核電工程控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω環(huán)水壓試驗(yàn)后PT顯示問(wèn)題的處理

馬新朝

（中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840）

核電工程控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω環(huán)水壓試驗(yàn)后PT顯示問(wèn)題的處理

馬新朝

（中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840）

文章論述了CRDM Ω環(huán)焊接完成后水壓試驗(yàn)后在進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)后在母材區(qū)域存在圓形顯示時(shí)所采取的應(yīng)對(duì)措施，從母材的制造標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場(chǎng)焊接的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照方面入手，分析了制造與焊接時(shí)PT驗(yàn)收時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用差異是造成PT顯示的主要原因，通過(guò)對(duì)顯示區(qū)域的表面掃描電鏡檢查、金相檢驗(yàn)、理化檢測(cè)，水壓試驗(yàn)與PT顯示的關(guān)系分析，提出了照用、打磨及打磨后補(bǔ)焊、采用西屋的CSCA預(yù)防措施及最終的WSI公司的Overlay四種方式，為核電工程對(duì)于Ω環(huán)顯示問(wèn)題的處理提出了權(quán)威性解決措施。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) Ω環(huán) 水壓試驗(yàn) PT顯示問(wèn)題 處理

M310型核電機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼及熱電偶柱陰法蘭在反應(yīng)堆壓力容器管座上的焊接共有65道焊口，其中61道焊口為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼與反應(yīng)堆壓力容器管座的焊接，其余4道焊口為熱電偶柱陰法蘭與反應(yīng)堆壓力容器管座的焊接。下部Ω環(huán)上環(huán)材料為00Cr18Ni10N，規(guī)格為φ162mm×2mm，下環(huán)材料為Z2CN19-10（控氮）不銹鋼，規(guī)格為φ162mm×2mm。焊接填充環(huán)材料為00Cr18Ni10N，規(guī)格為φ164.4mm×1.4mm，手工補(bǔ)焊用焊接材料為ER308L。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼材料為00Cr18Ni10N，熱電偶柱陰法蘭及壓力容器頂蓋上的管座材料均為Z2CN19-10（控氮）不銹鋼（滿足RCC-M M3301中Z2CN19-10控氮不銹鋼的規(guī)定）。下部Ω焊縫的工作具有放射性，工作設(shè)計(jì)壓力17.23MPa（絕對(duì)壓力），工作運(yùn)行壓力15.5MPa，設(shè)計(jì)溫度343℃（蒸汽側(cè)工作介質(zhì)設(shè)計(jì)溫度316℃，壓力p=17.6MPa），水壓試驗(yàn)壓力22.8MPa，被焊件壁薄δ=2mm，焊接及檢驗(yàn)區(qū)域要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。

圖1 Ω焊縫上下環(huán)零件詳圖

方家山核電工程的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼及熱電偶柱陰法蘭在反應(yīng)堆壓力容器管座上下部Ω焊縫在焊接后，按核動(dòng)力院的QFS-420452-JT2的要求對(duì)焊縫及其臨近區(qū)進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果如下：在下部模擬環(huán)上的母材區(qū)域發(fā)現(xiàn)了距焊縫邊緣8～10mm處，有2個(gè)0.5mm圓形顯示，且間距小于3mm；距焊縫邊緣6～8mm處，有3個(gè)0.5mm圓形顯示，且間距小于3mm。第二個(gè)焊接見(jiàn)證件在水壓試驗(yàn)后判定液體滲透檢驗(yàn)不合格。

現(xiàn)場(chǎng)焊接了16根產(chǎn)品，在水壓試驗(yàn)后按JT2標(biāo)準(zhǔn)一次性通過(guò)了3根，其余13根在母材區(qū)域均有不滿足JT2標(biāo)準(zhǔn)的顯示。

1 原因分析

對(duì)此顯示問(wèn)題，方家山核電工程項(xiàng)目部成立了專項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組，從母材制造方面，焊接材料及焊接方面，水壓試驗(yàn)過(guò)程方面均進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的分析，排查產(chǎn)生該問(wèn)題的主要原因。

