核電站核島主設備系統里有大量的焊接接頭，主要形式有反應堆壓力容器內部堆焊、安全端異種鋼的連接，套管與封頭球面“J”型特殊坡口焊接，蒸汽發生器管板鎳基合金堆焊，管道管板封口焊以及不銹鋼主管道的焊接等，是核電站核島設備內大型構件的連接部分，也是隔離低合金鋼容器與冷卻劑高溫水的阻擋層。關節是一種的致密結締組織，是人體內的重要器官，其主要功能是連接支撐人體軀干的骨骼系統。人類受到外力沖擊時最容易出現跌打損傷的是關節部位。類似地，核電站焊接接頭在載荷、環境或者二者的共同作用下，是容易出現損傷的薄弱部位。像人類注意保護關節避免損傷那樣，精心呵護好核電站的關節？焊接接頭，是核電站健康安全運行維護中的重要議題。

1. 舉足輕重：并駕齊驅的核能與其安全性

從上個世紀起，由于全球化石能源的過度使用，儲量急劇下降并將在不久內枯竭，而隨著世界人口快速增長和經濟的發展需要更多的能源。我國的經濟在粗放的模式下快速發展，能源利用效率較低，國內能源供給矛盾突出，環境壓力日益加重致使新能源的使用就成為了必然[1]。繼原子核的神秘面紗被人類揭開后，原子能走上歷史的舞臺，原子能又稱為核能，即原子核發生變化時所產生的能量。相比于傳統的化石燃料，利用核能為人類提供能源，可以避免向大氣直接排放污染性物質，不會產生加劇地球溫室效應的二氧化碳。而且核燃料的能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，運輸與儲存都很方便。核能發電的成本中，燃料費用所占的比例較低，核能發電的成本較不易受到國際經濟情勢影響，故發電成本較其他發電方法更穩定。

但是核電站一旦發生泄漏事故，其結果與危害往往是不可估量的。世界上第一座核電站于1954年在前蘇聯建成并投入使用，主要作用是以試驗示范形式來驗證核電能否被運用到工程之中。但在核電站處于高速發展時，先后卻于1979年在美國、1986年在前蘇聯發生核事故，這促使人們逐漸冷靜下來，重新考慮核電站運行的安全問題。在進入世界核電復興時期，2011年3月由日本大地震引發的福島核電站重大泄漏事故則再次給人們敲響了警鐘。我國目前建成的商業運行核電站主要是壓水堆型核電站，三代壓水堆核電站是目前全球核電發展的技術主流。壓水堆核電站的工作原理圖如圖1所示。壓水堆核電站主回路核心系統主要為一回路系統與二回路系統，堆芯裝置在壓力容器內部，是反應堆的心臟，一回路和壓力殼是核電運行過程中的重要安全屏障。其中一回路系統主要由反應堆壓力容器、主泵、穩壓器和蒸汽發生器等構件組成，各部件之間的連接位置就需要大量的焊接結構，而這類結構猶如人體內的“關節”，連接著其他各個重要的骨骼主體。雖然核電站焊接接頭本身不允許像人體關節那樣靈活運動，需要保持相當的結構剛度和強度，但有大量的管道焊接接頭內部可通過流體，焊接接頭也是保有活力的。核電站核島主設備常用結構材料有低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金等材料，焊接接頭或者堆焊層主要采用不銹鋼和鎳基合金制備，制備過程中形成的與母材不同的微結構、成分、力學性能和殘余應力和應變，加上高溫高壓水的腐蝕作用和強烈輻照效應（對于堆內構件而言），使得焊接接頭面臨著需要保持長期服役的嚴峻考驗，需要在科學理論與工程經驗的指導下對“焊接接頭”倍加呵護，才能使核電站在幾十年甚至百年安全運行期間變得“無懈可擊”。

圖1 壓水堆核電站的工作原理示意圖

2. 不可或缺：核電站主管道的關節

骨骼是支撐我們身體的基礎，人類生理結構由206塊骨骼構成，連接眾多骨骼的關節更是高達78個。關節的存在對于人體的穩定性和靈活性起到決定性作用，人體關節部位名稱及其作用可見圖2。

核電系統與之大同小異，以國產“華龍一號”核電站主管道為例，每臺機組主管道均由3個相同環路構成，每個環路現場安裝8道焊口，共計24 道焊口。每條環路由2道冷段焊口、2道熱段焊口和4道過渡段焊口組成，分別連接反應堆壓力容器、 蒸汽發生器、 主泵泵殼形成閉合回路。核電站焊接接頭形式眾多，主要有低合金鋼、鎳基合金、不銹鋼材料對接接頭；不銹鋼堆焊；鎳基合金堆焊；各種材料的角焊；異種金屬接頭；“J”型接頭等。表1為壓水堆核電站典型的焊接接頭應用部件及選用材料。

