核电工程贯穿件密封技术研究

学术论文 2018-04-11 10:57:59
  0 前言 
  日本福岛核电站泄露事件给世界各国核工业敲响了警钟,由核泄漏导致的生化危机给环境带来了不可逆的严重破坏,目前日本福岛核电站造成的危机依然在持续,据调查显示,核电站附近大量物种体内仍具有较高含量的放射性物质,国内大量物种出现畸形,因此,保证核电工程的安全性,确保贯穿件密封性达到要求是至关重要的。 
  1 核电站贯穿件密封技术现状 
  据研究表明,目前绝大多数核电工程贯穿件采用有机材料旋锻密封方法。有机材料往往玻璃化温度比较低,容易在高温下软化,当长期处于高辐射状态和高温环境中时,有机材料的机械性能和使用性能会发生明显下降,严重影响其使用的可靠度。在本文中,我们可以将金属和陶瓷钎焊,从而用无机手段密封贯穿件,以满足在严苛使用环境中的需求。但从材料本身出发,陶瓷润湿性不好,金属与陶瓷间存在较大的物化性质差异,导致钎焊界面会残留比较大的剩余应力,影响焊接处的稳定性。为了解决这一问题,有两种方法可供选择,其中一种是在陶瓷中添加活性元素,另一种是对陶瓷进行金属化的处理工作之后再进行连接。这两种方法均能有效解决陶瓷润湿性差的问题,且操作相对比较简单,在实际工程领域有着十分广泛的应用。 
  在钎焊过程中,因为活性钎料很容易在空气中氧化而生成比较脆的金属间化合物,而且生产成本也相对比较高,因此我们在下文中主要讨论如何通过设计钎焊工艺和合理构造,以减少剩余应力的产生,尽可能地使焊接缺陷少,密封性良好,并节约成本,提高核电工程的经济效益。 
  3 实践部分 
  3.1 实验方法 
  钎焊选择的母材为无氧铜、4J33可伐合金、95%三氧化二铝陶瓷,在陶瓷表面首先用钼-锰法进行金属化处理,并用电镀的方法在表面覆盖5μm左右厚度的镍,以提高陶瓷钎料之前的润湿性。 
  将可伐环钎焊在陶瓷外表面,无氧铜棒钎焊在陶瓷内表面,并在无氧铜棒和内表面间通过无氧的铜环过渡以减少焊接过程中产生的大量剩余应力,降低应力造成的机械损伤,铜环大多0.6mm厚。钎料选择银-铜28共晶组分,并分别在500℃和700℃保温一个小时,防止钎焊过程中因为温度急剧升高而造成大量剩余应力的产生。一般以850℃作为钎焊的平均温度,焊接时间不能过长,要控制在5min左右,也不能过短防止钎料未能完全反应。在钎焊工作结束之后,用质谱检漏仪检查贯穿件密封性是否合格,并用金相检测手段制备相应部位的金相样品,通过扫描电镜和能谱仪进行分析。 
  3.2 实验结果和讨论 
  3.2.1 气密性 
  此次试验中,利用金属与陶瓷钎焊来完成贯穿件之间的无机密封,通过气密性检测实验可以发现,泄漏率满足实际使用标准,说明实验具有实际应用价值。 
  3.2.2 钎焊接头组织 
  通过金相图像可以发现,铜和钎料在焊接的过程中实现了完全的扩散,接头部位没有明显的缺陷且界面具有波浪形的特征。从扫描电镜图中观察微观图像可以发现,在接头中间位置处有灰色相和白色相的杂乱分布,在两相周围出现共晶组织,其中共晶组织中铜和银的含量要高于共晶钎料,约是其二倍。在焊接过程中,如果温度超过两种金属的共晶温度会出现钎料融化,铜元素发生溶解,并向钎料中扩散,造成钎料中铜元素含量的上升。 
  无氧铜环和钎料截面没有明显的缺陷并呈波浪形,当加热温度达到共晶点时,无氧铜环中的铜元素会发生溶解扩散,从而造成在铜环位置的附近液态钎料中铜元素含量明显上升。通过研究发现,利用铜银28共晶钎料焊接母材和无氧铜时,镍元素会沿着铜晶界不断向内扩散,而造成接头塑性和强度的严重降低。从本次试验来看,由于避免了镍元素的扩散,从而有效降低了镍元素沿着晶界扩散造成的影响。 
  从金相图中我们可以看出,可伐合金界面、陶瓷镀镍层以及钎料之间形成了灰色的中间层,接头中没有明显的焊接缺陷。中间层中一部分是铜基的固溶体,含有较多的银元素,银元素附近具有比较多的共晶组织。从能谱分析中来看,中间层还具有较多的镍元素和铜元素,在钎焊的过程中,镍元素会沿着钎料发生较大的扩散,形成镍-铜固溶体。 
  陶瓷镀镍截面与钎料中间层为铜-镍固溶体,同时具有少量的锰、钼、氧以及银等元素,固溶体的厚度在7μm左右,并随着离界面距离不断增加,镍元素含量不但减少。 
  在焊接的过程中,陶瓷金属化层中的氧、锰以及钼等元素也能够进行充分的扩散,并扩散至中间层的较深部位。 
  3.3 结论 
  首先利用对陶瓷材料表面的金属化处理,然后使用普通钎料进行焊接,可以有效降低生产的成本,实现金属与陶瓷的无缝钎焊,不仅能够满足核电工程贯穿件的使用气密性要求,而且还大大提高了生产效率,满足了接头的使用要求。 
  将无氧铜作为无氧铜棒和陶瓷钎焊时的过渡层,可以有效减少在钎焊过程中产生的较大剩余应力,从而有效避免裂缝和气泡的产生,提高焊接部位的强度和韧性。 
  无氧铜环和无氧铜棒钎焊接头部位主要为白色的银基固溶体、灰色的铜基固溶体以及铜-银共晶组织。陶瓷与可伐合金、陶瓷与无氧铜环钎焊接头主要为铜基固溶体、银-铜共晶组织、镍-铜固溶体。 
  4 玻璃-金属贯穿件使用现状 
  玻璃-金属贯穿件使用至今已有60多年的历史,核泄漏事故的频发使得人们认识到聚合物密封的不足,并在无机材料方面给予了极大的关注,其中肖特发明了玻璃-金属贯穿件在世界上引起了极大的轰动。与传统的高分子材料密封件相比,无机材料-金属密封技术具有更高的安全性和可靠性,能够保证电气贯穿件的完整性和密封性,而且无机材料的使用寿命更长,在耐老化方面的优势要远远高于有机材料,还具有良好的抗辐射和隔热性能。肖特与西屋电气公司在关于电气贯穿件抗震的质量鉴定进行的实验探究中可以得到,经玻璃-金属密封技术处理的贯穿件能够抵抗里氏12级地震,即即使有特大地震发生,核电站依然能够稳定运行,避免核泄漏的发生。与此同时,肖特贯穿件的价格较低,且终生免维护,从而极大地降低了产品生产成本,而且因为无机材料具有较强的耐腐蚀和抗老化性能,能够长时间地在高温高压环境中使用,具有很好的环保价值。 
  结语 
  综上所述,优异的贯穿件密封技术对于核电工程的安全性和稳定性至关重要,只有保证贯穿件密封性的质量,才能避免因为各种事故而引发的核泄漏问题,从而保证绿色核资源的使用。在本文中,我们就当今大热的无机材料-金属钎焊密封技术进行分析,指出了密封过程中的要点,并对实验结果进行了详细的分析,以期能够为相关核电工程领域工作提供一定的参考。
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