吳樹輝，黃科峰，胡金力，陳國星

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

隨著我國核電建設(shè)的快速發(fā)展，將有越來越多的核電設(shè)備投入運(yùn)營，盡管設(shè)備材料在一定程度上會(huì)有所更新，但隨著運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)，構(gòu)件的老化、疲勞、應(yīng)力腐蝕這些問題仍是不可回避，這些問題仍然是影響設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要因素。近30年國內(nèi)外核電廠的實(shí)際運(yùn)行情況也證實(shí)了這一點(diǎn)，相當(dāng)一部分核電設(shè)備和結(jié)構(gòu)達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命，實(shí)際運(yùn)行壽命僅達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的20%左右[1]，這種局面目前仍未得到根本性的改變。以反應(yīng)堆壓力容器（RPV）為例, 輻照脆化和應(yīng)力腐蝕開裂仍是決定其壽命的關(guān)鍵因素，如何對(duì)在役設(shè)備的薄弱部位進(jìn)行強(qiáng)化，從而達(dá)到對(duì)設(shè)備的有效保養(yǎng)、延壽的效果，提高其安全穩(wěn)定運(yùn)行的水平，無論從經(jīng)濟(jì)效益還是社會(huì)效益都非常值得關(guān)注。激光噴丸技術(shù)在航空領(lǐng)域?qū)娇詹考某晒?yīng)用，以及取得的顯著強(qiáng)化效果，顯示了該技術(shù)在設(shè)備延壽方面的潛力，為其在核電領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

激光噴丸技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型表面強(qiáng)化技術(shù)。由于激光噴丸處理與其他噴丸技術(shù)比較，實(shí)施作業(yè)時(shí)沒有反彈介質(zhì)及反作用力產(chǎn)生，又能夠?qū)崿F(xiàn)精確遙控操作，由于不使用鋼砂等噴丸介質(zhì)，因此，不存在影響設(shè)備正常運(yùn)行的殘留物，而且對(duì)一些狹窄區(qū)域或形狀特殊的部位能夠?qū)崿F(xiàn)完整的作業(yè)[5]。更為關(guān)鍵的一點(diǎn)，同一構(gòu)件，激光噴丸的效果比普通噴丸要優(yōu)異得多，形成的壓應(yīng)力層深可以達(dá)到1 mm，而且不會(huì)傷及構(gòu)件的表面。由此推斷，激光噴丸是特別適合于核電設(shè)備保養(yǎng)延壽的技術(shù)。但由于核電設(shè)備的服役環(huán)境明顯有別于其他的設(shè)備，許多設(shè)備的不可拆卸及輻照環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，與航空部件上的應(yīng)用還有許多明顯的不同之處，還有待于針對(duì)性的深入研究與開發(fā)。

1 激光噴丸技術(shù)

