TCNEA-核燃料后处理厂用爆炸复合连接件编制说明

《核燃料后处理厂用爆炸复合连接件标准》编制说明（征求意见稿）一、工作简况1、任务来源根据核协科函[2022]240号文要求，由中国核电工程有限公司承担《核燃料后处理厂用爆炸复合连接件》的标准编制工作。该标准经过中国核能行业协会评审并经过公示后予以立项，并由中国核电工程有限公司与中国核能行业协会签订《中国核能行业协会团体标准制（修）订专项技术服务合同》。团体标准《核燃料后处理厂用爆炸复合连接件》标准编制周期为18个月。2、主要工作过程目前为标准征求意见阶段。2022年5月，中国核电工程有限公司和西安天力金属复合材料股份有限公司成立标准编制工作组。工作组对国内外相关爆炸复合件相关标准进行了研究和调研，并基于前期科研成果以及工程应用经验，课题组初步形成了标准编写方案，按照标准草案编写总体方案的要求，课题组完成了《核燃料后处理厂用爆炸复合连接件》初稿编制。本标准于2023年07月08完成形式审查，7月18日组织进行了立项评审，并通过了立项评审。工作组根据评审会专家意见进行了标准相关内容细节的修改，形成了《核燃料后处理厂用爆炸复合连接件》标准草案。3、主要参加单位和工作组成员及其所作的工作等本部分起草单位：中国核电工程有限公司、西安天力金属复合材料股份有限公司。中核工程和西北院自“十一五”开始，共同研发和推广Ti35材料、配套焊材以及爆炸复合连接件，目前，钛与奥氏体不锈钢爆炸复合连接件已经在某项目成功应用，积累了一定的经验和使用数据。2019年-2021年，中核工程依托于国家后处理重大专项子任务“乏燃料溶解器技术第二阶段研究”，与西北院开展锆-不锈钢爆炸复合管的试制，以不同厂家（美国华昌、西部钛业及国核锆业）提供的锆材制成的复合管接头为试验对象，评价分析锆-不锈钢爆炸焊复合管接头在模拟料液中的腐蚀行为，为国产材料耐腐蚀性能提供试验数据支撑。2022-2023年，中核工程依托于国家后处理重大专项子任务“乏燃料溶解器技术第三阶段研究”，与西北院开展锆/钛-不锈钢复合管爆炸焊管/板接头,锆/钛-不锈钢复合管扩散焊管接头的研究，进行批量化试制，并确定工程评价指标，以期后续用于国内大型核燃料后处理厂。二、标准编制原则和主要内容1、标准编制原则本标准严格按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写》进行编写。标准符合国家有关法律法规及相关产业政策要求。本着先进性、科学性、合理性和可操作性的原则以及标准的目标、统一性、协调性、实用性、一致性和规范性原则来进行本标准的制定工作。（1）科学性针对核燃料后处理厂用爆炸复合连接件技术进行了研究，包括爆炸焊工艺研究和优化：含炸药选型、过渡层设计、爆炸工艺研究、表面处理工艺研究等；以及工程化研究与评价：含产品质量控制手段、无损及破坏性评价研究、耐腐蚀性能研究等。并根据核燃料后处理厂某项目应用总结，同时结合后处理厂管道安装、试验和验收技术条件要求进行本标准编制。（2）实用性本标准适用于核燃料后处理厂用设备、管道及其他零部件用锆/钛与奥氏体不锈钢爆炸复合管、复合板的生产制造与检验。包括锆/钛与奥氏体不锈钢爆炸复合管、复合板的技术要求、试验方法、检验规则和标记、包装、运输和贮存等内容，具有实用性。2、标准主要内容的依据标准编写的格式遵从GB/T1.1-2020的要求，本标准共有7个章节，标准的各个章节技术和内容主要依据说明如下：（1）范围对标准内容及适用条件进行了归纳明确。（2）规范性引用标准列出了正文中采用的各引用标准号及标准名称。（3）术语与定义解释了适用于本标准的术语与定义。（4）技术要求技术要求包括了爆炸复合接头的规格、结构与原材料的要求，以及爆炸复合后的抗剪强度、界面结合率、密封性能、腐蚀性能、结合区显微形态、允许尺寸偏差、表面质量等验收要求。（5）试验方法对爆炸复合接头各项技术要求的试验方法进行了规范化。（6）检验规则对批的定义以及按批验收的要求进行了细化。