圖2 人體關節部位名稱及其作用示意圖

表1 壓水堆核電站典型的焊接接頭應用部件及選用材料

人體不同部位的關節，其結構和作用不盡相同。以人體膝關節為例。圖3為膝關節結構示意圖。膝關節主要由中間軟骨及兩側的股骨與脛骨組成，是人體重要的承重結構之一。需要強調的是中間軟骨與兩側股骨與脛骨在結構和組成上并不相同。同時，由于膝關節負重很大，移動更多因此也是人體最易受傷的部位。與之類似，在核電站一回路高溫水環境中服役的壓力容器接管和不銹鋼主管安全端的連接是位于壓力邊界的關鍵位置。關節軟骨最重要的作用之一就是緩沖與吸收兩側骨組織直接連接導致的摩擦與震蕩。類似的是由于低合金鋼與不銹鋼兩者材料線膨脹系數差別較大，在焊接的結合面上會產生較大的應力。為了考慮“關節”的在服役工程中的安全性，減少焊縫兩側的應力差，壓力容器安全端與主管道的連接是用異種金屬作為過渡材料。通常是采用鎳基合金焊絲（690類如152和52合金）或不銹鋼焊絲（如309L和308L）來焊接。結構示意圖可見圖4。軟骨是關節最易損傷的部位之一，而接管安全端焊縫是核島主設備制造的難點，同時也是核電運行過程常發生破裂失效的部位。這兩者具有一定的相似性。

圖3 人體膝關節結構示意圖

圖4 安全端異種鋼焊接結構示意圖[3]

身體各部位生理活動的需要決定了關節的結構特點，人類關節可主要分為頸關節、肩關節、肘關節、腕關節、腰關節、踝關節、髖關節、膝關節等。核電站各系統組件運行同樣需要各類焊接接頭的支撐。以蒸汽發生器為例，其主要形式有蒸汽發生器處的管板堆焊，下封頭內壁與載熱劑接觸的表面堆焊，下封頭進出口接管安全端焊接以及水室隔板與下封頭的焊接。關節的作用是減震，保障人體完成旋轉類運動，提升身體的穩定性即促進力的傳遞和保護。因此在生理病變和外力作用下，像韌帶損傷，疲勞，脆性組織，錯位，撕裂等成為了關節處主要出現的病理性問題。焊接接頭在制備和應用過程中同樣會因為熱輸入與外力作用出現質量問題，譬如產生焊接熱裂紋、晶間腐蝕、應力腐蝕、脆化、疲勞、焊接應力和焊接變形等。關節的生理病因與焊接接頭常見的失效形式可見表2。

表2 關節的生理病因與焊接接頭常見的失效形式對比表

人體關節從幼年至老年有著一個成長到衰老的變化過程。幼年至老年階段分別經歷襁褓脆弱期，青年黃金期，中年乏力期，與老年退化期。不同階段不同部位，關節的損傷情況也大不一樣。與之類似的是焊接接頭在服役期間也經歷不同的失效形式。關節隨時間的變化過程與焊接接頭失效案例的對比可見表3。

表3 人類不同年齡段關節隨時間的變化過程，以及焊接接頭失效案例

3. 追本溯源：關節的診斷與探傷

對于人體易受損傷的關節來說，醫用鈦合金的發展似乎成為了合適的替換材料。同樣，焊接接頭也經歷了更新換代的過程。以核島內部U型傳熱管為例，其所用材料經歷了由Cr含量15%的Inconel-600合金到Cr含量30% Inconel-690合金的發展歷程。安全端異種金屬焊接接頭焊縫金屬也由原先的82/182合金（600 系列）升級為目前的52/152合金（690系列）。促使材料更新換代的一個很重要的原因是600系列合金在壓水堆核電站實際運行中的表現并不理想。圖5為美國的VC Summer壓水堆核電站壓力容器接管-安全端異材焊接件處裂紋的示意圖及形貌。與關節出現的骨裂類似，應力腐蝕開裂是焊接接頭最為危險的失效形式。不管是合金內元素成分的異常擴散引起的“病理型”裂紋還是諸如負載條件變化引起的“外傷型裂紋”均與金屬表面在高溫水中的生成的氧化膜的機制密切相關。

圖5 美國的VC Summer壓水堆核電站壓力容器接管-安全端焊接件處裂紋示意圖及形貌[11]

