激光喷丸技术在核电设备上的应用探讨.pdfVIP

中国核科学技术进展报告（第一卷） 核能动力分卷（上） Progress Report on China Nuclear Science Technology （Vol.1 ） 2009 年11 月 激光喷丸技术在核电设备上的应用探讨 吴树辉，黄科峰，叶 林，刘泽坤，尹 嵩 （苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004 ） 摘要：应力腐蚀或疲劳破坏严重威胁核电设备安全稳定运行，缓解或消除应力腐蚀或疲劳，是确保设备安全稳定运 行的有效手段。因此，采用激光喷丸技术,在没有残留物、可以遥控至核岛内辐照区复杂狭小部位作业，且效果显著. 是一项值得深入研究的前景广阔的应用技术。 关键词：激光喷丸；应力腐蚀；核电 随着我国核电建设的快速发展，将有越来越多的核电设备投入运营，尽管设备材料一定程度上 会有所更新,但随着运行时间的延续，构件的老化、疲劳、应力腐蚀这些问题仍不可回避，仍然是影 响设备安全可靠运行的重要因素。 从近30 年国内外核电站实际运行情况也证实了这一点，相当一部分核电设备和结构达不到设计 寿命，其实际运行寿命仅达到设计寿命的20%左右[1] ，这种局面目前仍未得到根本性的改变。以RPV 为例, 辐照脆化和应力腐蚀开裂仍是决定其寿命的关键因素，如何对在役设备的薄弱部位进行强化， 从而达到对设备的有效保养、延寿的效果，提高其安全稳定运行的水平，是一项无论从经济效益还 是社会效益都非常值得关注的课题。激光喷丸技术在航空领域对航空部件的成功应用，以及取得的 显著强化效果，显示了该技术在设备延寿方面的潜力，为其在核电领域的应用奠定了基础。 该技术是 20 世纪70 年代发展起来的一种新型表面强化技术。由于激光喷丸处理与其他喷丸技 术比较，实施作业时没有反弹介质及反作用力产生，又能够实现精确遥控操作，由于不使用钢砂等 喷丸介质，因此，不存在影响设备正常运行的残留物，而且对一些狭窄区域或形状特殊的部位能够 实现完整的作业[5] 。更关键的一点, 同一构件，激光喷丸的效果比普通喷丸要优异得多,形成的压应力 层深可以达到1 mm，而且不会伤及构件的表面。由此推断，激光喷丸是特别适合于核电设备保养延 寿的技术。但由于核电设备的服役环境明显有别于其他的设备，许多设备的不可拆卸及辐照环境,要 实现该技术的现场应用，与航空部件上的应用还有许多明显的不同之处,还有待于针对性深入的研究 与开发。 1 激光喷丸技术 激光喷丸（Laser-peening ，简称 LP ），又称激光冲击处理（Laser shock processing ，简称 LSP ） 技术，是随着强脉冲激光的出现而发展起来的一项技术。是利用 1～50ns 的高峰值功率，密度大于 9 2 10 W/cm 脉冲激光束照射被处理的构件表面，在被冲击构件的外表面由于吸收激光能量，在被处理 基体的表面,发生爆炸性汽化蒸发，产生高温高压的等离子体，该等离子体受到约束层的约束作用（如 图1）,其高强度的应力冲击波将冲击金属表面,并向构件的内部传播。当激光冲击波的冲击力大于被 冲击材料的屈服强度时,在构件的表面,就会发生塑性变形，微观结构上会产生孪晶等晶体缺陷，会形 成极其细小的位错亚结构，在构件的表层形成很大的残余压应力层,从而，使材料的近表面层的强度、 硬度和抗疲劳、抗腐蚀性能都得以大幅度的提高。相当于对构件表面进行了塑性加工，使表面形成 作者简介：吴树辉（1968—），男，内蒙赤峰人，高级工程师，硕士，材料加工工程专业 351 残余压应力的一项强化技术。与常规的表面强化工艺相比，激光冲击强化处理对材料表面基本上无 热损伤或机械损伤，激光冲击处理能获得比普通喷丸深约2～5 倍的残余压应力层，能保持材料表面 光洁度，适合于处理那些表面质量要求较高的精加工部件或成品件，对投入运营的核电机组来说， 核岛内有些部件不能拆下来处理,而且很多部件处于水环境中,因此，对于在役核电设备而言,与航空 部件的处理明显不同,一方面，无法实现喷丸前在被处理部位的外表面贴吸收层,且有许多工作需在水 下完成（如图2 ），另一方面，核岛内构件有些是处于辐照区,有些是作业空间狭窄等客观条件，都决 定了要实现在役核电设备的喷丸处理,必须因地制宜，开发一套能够远