1.1 材料分析

●1.1.1 上下部Ω環(huán)母材的制造情況分析

分析了制造的質(zhì)量計(jì)劃及制造工序，對(duì)質(zhì)量計(jì)劃擬定的工序流程進(jìn)行了審查，并對(duì)重點(diǎn)的冶煉及鍛造、性能熱處理工序（如圖2所示）進(jìn)行了審查，并對(duì)理化檢驗(yàn)[力學(xué)性能試驗(yàn)、晶粒度、金相檢驗(yàn)（試驗(yàn)項(xiàng)目夾雜ASME E45及晶粒度ASME E112，金相組織分析）、化學(xué)成分分析、晶間腐蝕（送樣按B法，700℃保溫30min，然后以60℃/h爐冷至500℃后空冷，進(jìn)行敏化處理，腐蝕方法按RCCM MC1310進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)聲響鑒定，發(fā)清脆金屬聲，與對(duì)比試樣無(wú)差異，彎曲90°后未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕跡象）]的結(jié)果進(jìn)行了審核：結(jié)果表明，產(chǎn)品的制造質(zhì)量符合相應(yīng)的技術(shù)條件的要求。

圖2 熱處理性能試驗(yàn)曲線

●1.1.2 焊接材料及焊接

對(duì)焊接材料的復(fù)驗(yàn)情況，焊接情況及焊接工藝均進(jìn)行了分析，審查了報(bào)告，特別對(duì)焊接工藝評(píng)定及見(jiàn)證件的各項(xiàng)檢查內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)核查，焊接材料符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并經(jīng)過(guò)4次專家評(píng)審會(huì)審查與分析，焊接工藝合格。

1.2 水壓試驗(yàn)過(guò)程分析

在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，采取的技術(shù)要求如下：水壓試驗(yàn)的介質(zhì)為A級(jí)除鹽水，水壓試驗(yàn)溫度不低于5℃，水壓試驗(yàn)的壓力測(cè)量?jī)x表必須進(jìn)行標(biāo)定并在有效期內(nèi)，壓力表的量程為0～30MPa、水壓試驗(yàn)時(shí)將壓力穩(wěn)定在23.1MPa～23.3MPa，保壓15min～30min,試驗(yàn)過(guò)程中，目視檢查焊縫表面，不允許存在滲漏，若壓力降至22.8MPa以下，則結(jié)果不合格，水壓試驗(yàn)后應(yīng)再次對(duì)焊縫區(qū)及PT。

圖3 工藝評(píng)定水壓試驗(yàn)曲線

從水壓試驗(yàn)的環(huán)境及試驗(yàn)過(guò)程和記錄等方面進(jìn)行了認(rèn)真分析，得出水壓試驗(yàn)過(guò)程符合技術(shù)條件的要求，但也發(fā)現(xiàn)了該技術(shù)條件對(duì)水壓試驗(yàn)的要求粗略。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用情況解讀

●1.3.1 母材標(biāo)準(zhǔn)解讀

核動(dòng)力院2008年技術(shù)規(guī)格書QFS-420352-JT18《反應(yīng)堆壓力容器CRDM/TC管座法蘭不銹鋼材料技術(shù)要求》及核動(dòng)力院2011年技術(shù)規(guī)格書QFS-420452-JT1《控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)00Cr18Ni10N不銹鋼鍛棒技術(shù)條件》均對(duì)壓力容器頂蓋管座、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用的材料進(jìn)行了規(guī)定，需滿足RCCM M3301中對(duì)Z2CN19-10(控氮)的規(guī)定[1-2]。

