核电蒸汽发生器堵管技术研究进展及其在高温气冷堆的应用前景

高可靠性的蒸汽发生器堵管技术是核电站安全运行的重要保障,与压水堆相比,以高温气冷堆为代表的第四代核电技术由于蒸汽发生器内传热管服役温度显著提高,对现有的蒸汽发生器堵管技术提出了新的挑战。对此,本文首先基于国内外文献报道,总结了现有压水堆蒸汽发生器堵管技术的工作原理与技术特点;其次,总结了国内外蒸汽发生器自动化堵管系统的开发与应用现状;之后,就高温气冷堆蒸汽发生器的服役工况与场地条件,提出了现有堵管技术在高温气冷堆应用方面面临的挑战及改进方向;最后,针对堵管技术的发展现状与高温气冷堆的技术需求,从装备要求、施工可行性和堵头质量的长期有效性等方面指明了自动化堵管技术的发展方向,以期为高温气冷堆蒸汽发生器自动化堵管技术的发展提供借鉴。     

WC含量对激光熔覆NiCrBSi-WC复合涂层显微结构及力学性能的影响

目的 为盾构、勘探及采矿等高载荷严苛磨损条件下的构件表面防护提供一种新的涂层方法。方法 以激光熔覆技术为手段,在NiCrBSi粉末中混入30%~80%（体积分数）的球形WC颗粒,用以制备NiCrBSi-WC复合涂层。研究了WC颗粒含量对涂层显微组织形成、硬度、断裂韧性和耐磨性的影响规律。采用SEM分析了涂层的显微组织;通过显微维氏硬度计测试涂层的硬度;通过压痕法测试涂层的断裂韧性;采用磨粒磨损试验表征涂层的耐磨性。结果 当WC颗粒体积分数低于60%时,熔融金属的黏度较低,密度更大的WC颗粒会沉淀,导致涂层表层的WC颗粒含量较低;当WC颗粒体积分数介于60%~80%时,WC颗粒在涂层内均匀分布,涂层内无气孔及裂纹等缺陷。当WC颗粒体积分数达到80%时,熔体黏度过大,使气体难以及时逸出,在涂层内形成大量气孔。随着WC体积分数由30%上升到80%时,涂层的平均硬度由67HRC提高到85HRC。涂层的断裂韧性随WC含量的提高,出现先升高后下降的反常现象。60%WC含量的复合涂层表现出最佳的耐磨性,比滚刀常用材料H13钢提高约9倍。结论 采用常规激光熔覆技术时,添加40%~60%范围内的硬质陶瓷颗粒,可获得硬质颗粒分布均匀且耐磨性与抗冲击性能优异的复合涂层。     

HVAF喷涂Inconel625涂层在生物质发电环境的高温腐蚀行为

秸秆等生物质焚烧发电时产生的含氯气体和碱金属氯化物腐蚀使受热面金属管道的服役寿命比煤电机组显著降低。 管材表面堆焊镍基耐腐蚀合金的技术尽管可显著提高管道服役寿命,但存在工作效率低、不适合现场施工、管道热变形等诸多问题。 采用可现场施工的空气超音速火焰喷涂(HVAF)在 TP347H 耐热钢表面,制备了 Inconel 镍基耐高温腐蚀涂层,研究了 TP347H 耐热钢喷涂 Inconel 625 合金涂层前后的长期高温腐蚀特性(550 ℃ ,500 h),验证了 HVAF Inconel 625 合金涂层的高温含氯腐蚀防护作用。 显微观察结果表明,优化工艺参数条件下 HVAF 涂层组织致密、 孔隙率低至 0. 72%,与基材结合良好。 腐蚀增重结果表明,采用 HVAF 制备 Inconel 625 合金涂层后,TP347H 耐热钢的腐蚀增重降低 7. 6 倍,耐腐蚀性能显著提升。 冲蚀试验结果表明,HVAF Inconel 625 合金涂层在最初阶段由于表层凸起颗粒的剥落而冲蚀性能极低,进入稳定阶段后耐冲蚀性能提高,与 TP347H 基材的耐冲蚀性能相当。     

燃料类型及喷涂参数对HVOF喷涂WC10Co4Cr涂层的组织及力学性能的影响

超音速火焰喷涂（HVOF）制备的WC基金属陶瓷涂层广泛应用于金属构件的磨损、腐蚀及空蚀防护。分别采用氢气燃料及煤油液体燃料HVOF喷涂设备分别在9种不同的工艺条件下制备了WC10Co4Cr涂层,研究了燃料类型对涂层的组织、残余应力及力学性能的影响规律。在两种燃料HVOF工艺各自优化的喷涂参数条件下,通过对基体曲率的原位监测对比测试了涂层中的平均残余应力;利用显微维氏硬度、压痕法（断裂韧性）和球盘摩擦磨损对比研究了涂层的力学性能。结果表明：液体燃料（LF）HVOF焰流中粒子的温度更低,速度更高。LF-HVOF喷涂的WC10Co4Cr涂层内的残余压应力更高且涂层致密度更高,而气体燃料（GF）HVOF喷涂的WC10Co4Cr涂层内为残余拉应力。LF-HVOF涂层（1280 HV_0.3, 7.3 MPa·m^0.5）比GF-HVOF涂层（1032 HV_0.3, 4.5 MPa·m^0.5）具有更高的硬度和断裂韧性,LF-HVOF涂层的耐磨性约为GF-HVOF涂层的1.7倍。     

