厉福海，周小兵，肖 鹏

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

1 引言

不锈钢衬里被广泛应用于核电站高放射性水箱、核燃料转运通道、高放射性工具存放间等，例如反应堆换料水池、反应堆堆腔水池、乏燃料水池等，它是隔离和阻挡放射性物质的第一道重要屏障。

硼酸作为核电站一回路的中子化学毒物冷却剂，主要作用是补偿控制棒对核反应堆反应性的控制。硼酸在一回路环境下对系统设备的腐蚀危害很小，一旦硼酸发生泄漏，就会对铁素体钢部件产生硼酸腐蚀。

2 水箱结构及泄漏危害

国内某核电站水箱用于贮存温度为75℃、质量浓度为15 g/L的一回路含硼水，水箱尺寸为20 m×12 m×6 m，容积约为1 300 m3，要求机组正常运行时储水量不低于1 000 m3。水箱内部是由厚度为3 mm，宽度为1 000 mm，长度为3 500 mm的A321奥氏体不锈钢衬里拼接而成，水箱顶部开有2个1.0 m×1.0 m的人孔。

水箱是核电站一回路主要的辅助系统设备，贮存有低浓度硼酸溶液，用于参与一回路调硼。一旦水箱发生泄漏，放射性物质就存在外泄的重大风险，并且当水箱发生泄漏后，其泄漏点的位置确定和修复都有较高的技术难度。

据文献资料统计，国内几乎每个核电厂在不同阶段都发生过水池泄漏的问题，例如秦山一期、二期核电厂水池泄漏，岭澳核电站1号机组乏燃料贮存水池在投入运行前期出现泄漏；国外核电厂，比如美国的佐治亚电厂哈奇1号机组、巴基斯坦的恰希玛核电厂和日本某些电厂的不锈钢钢衬里均发生过泄漏的问题。

目前发现水箱不锈钢衬里焊缝和母材表面有不同程度的腐蚀开裂，导致硼酸外漏。经分析，硼酸水箱钢衬里开裂机制为应力腐蚀开裂。

3 水箱不锈钢衬里焊接修复

现阶段，可以采用的不锈钢衬里修复技术有很多，但对于存在高放射性的核电站水箱泄漏采用何种修复方法，只能依据其泄漏的严重程度来判断。本文采取隔离排空后对不锈钢衬里进行整体焊接修复。

3.1 不锈钢母材和焊材选择

由于不锈钢水箱处于低浓度硼酸溶液中，并且常接触含有大量氯离子的环境，这种环境对不锈钢有极高的腐蚀性。因此，作为水箱衬里的板材必须具有耐腐蚀性且有抗氯离子腐蚀的能力。单相奥氏体不锈钢对氯离子应力腐蚀比较敏感，并不适用于水箱本体的海洋气候环境。而采用铁素体奥氏体双相不锈钢，使得材料兼备耐蚀和结构要求的性能，所以，选用S2205双相不锈钢作为焊接母材。

该基体组织含有Cr、Mo、N和Ni等元素，Cr和Mo元素有利于铁素体的形成，Ni和N元素则是为了奥氏体相的析出。其中，Cr、Mo和N元素含量比较高，使得其抗腐蚀性能优于304L和316L等普通不锈钢。另外，该组织含有奥氏体和铁素体，其优良的韧性、焊接性、高强度和耐氯腐蚀性能高效地结合在一起。S2205双相不锈钢化学成分如表1所示。

表1 S2205双相不锈钢化学成分（%）

根据焊材应与母材相匹配的原则，可以选用ER2209的焊丝与之搭配使用，其化学成分如表2所示。焊丝与母材的化学成分比较类似，但增加了Ni的含量，比母材高出2.8%.这样做，就可以提高相变温度，促使δ向γ的转变，同时，也能起到抑制焊缝中铁素体相过量增加的作用，保持相比例的平衡。但是，Ni含量的比例不宜过高，以免单一铁素体转变为双相凝固时发生元素偏析。

表2 ER2209焊丝及熔敷金属化学成分（%）

3.2 焊接工艺评定

在不锈钢衬里焊接修复前，必须对双相不锈钢焊接进行工艺评定，获得可靠和稳定的焊接工艺参数范围。焊接接头外观及其力学性能要符合ASME IX标准的要求，通过试验得出其中的主要焊接参数，具体如表3所示。

表3 焊接参数

3.3 不锈钢衬里焊接工艺

水箱不锈钢衬里的焊接修复主要采取以下措施。

3.3.1 焊接方法和参数

为了保证水箱不锈钢衬里的焊接质量，采用手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊2种工艺相结合的方法，这样既可以满足单面焊双面成型，又可以减少辐射防护危险，大大提高了焊接效率，缩短了施工周期，降低了施工成本。为了保证焊接质量，应在满足焊接接头性能的前提下，尽可能地降低焊接热输入，同时，控制焊接层间的温度，使其不超多100℃，以减小焊接变形。

3.3.2 焊接顺序

先检查不锈钢板材间的坡口形式、组对间隙、错边量和平整度，再进行定位焊焊接，间距为50 mm即可，同时，使用木锤敲击定位焊部位，以便不锈钢衬里板与水箱本体紧密贴合。

水箱不锈钢衬里的焊接顺序一般由侧面衬里至底面衬里，优先选择焊接立缝，其次焊接横缝。在焊接过程中，应采取分段退焊的工艺，分段退焊长度不应超过500 mm，相邻立缝同时对称焊接。

3.3.3 刚性固定

为了防止不锈钢衬里焊接变形，在焊前采用反变形和专用卡具进行刚性固定。

4 泄漏检测技术

水箱不锈钢衬里焊接修复完成后，依次对焊缝进行目视、真空发泡法、液体渗透等无损检测，最后对焊缝表面进行酸洗钝化处理。

4.1 外观目视检验

外观目视主要是通过直接目视或放大镜检查，焊缝表面不允许有裂纹、烧穿、弧坑、焊瘤、孔洞和未焊透等焊接缺陷。在100 mm焊缝长度范围内，最多允许存在4个最大尺寸不超过1 mm的表面气孔。

4.2 真空发泡法

真空发泡法检验是先将起泡溶液涂覆在不锈钢衬里焊缝和邻近母材表面，再将真空盒置于焊缝上，然后通过真空泵抽真空，使得盒内压力与周围空气的压差达到0.3×105Pa为止，持续保压20 s，观察盒内是否有气泡，若无，则证明被检验焊缝合格。

4.3 液体渗透检验

液体渗透检验在水箱泄漏检验中应用较为普遍，因为其操作简单、直观，对于裂纹和气孔等表面缺陷具有很高的灵敏度。按照ASME IX卷QW-195要求，对焊接修复区域进行100%液体渗透检测并验收。

经目视检验、真空发泡法和液体渗透检验后，确认不锈钢衬里焊接修复质量达到标准要求，最后对焊缝及其热影响区，以及受到污染、损伤的表面实施酸洗钝化处理。

5 结论

核电站水箱不锈钢衬里容易发生泄漏的问题，当泄漏发生后，放射性物质存在外泄的重大风险，并且其泄漏点的位置确定和修复存在较大的技术难度。

采用隔离排空后对水箱进行整体焊接修复，通过选择合适的母材和焊材，制定严格的焊接工艺措施和实施焊后泄漏检测，有效解决了核电水箱不锈钢衬里焊接修复技术难题，最终证明了焊接修复技术的可行性，为同类核电站不锈钢衬里焊接修复提供了重要借鉴。