RCCM M3301對(duì)液體滲透檢驗(yàn)要求如下：采用以下可記錄條件和驗(yàn)收準(zhǔn)則：任何尺寸等于或大于1mm的缺陷應(yīng)予記錄；凡呈現(xiàn)下述顯示的缺陷應(yīng)予拒收：①線性顯示；②尺寸超過(guò)3mm的非線性顯示；③3個(gè)或3個(gè)以上邊緣間距小于3mm的排列成行的顯示；④在100cm2的矩形表面上，累計(jì)有5個(gè)或5個(gè)以上成組顯示，該矩形長(zhǎng)邊不大于20cm,且取自對(duì)顯示評(píng)估最不利的部位。當(dāng)上述檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部件上存在不能接受的缺陷時(shí)，該部件不能以原狀態(tài)接受，應(yīng)按本規(guī)范第7節(jié)的規(guī)定執(zhí)行即：只有用打磨法消除缺陷后，尺寸仍在允許公差范圍內(nèi)的部件才可以被接受；打磨后為確保缺陷完全消失，應(yīng)按MC4000的規(guī)定做液體滲透檢測(cè)；驗(yàn)收準(zhǔn)則按第5節(jié)的要求執(zhí)行，鍛造車間不得進(jìn)行焊補(bǔ)。

●1.3.2 焊接檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)解讀

按RCCM S7724.5 a）密封焊縫要求中只對(duì)焊接完成后要求進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)，并未要求在水壓試驗(yàn)后進(jìn)行檢驗(yàn)[3]。

核動(dòng)力院技術(shù)規(guī)格書QFS-420480-JT2《控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼及熱電偶柱陰法蘭在反應(yīng)堆壓力容器管座上的焊接和檢驗(yàn)技術(shù)要求》要求焊接完成和水壓試驗(yàn)后都進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)，檢驗(yàn)要求一致。具體要求如下：①在焊縫區(qū)域，不允許有任何顯示；②在焊縫以外的區(qū)域，尺寸大于1.5mm的任何顯示，以及尺寸小于1.5mm但其間距小于3mm的所有顯示均不合格。對(duì)于寬度等于理論焊喉厚度且不超過(guò)5mm的焊縫金屬附近區(qū)域內(nèi)，尺寸大于1.5mm的任何顯示以及尺寸小于1.5mm但任意兩者之間的間距小于3mm的顯示均為不合格。

對(duì)比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)焊接的標(biāo)準(zhǔn)很明顯高于車間制作的母材標(biāo)準(zhǔn)，造成此PT顯示問(wèn)題的主要原因是標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用偏差引起。

2 對(duì)PT結(jié)果的處理

對(duì)PT結(jié)果一方面要做好水壓試驗(yàn)壓力與PT顯示的關(guān)系的分析；另一方面研究水壓試驗(yàn)后對(duì)材料組織的檢查與驗(yàn)收分析，分析壓力與材料組織的影響，來(lái)排除是否為材料原因而引起的PT顯示。

2.1 水壓壓力與PT顯示的關(guān)系分析

●2.1.1 循環(huán)水壓試驗(yàn)及PT

查找產(chǎn)生此顯示的原因，采用單因素分析方法進(jìn)行分析，對(duì)第二個(gè)焊接見(jiàn)證件進(jìn)行水壓試驗(yàn)及水壓試驗(yàn)后的液體滲透檢驗(yàn)，并清除缺陷再次進(jìn)行水壓試驗(yàn)，如此一直循環(huán)。水壓試驗(yàn)采取按技術(shù)條件規(guī)定水壓試驗(yàn)壓力的試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 水壓試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表1可以得出，在經(jīng)過(guò)7次水壓試驗(yàn)后，水壓試驗(yàn)對(duì)焊縫造成了破壞，焊縫發(fā)生了變形，至第9次水壓試驗(yàn)后Ω焊縫仍可以保持水壓試驗(yàn)壓力，可見(jiàn)焊縫可經(jīng)得至少9次的疲勞載荷。

●2.1.2 分級(jí)水壓試驗(yàn)

水 壓 試 驗(yàn) 按10MPa、15.5MPa、17.2MPa、22.8MPa等4個(gè)壓力等級(jí)進(jìn)行分級(jí)由低至高進(jìn)行試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)的介質(zhì)為A級(jí)除鹽水，溫度、升壓降壓速率等參數(shù)與產(chǎn)品試驗(yàn)相一致；升到每級(jí)水壓試驗(yàn)壓力時(shí)，保壓時(shí)間不得小于30min，保壓期間對(duì)見(jiàn)證件進(jìn)行VT，觀察是否存在滲漏、變形等現(xiàn)象；每級(jí)水壓試驗(yàn)完成保壓和目視檢查后，將壓力降至0，對(duì)見(jiàn)證件的檢驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行PT，低級(jí)合格后逐級(jí)進(jìn)行下一級(jí)水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的來(lái)驗(yàn)證水壓試驗(yàn)壓力與出現(xiàn)PT顯示的關(guān)系。