WC颗粒尺寸对WC-CoCr涂层组织与性能的影响

喷涂粉末颗粒尺寸是影响碳化钨涂层性能的关键因素。采用HVOF工艺制备3种不同WC颗粒尺寸的WC-CoCr涂层,利用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计和颗粒冲蚀磨损试验机等对涂层的组织结构及性能进行分析,系统研究了WC颗粒尺寸对涂层组织及性能的影响。结果表明:FN-WC涂层中碳化钨分解严重,PN-WC及M-WC涂层中碳化钨颗粒少量分解。FN-WC、PN-WC及M-WC涂层孔隙率分别为2.1%、2.0%和2.3%,硬度分别为1 254、1 241和1 229HV0.3,结合强度分别为68.7、73.5和72.9 MPa。15°攻角下FN-WC、PN-WC及M-WC涂层的抗冲蚀磨损阻力Re分别为9.3×104、15.5×104和10.74×104 g/cm3,90°攻角下的抗冲蚀磨损阻力Re分别为4.68×104、4.70×104和4.26×104 g/cm3。PN-WC涂层组织更均匀,WC相分解轻微,涂层硬度分布更集中,结合强度最高,在15°攻角下表现出最好的耐冲蚀性,综合性能优异。     

HVOF/HVAF制备镍基涂层的抗热腐蚀性能

氯化物腐蚀和粉尘固体颗粒冲刷是造成垃圾焚烧余热锅炉热交换部件失效的主要因素。本文采用HVOF/HVAF工艺制备镍基合金涂层,对其进行高温冲蚀及熔盐腐蚀试验,研究热喷涂涂层的耐腐蚀和冲蚀性能。结果表明:HVOF制备Ni Cr-Cr_3C_2涂层组织疏松,涂层孔隙率为5.93%±0.41%,显微硬度为(820±53)HV0.3。HVAF制备Inconel 625涂层组织致密,涂层孔隙率为0.65%±0.41%,显微硬度为(516±30)HV0.3。Ni Cr-Cr_3C_2涂层550℃,冲蚀角30°、60°和90°下涂层的冲蚀速率分别为3.20、7.19、5.32 mg/g。Inconel 625涂层550℃,冲蚀角30°、60°和90°下涂层的冲蚀速率分别为3.67、6.92、4.84 mg/g。Ni Cr-Cr_3C_2涂层熔盐腐蚀速率为Inconel 625涂层的2倍。     

高温蒸汽管道支管焊缝应力与模态特性研究

基于高温蒸汽管道与支管尺寸,以温度套管为例建立模型,分析计算了通孔型套管、台阶型套管及结构优化温度套管3种不同结构、材质的温度套管焊缝焊趾处应力与振动模态。结果表明,通孔型套管与台阶型套管结构焊缝焊趾内部整体应力水平相近,均高于结构优化后温度套管,且结构优化温度套管发生疲劳断裂的风险大幅降低;3种结构焊缝焊趾的最高应力均分布在蒸汽主管（母管）圆周最高点,裂纹最易在该处萌生,应力水平以该处为基点成对称分布。结构优化温度套管对母管振动的响应程度较低。因此,支管的结构与材质优化可以减弱母管振动诱发的焊缝振动。     

蒸汽发生器焊接堵管残余应力数值模拟及寿命预测全文替换

对于蒸汽发生器焊接堵管工艺，焊接接头的残余应力为应力腐蚀的发生孕育了环境，而且相比压水堆核电站，第四代先进核反应堆服役温度显著提高，造成更加明显的蠕变现象。采用热弹塑性有限元，基于Nims数据库和ASME标准中提供的数据，对于两种不同焊接结构，计算了使用Incoloy 800H材料的高温端和T22材料的低温端的传热管-堵头环焊的残余应力，并基于线性损伤累积准则，预测了蠕变-疲劳交互作用下焊接堵管的寿命。结果表明，最大残余拉应力点出现在焊缝的根部，开坡口结构的残余应力高于不开坡口结构的残余应力；相较于Nims数据库提供的数据，ASME标准中计算得出的寿命较为保守，开坡口结构的寿命低于不开坡口结构的寿命。     

高温气冷堆蒸汽发生器机械式胀焊堵管接头残余应力计算及寿命预测

随着高温气冷堆服役温度和蒸汽压力的显著提高，高可靠性的堵管接头是保证蒸汽发生器安全运行的关键。为了分析高温气冷堆蒸汽发生器机械式胀焊堵管过程的残余应力及堵管接头的服役寿命，验证机械式胀焊堵管接头的可靠性。采用有限元软件模拟实际机械式胀焊堵管过程残余应力的产生，服役过程中残余应力的释放及蠕变-疲劳交互作用下的机械胀焊堵管接头的寿命。结果表明，机械式胀焊堵管过程中通过套筒发生的塑性变形和管板发生的弹性变形实现套筒和管板之间的密封，服役过程中残余应力迅速得到释放，能达到服役40年不泄漏的要求。基于Nims寿命计算的结果表明，高温端Incoloy 800H堵管接头的服役寿命超过40年，低温端T22堵管接头的服役寿命约为10年。该研究可以为高温气冷堆机械式胀焊堵管的工程实践提供参考。     

蒸汽发生器传热管焊接堵管用小型化激光头研制

核电站蒸汽发生器传热管破损将导致放射性冷却剂外泄，因此需进行堵管作业。激光焊接精度高，可用于蒸汽发生器的焊接堵管。然而，受限于蒸汽发生器的空间结构，现有的激光焊接头往往难以满足实际要求，因此需设计定制化的小型激光头。首先，分析和计算了小型化激光头的光路；其次，设计出小型激光头的机械结构，并完成其在蒸汽发生器内的运动仿真和干涉模拟；最后，对所设计的激光头装置进行了模拟传热管焊接验证。结果表明，所设计的小型化激光头具有良好的焊接性能和可操控性能，可用于蒸汽发生器的焊接堵管作业。