鈣，鎂是人體骨關節內的重要元素，這些生理元素的流失是導致關節內部組織產生病變甚至脆化斷裂的元兇。焊接接頭在制備過程中同樣都會出現類似問題，其靠近熔合線附近的組織復雜并且存在元素稀釋等現象，容易導致較高的應力腐蝕開裂敏感性[9]。與醫院的影像技術和生命元素檢測手段類似，采用先進的顯微鏡與元素分析設備可以了解到焊接接頭中微結構組成與元素成分的微妙變化。本文作者所在的課題組對焊接接頭母材與焊縫金屬的微結構與元素成分進行了檢測與分析[8-10]。對于元素稀釋導致的鎳基合金發生應力腐蝕開裂的主要解釋分為以下幾個階段：（1）在焊接凝固的過程中，晶粒的生長沿著具有最大的溫度梯度的方向即散熱最快的方向生長。在熔合線附近存在一個明顯的 Fe、Cr、Ni 等元素的濃度突變。（2）合金在高溫水中表面生成一層富 Cr 的氧化物。（3）裂紋孕育階段，在這一階段高溫水中氧化膜不斷破裂并被修復。（4）裂紋成核階段，此時不斷破裂的氧化膜導致晶界處貧 Cr，不足以修復富Cr的氧化膜，暴露在高溫水中的貧Cr晶界成為應力腐蝕裂紋萌生源頭。

圖6 690合金焊接熱影響區焊縫熔合線EBSD測試結果[8]

圖7 熔合線處309L與308L不銹鋼EBSD測試結果[10]

圖8 SEM-EDS測試結果：不銹鋼熔合線附近元素的分布[10]

圖9為厚度方向試樣在325℃含氫水中浸泡146h后不同位置的SEM形貌。堆焊層厚度方向上隨著距離異種金屬熔合線越來越近，試樣表面生成的氧化物也有明顯的變化。即在靠近堆焊層表面處，基本上沒有發現氧化物顆粒，越靠近異種金屬熔合線，試樣表面生成的氧化物顆粒越密集。越靠近熔合線，試樣表面生成的氧化物中Fe元素的含量越高，Cr和Ni元素的含量越低，這與堆焊層鎳基合金的元素分布情況呈現正相關性；越靠近熔合線，試樣表面中氧元素的含量越高，表明該處更易被氧化。FeCrNi系合金在一回路高溫水中生成的氧化膜分內外兩層，外層富Fe，內層富Cr，隨著合金中Cr元素含量的增加，高溫高壓環境中合金表面生成的氧化物顆粒的數量和長大速率都會降低，富Cr氧化膜內層反而會成為擴散障礙，阻礙了Fe等元素向外擴散，從而減緩外層氧化物的形成與長大。

關節柔韌性在不同外力的作用下會產生一定的變化。同樣的，焊接接頭在經受不同程度的加工變形后也有著不一樣應力腐蝕特性。人體關節在一定量的外力沖擊后，骨組織內部會出現微量變形，骨表面會變得粗糙，骨質會發生硬化現象。與之相似，焊接接頭在經受不顯著改變材料的微觀結構或者亞結構的變形時，通常會增加材料的屈服強度，降低塑性，增加位錯密度。特別是在晶界附近引起位錯的聚集產生位錯取向和微應變。而且這一過程增加了金屬的活性，導致保護性的氧化物減少。高的氧化活性促進了晶界的局部氧化，有利于晶間裂紋的形成，并且由于材料的變形能力降低，應力集中在裂紋尖端會成為裂紋擴展的導火索。圖9給出了600合金焊接熱影響區試樣在模擬壓水堆一回路水中試驗4359.5h后斷口的SEM形貌。

圖9 厚度方向試樣在325℃含氫水中浸泡146h后不同位置的SEM形貌[10]

圖10 600合金熱影響區試樣在模擬壓水堆一回路水中試驗4359.5h后斷口的SEM形貌[15]

社會的進步離不開能源的幫助，實現核能大規模安全發展，和平利用的過程可謂之長路漫漫。綜合各方的研究成果，理論與實踐并進，消除“易損傷的關節”對核電站安全運行所起到的威脅。保障國家能源安全提升核工業的核心競爭力，核材料與腐蝕與防護科技工作者們自當上下而求索。

4. 結語

流動的中國充滿著蓬勃發展的活力，新時代下的新型經濟高質量發展離不開清潔能源特別是核能的高效安全利用。能源與材料相輔相成，是社會進步的基石，核電材料的健康穩定是核電長期安全運行的基礎。重點關注焊接部位，掌握科學規律，系統開展實驗和工藝評定，從制備工藝優化入手獲得合適的材料和力學性能，營造適合的服役水質環境，發展有效的缺陷監檢測技術，使焊接部位這種“易損傷的關節”得到“精心呵護”，避免提前發生損傷，提升核電設備與材料的安全服役可靠性。實現核能的綠色安全發展，提升我國核工業的核心競爭力。核電材料與腐蝕與防護科技工作者們當全力以赴，保安全促高效，化使命為戰衣，以勤奮作亮劍，在國際上打造安全核電的中國亮麗名片而繼續不懈努力。

致謝：國家自然科學基金項目（51771107） , 國家重點研發計劃項目（2017YFB0703002）。感謝本文寫作中寧飛和唐元杰兩位同學的討論和建議。

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