激光噴丸技術(shù)又稱激光沖擊處理技術(shù)，是隨著強(qiáng)脈沖激光的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)。是利用1～50 ns的高峰值功率，功率密度大于109W/cm2脈沖激光束照射被處理的構(gòu)件表面，在被沖擊構(gòu)件的外表面由于吸收激光能量，在被處理基體的表面,發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，該等離子體受到約束層的約束作用（見圖1）,其高強(qiáng)度的應(yīng)力沖擊波將沖擊金屬表面,并向構(gòu)件的內(nèi)部傳播。當(dāng)激光沖擊波的沖擊力大于被沖擊材料的屈服強(qiáng)度時(shí),在構(gòu)件的表面,就會(huì)發(fā)生塑性變形，微觀結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生孿晶等晶體缺陷，會(huì)形成極其細(xì)小的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，在構(gòu)件的表層形成很大的殘余壓應(yīng)力層，從而使材料的近表面層的強(qiáng)度、硬度和抗疲勞、抗腐蝕性能都得以大幅度的提高。相當(dāng)于對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行了塑性加工，使表面形成殘余壓應(yīng)力的一項(xiàng)強(qiáng)化技術(shù)。與常規(guī)的表面強(qiáng)化工藝相比，激光沖擊強(qiáng)化處理對(duì)材料表面基本上無熱損傷或機(jī)械損傷，激光沖擊處理能獲得比普通噴丸深約2～5倍的殘余壓應(yīng)力層，能保持材料表面光潔度，適合于處理那些表面質(zhì)量要求較高的精加工部件或成品件，對(duì)投入運(yùn)營的核電機(jī)組來說，核島內(nèi)有些部件不能拆下來處理,而且很多部件處于水環(huán)境中，因此，對(duì)于在役核電設(shè)備而言，與航空部件的處理明顯不同：一方面，無法實(shí)現(xiàn)噴丸前在被處理部位的外表面貼吸收層,且有許多工作需在水下完成（見圖2）；另一方面，核島內(nèi)構(gòu)件有些是處于輻照區(qū),有些是作業(yè)空間狹窄等客觀條件，都決定了要實(shí)現(xiàn)在役核電設(shè)備的噴丸處理，必須因地制宜，開發(fā)一套能夠遠(yuǎn)距離操作，實(shí)現(xiàn)激光的準(zhǔn)確傳輸，終端能量的準(zhǔn)確計(jì)量的作業(yè)系統(tǒng)。

圖1 激光噴丸的基本原理示意圖[4]Fig.1 Fundamental principle schematic of laser-peening

圖2 水下激光噴丸示意圖[2]Fig.2 Schematic of underwater laser-peening

2 核電廠應(yīng)力腐蝕現(xiàn)狀

核電廠設(shè)備多因?yàn)楦鞣N不易克服的損傷（如應(yīng)力腐蝕、疲勞等）而提前退役（見圖3），當(dāng)然，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，采用性能更優(yōu)異的材料，可以一定程度的緩解應(yīng)力腐蝕或疲勞導(dǎo)致的破壞發(fā)生，但對(duì)于已投入運(yùn)營的機(jī)組，更換新材料做成的配件，有很大的局限性。而且核電廠內(nèi)大部分重要設(shè)備屬于不可更換或者極難更換的范圍，如反應(yīng)堆壓力容器（RPV）在安全上處于特殊地位，在電站壽命管理中，RPV被定義為“不可更換的敏感類設(shè)備”；蒸汽發(fā)生器也是不可輕易更換的設(shè)備。決定這些設(shè)備壽命的主要因素之一就是應(yīng)力腐蝕開裂[3]。因此，利用表面強(qiáng)化技術(shù)，對(duì)易出現(xiàn)老化或應(yīng)力腐蝕的部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)化處理,是最為現(xiàn)實(shí)可行的有效措施之一。

核電廠的應(yīng)力腐蝕破裂事件大部分與270～345 ℃范圍的高溫水質(zhì)環(huán)境相關(guān)，主要材料是不銹鋼、鎳基合金、鋯合金以及低合金鋼。從技術(shù)角度講，比較適合進(jìn)行激光噴丸處理。

圖3 某核電廠蒸汽發(fā)生器及控制棒導(dǎo)管出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕裂紋Fig.3 The stress corrosion crack of steam generator and control rod catheter in some nuclear power plants

2.1 沸水堆應(yīng)力腐蝕

沸水堆核電站中主要應(yīng)力腐蝕破裂問題的歷史演變?nèi)绫?所示。該堆型在歷史上發(fā)生重大損失的典型問題是發(fā)生在20世紀(jì)70年代及以后的不銹鋼等材料再循環(huán)管道的晶間應(yīng)力腐蝕破裂（IGSCC）。美國沸水堆在1980—1994年由于腐蝕問題導(dǎo)致的功率因子損失數(shù)值平均值為5%以上，在1984年達(dá)到峰值超過18%。在峰值時(shí)的功率因子損失幾乎都是由再循環(huán)管道晶間應(yīng)力腐蝕破裂造成的。