針對(duì)此分級(jí)水壓試驗(yàn)，筆者以第一次水壓試驗(yàn)合格的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一次水壓試驗(yàn)，當(dāng)壓力升至10MPa時(shí)保壓后檢查，發(fā)現(xiàn)PT后存在超標(biāo)顯示，由此可得出，該材料經(jīng)第二次水壓試驗(yàn)在10MPa以上就會(huì)存在PT超標(biāo)顯示。

●2.1.3 受力分析

由水壓試驗(yàn)結(jié)果可以得出：隨著每次水壓試驗(yàn)完成后，均會(huì)在下環(huán)母材區(qū)域產(chǎn)生PT顯示，隨著試驗(yàn)次數(shù)的增多，水壓試驗(yàn)后PT顯示有增多的趨勢(shì)，但隨后有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，至8次，9次，PT顯示趨于穩(wěn)定，其尺寸均符合技術(shù)條件的要求，即仍有間距大于3mm的合格顯示，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行原因分析，受力圖如圖4所示。

圖4 見(jiàn)證件水壓試驗(yàn)過(guò)程中的上下環(huán)受力示意圖

由于水壓試驗(yàn)過(guò)程中，內(nèi)部不斷地受壓力的作用，由0上升至23.2MPa，壓力逐漸增大，在外部R=6mm、R=4mm、R=8mm的弧面上產(chǎn)生的表面擴(kuò)張力/拉力也逐漸增大，外部表面也逐漸產(chǎn)生了不同程度的擴(kuò)張；當(dāng)壓力至最大時(shí)，由于持續(xù)的保壓，而使其外表面處于持續(xù)擴(kuò)張的狀態(tài)；而此時(shí)，由于鍛造對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響、車削加工R弧時(shí)的機(jī)加工作用、零件表面粗糙度的影響，致使處于此處的微小缺陷如氧化夾雜物、氧化皮等組織的不致密、不均勻性因素或其他原因引起的微小缺陷受拉而長(zhǎng)大，長(zhǎng)大區(qū)域局部趨于集中，從而產(chǎn)生了局部間距小于3mm的表面顯示。

2.2 理化檢驗(yàn)

對(duì)Ω環(huán)的母材區(qū)域及PT顯示區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡外觀形貌檢查及顯示缺陷的相關(guān)理化檢查，重點(diǎn)做了最具有代表性的，以打2次水壓試驗(yàn)并經(jīng)PT后的具有合格顯示缺陷及超標(biāo)缺陷試件在缺陷處的外觀形貌，以分析水壓試驗(yàn)對(duì)Ω環(huán)焊縫及母材區(qū)的影響。

●2.2.1 材料化學(xué)成分分析

從出現(xiàn)PT顯示的母材上取樣，進(jìn)行材料化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2，表中同時(shí)列出了Z2CN19-10材料的化學(xué)成分規(guī)范。對(duì)照看出，材料化學(xué)成分滿足規(guī)范要求。

表2 材料化學(xué)成分分析結(jié)果及成分規(guī)范（Wt%）

●2.2.2 PT顯示結(jié)果的表面形貌分析

第三個(gè)見(jiàn)證件在第三次水壓試驗(yàn)后，液體滲透檢查到的5處不合格顯示，PT顯示位置距焊縫邊緣6～7mm處，有2個(gè)0.5mm的圓形顯示；代表性PT顯示均位于焊縫同一側(cè)水壓試驗(yàn)時(shí)的最大應(yīng)力區(qū)，同一位置的缺陷間距小于3mm。

