參考文獻

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