（7）标记、包装、运输和贮存对拟采购物项的标记、包装、运输和储存、质量证明书文件内容进行了规定。3、解决的主要问题核燃料后处理厂中存在大量抗腐蚀性能要求高的设备，一般对直接接触高腐蚀性溶液的部分采用锆（如Zr3等）或钛（如Ti35等），而外围支撑结构以及其他服役环境相对较好的管道部分常常采用结构强度更高、成本更加低廉的奥氏体不锈钢材料（如304L等）。因此在核燃料后处理厂设计建造中面临大量的锆及锆/钛与奥氏体不锈钢连接问题。锆/钛与不锈钢的连接主要存在：一是Fe-Zr/Ti脆性金属间化合物的生成，使得接头的机械强度和耐腐蚀性降低；二是两种材料的热膨胀系数相差极大，连接后接头内应力大。爆炸复合连接件能够实现可靠的连接，在于爆炸复合在两金属界面间形成原子间的冶金结合，不改变两种金属的组织、化学成分及机械性能，且两金属间的界面结合强度能够达到母材中较弱金属的强度。其密封性能也较采取其它密封方式提高1~2个数量级，从而达到更为可靠的密封。另外爆炸复合连接件做结构材料使用时，可承受机械力、冷热作用应力。因此在具有较高结合强度的同时，也有着优良的冷热循环性能。目前国内外均无锆与不锈钢爆炸复合管的专用标准，亟待填补相关领域空白；目前国内相关标准，仅单独包含复合管、复合棒、复合板的技术要求，且其中仅有相关技术评价指标也未充分考虑核燃料后处理特殊使用工况和需求，如腐蚀、基材和复材结构等。形成统一规定的锆/钛与不锈钢爆炸复合连接件的技术规范，有助于技术推广和推动行业共同进步。三、主要试验（或验证）情况1、爆炸焊工艺研究和优化为获得满足性能要求的爆炸焊接头，进行了系列工艺试验➢管棒表面处理工艺研究；➢爆炸复合工艺（例如炸药高度、间隙高度、起爆位置、聚能情况、辅助炸药情况）对锆-不锈钢界面结合和性能的影响规律研究；➢不同过渡层材料（例如钛）对结合界面、性能的影响规律研究；➢热处理对结合界面、性能的影响。➢不同规格复合管的爆炸复合装置研究；➢复合板变形控制和组装工艺预研；➢复合板上焊接对连接界面结合率、强度的影响；➢复合管接头的界面结合率、剪切强度、结合区金相、气密性和耐腐蚀性能测试和评价。最终获得优化后的爆炸焊结构、工艺及适用范围。2、工程化研究与评价乏燃料溶解器用复合管接头特殊服役工况，锆-不锈钢、钛-不锈钢复合管接头长时间处于强酸、辐照、震动等极端苛刻环境。一旦复合管接头失效泄露，将造成无法估量的严重后果，因此从常规力学性能、密封性能、抗腐蚀性能等方面对复合管接头服役性能以及可靠性进行全面充分的评价，从而评估和预测复合管接头服役寿命，是保障乏燃料溶解器运行安全的基础。采用有限元模拟计算分析与超声法相结合的方式测算扩散焊接接头残余应力分布特征。采用氦检漏金相接头气密性检测、采用超声探伤和取样破坏性检验相结合的方式评价扩散焊接接头的界面结合率、采用纳米压痕分析接头硬度分布云图，采用万能试验机测试接头的室温和高温力学性能，测试后通过SEM/EDS进行断口形貌观察和成分分析，确定断裂路径，综合分析失效机制。采用沸腾HNO3和模拟溶解料液进行接头服役条件腐蚀性能评价。建立复合管接头力学性能、密封性能、抗腐蚀性能评价体系。四、标准中涉及专利的情况本标准不涉及专利问题。五、预期达到的社会效益、对产业发展的作用等情况进一步规范核燃料后处理厂中锆/钛与不锈钢复合连接件的设计、制造和采购流程，明确后处理特殊质量及性能评价要求，为工程应用起到重要支撑作用，有助于技术推广和推动行业共同进步；六、与国际、国外对比情况1、目前国内外均无锆与不锈钢爆炸复合管的专用标准，亟待填补相关领域空白；2、目前EJ/T20283-2021《钛及钛合金-奥氏体不锈钢爆炸复合连接件》、GJB3797A-2015《卫星用钛-不锈钢爆炸复合过渡接头棒规范》、YS/T777-2011《锆-钢复合板》，仅单独包含复合管、复合棒、复合板的技术要求；且其中仅有相关技术评价指标也未充分考虑核燃料后处理特殊使用工况和需求，如腐蚀、基材和复材结构等；七、在标准体系中的位置，与现行相关法律、法规、规章及标准，特别是强制性标准的协