2.2 壓水堆應(yīng)力腐蝕

壓水堆核電站上發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的部位主要有蒸汽發(fā)生器傳熱管、蒸汽發(fā)生器以外的鎳基合金部件及焊接件、主回路不銹鋼管道和高強(qiáng)合金螺栓、堆內(nèi)的燃料包殼和結(jié)構(gòu)部件等。美國壓水堆在1980—1994年由于腐蝕問題導(dǎo)致的功率因子損失數(shù)值有一些差異，其平均值也在5%以上，在1982年達(dá)到峰值，大約為8%。

3 核電廠應(yīng)力腐蝕問題的解決方法

核電廠應(yīng)力腐蝕是核電領(lǐng)域亟待解決的重要問題之一，抗應(yīng)力腐蝕研究在核電設(shè)備安全領(lǐng)域占有重要地位，現(xiàn)在國內(nèi)外很多專家做了相關(guān)研究，針對(duì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件，出現(xiàn)了一些解決方法，但是各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）防腐處理，可采用多種防護(hù)措施，如涂層、襯里或陰極保護(hù)等，還可在介質(zhì)中加入緩釋劑，由于核電的很多設(shè)備含有放射性，涂層等措施都會(huì)受到應(yīng)用條件的限制，而且經(jīng)常停機(jī)維護(hù)設(shè)備，會(huì)大大降低核電廠的經(jīng)濟(jì)性，核電廠一、二回路水環(huán)境對(duì)水質(zhì)有很高要求，而且還會(huì)引起其他一些安全問題，不可能加入很多防腐物質(zhì)。

表1 沸水堆核電站中主要應(yīng)力腐蝕破裂問題的歷史演變Table 1 The evolution of SCC for boiling-water reactor nuclear power plant

（2）選用優(yōu)質(zhì)材料，核電廠大量采用了性能更好的金屬材料以提高材料抗應(yīng)力腐蝕的能力，使用優(yōu)質(zhì)材料是控制應(yīng)力腐蝕最簡單有效的辦法，但是不可能所有部件都更換優(yōu)質(zhì)材料，而且新材料也存在各種問題，考慮到經(jīng)濟(jì)上的巨大投入，更換材料并不是設(shè)備抗應(yīng)力防腐的最佳選擇。

（3）消除應(yīng)力處理，如常規(guī)噴丸、表面熱處理、整體高溫回火處理、爆炸法、機(jī)械拉伸法等。這些方法有一個(gè)共同之處，就是使用前設(shè)備必須在工廠內(nèi)就進(jìn)行應(yīng)力處理，無法做到對(duì)在役核電設(shè)備實(shí)施。

由于上述幾種方法都存在很大局限性，無法全面滿足在役核電設(shè)備的抗應(yīng)力腐蝕處理要求，因此，隨著核電的快速發(fā)展，對(duì)能有效提高在役核電設(shè)備構(gòu)件抗應(yīng)力腐蝕性能，且適合于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的技術(shù)手段的開發(fā)，變得越來越迫切。通過廣泛地調(diào)研認(rèn)識(shí)到，激光噴丸技術(shù)是比較理想的選擇。

4 核電激光技術(shù)應(yīng)用與其他領(lǐng)域應(yīng)用的區(qū)別

激光噴丸技術(shù)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用，與其他行業(yè)有相同之處，但也有明顯的不同。目前，航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，由于被處理件可以接近作業(yè)，可以采用大能量的激光，通過貼吸收層的辦法，既保證被處理件不受損傷，又能保證處理效果。但核電設(shè)備有很多部位不能直接接觸作業(yè)，而且很多待處理部位處在水下區(qū)域，因此，明顯不同的是，要能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，且要準(zhǔn)確把握在傳輸過程中能量的損耗，及不同介質(zhì)中傳播規(guī)律是實(shí)現(xiàn)核島內(nèi)激光噴丸處理的先決條件。

5 需要突破的技術(shù)難題

（1）核電設(shè)備的激光噴丸處理，涉及激光發(fā)生及傳導(dǎo)技術(shù)、遙控及自動(dòng)精確定位的自動(dòng)化控制技術(shù)，是一個(gè)典型的跨學(xué)科、多項(xiàng)高新技術(shù)集成的一項(xiàng)先進(jìn)的加工技術(shù)。但就目前來說，我國在激光發(fā)生器的制造及自控技術(shù)方面，與發(fā)達(dá)國家還有很大的差距，涉及敏感的激光技術(shù)又會(huì)遇到國外的技術(shù)封鎖，作為一項(xiàng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義的高端技術(shù)，更值得盡早著手開發(fā)。

（2）激光在不同的介質(zhì)中傳播，其傳播規(guī)律、能量變化都會(huì)不同，特別是流體的水中傳播，由于水不會(huì)靜止不變，其傳播規(guī)律就更為復(fù)雜，也是要重點(diǎn)攻關(guān)的課題。

（3）噴丸效果的評(píng)價(jià)。由于在大型設(shè)備上作業(yè)，又不可能局部取樣評(píng)定，所以，作業(yè)前更接近現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的模擬試樣的設(shè)計(jì)及工藝評(píng)定方案，也是確保處理效果的關(guān)鍵。

6 應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

東芝公司經(jīng)過近10年的開發(fā)，于2007年正式在核電設(shè)備上應(yīng)用激光噴丸技術(shù)（見圖4）。目前已經(jīng)有8臺(tái)機(jī)組的業(yè)績，日本原子能協(xié)會(huì)專門起草了核電設(shè)備噴丸技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則，由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果直接，效益顯著，解決了關(guān)系核電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題，引發(fā)了很多領(lǐng)域的重視。目前，激光噴丸技術(shù)已經(jīng)得到美國相關(guān)部門的認(rèn)可，將在美國的核電廠應(yīng)用，EPRI也就該技術(shù)與東芝公司開展了實(shí)質(zhì)性合作。

圖4 核島內(nèi)實(shí)施激光噴丸處理示意圖[2]Fig.4 Schematic of using laser-peening technique in nuclear island

7 結(jié)束語

激光技術(shù)本身有很多優(yōu)異的特性，作為其中應(yīng)用技術(shù)之一的噴丸技術(shù)，其顯著的強(qiáng)化效果和可操作性，使其有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，激光噴丸技術(shù)的性價(jià)比也會(huì)越來越高，也必將成為我國核電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障技術(shù)。

[1]唐輝.世界核電設(shè)備與結(jié)構(gòu)將長期面臨的一個(gè)問題——微動(dòng)損傷[J].核動(dòng)力工程，2006，21（3）：221.（TANG Hui.A Long-term Problem to be Faced by World Nuclear Power Equipment and Structure [J].Nuclear Power Engineering, 2006,21(3)：221.）

[2] Yuji sano，Naruhiko mukai，Yoshinobu makino.Enhancement of Surface Properties of MetalMaterials by Underwater Laser Processing[J]，The Review of Laser Engineering Supplemental Volume 2008.

[3]萬里航，劉鵬，陶余春.大亞灣核電站2號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器老化現(xiàn)狀的初步分析[J].核動(dòng)力工程，2004，25（1）：252.（WAN Li-hang, LIU Peng,TAO Yu-chun.Preliminary Analysis on the Ageing Status of Unit 2 Reactor Pressure Vessel of Daya Bay Nuclear Power Plant [J].Nuclear Power Engineering，2004，25（1）：252.）

[4]鄒世坤，王健，王華明.激光沖擊處理技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].材料工程，2001.（ZOU Shi-kun，WANG Jian，WANG Hua-ming.The Development of Laser Impact Processing Technique [J].Material Engineering，2001.）

[5]（株）東芝佐野雄二、小畑稔、濱本良男、鳩誠之、レーザーピーニング技術(shù)の開発と原子爐爐心シュラウドへの適用、「材料」（J.Soc.Mat.Scl,japan），Vol.49.