用電火花切割的方法將所有PT顯示部位取下，對(duì)表面進(jìn)行簡(jiǎn)單刷洗后放入超聲波清洗機(jī)中清洗。試樣表面清洗干凈后放入掃描電子顯微鏡中進(jìn)行觀察，缺陷的微觀形貌及能譜分析的特點(diǎn)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：間距約2.5mm的PT顯示，兩條口部張開的小裂紋，裂紋尺寸分別為150μm和100μm，內(nèi)部可見(jiàn)韌窩斷口和非金屬夾雜物，裂紋尖端有明顯塑性變形；其余表面裂紋的長(zhǎng)度在20μm～150μm間，部分裂紋存在分支、內(nèi)部可見(jiàn)韌窩斷口和非金屬夾雜物、內(nèi)部位大尺寸非金屬夾雜物或其剝落后留下的痕跡，裂紋尖端有明顯塑性變形；另外還有多處夾雜物剝落坑處出現(xiàn)塑性變形已經(jīng)形成微裂紋或有形成微裂紋的傾向。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析這些PT顯示均為表面微裂紋，這些裂紋基本都起源于表面的非金屬夾雜物處。由于非金屬夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，其周圍存在應(yīng)力集中，夾雜物尺寸越大棱角越尖銳應(yīng)力集中越嚴(yán)重，當(dāng)材料中應(yīng)力水平較高時(shí)這些應(yīng)力集中部位常會(huì)首先發(fā)生開裂，形成微裂紋；另外，檢驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，見(jiàn)證件表面許多區(qū)域都存在機(jī)加工表面出現(xiàn)破裂不連續(xù)和機(jī)加工痕扭曲的現(xiàn)象，表明水壓試驗(yàn)中這里的應(yīng)力水平已經(jīng)到達(dá)甚至超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，材料發(fā)生了塑性變形。

圖5 間距小于3mm的2個(gè)典型顯示（間距約2.5mm）掃描電鏡形態(tài)

●2.2.3 金相檢驗(yàn)與分析

用拋光膏對(duì)PT顯示處表面進(jìn)行拋光，用草酸電解腐蝕后對(duì)表面進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示，原先的幾處缺陷都已經(jīng)被祛除掉，缺陷周圍組織不存在異常。在見(jiàn)證件上沒(méi)有PT顯示的區(qū)域取橫縱剖面金相試樣，進(jìn)行組織、晶粒度和非金屬夾雜物檢驗(yàn)，根據(jù)ASTM E45進(jìn)行的非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表3，可見(jiàn)，非金屬夾雜物級(jí)別滿足規(guī)范要求，但材料中存在D類超尺寸夾雜物。材料金相組織為孿晶奧氏體+鐵素體，晶粒度為3級(jí)，滿足規(guī)范要求（≥3級(jí)）。焊縫區(qū)為奧氏體+枝晶狀鐵素體組織；分析鐵素體的含量，下環(huán)基體材料的鐵素體含量在1.0%～1.5%之間，焊縫區(qū)鐵素體含量在9%～13%之間，均滿足技術(shù)條件的要求，金相檢驗(yàn)結(jié)果合格。

表3 非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

●2.2.4 硬度測(cè)試

PT顯示位置做剖面金相試樣，分別在內(nèi)、外表面和壁厚中部進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4，表中基體硬度測(cè)試區(qū)位于加工有螺栓孔的法蘭區(qū)?？梢?jiàn)，基體材料的硬度值偏低，缺陷區(qū)的硬度整體比基體要高，內(nèi)外表面附近的硬度比壁厚中部高很多，未經(jīng)過(guò)打磨的內(nèi)表面硬度最高，比基體高出近110HV。硬度的差異從另一個(gè)側(cè)面驗(yàn)證了缺陷區(qū)材料發(fā)生了塑性變形，存在形變硬化現(xiàn)象。

表4 顯微硬度測(cè)試結(jié)果(HV0.2)

●2.2.5 理化檢驗(yàn)的結(jié)論

見(jiàn)證件材料的化學(xué)成分滿足規(guī)范要求；見(jiàn)證件材料晶粒度、非金屬夾雜物含量滿足規(guī)范要求，但材料中存在D類超尺寸夾雜物；見(jiàn)證件基體材料的硬度偏低；液體滲透檢驗(yàn)的5處不合格顯示均為表面微裂紋，這些微裂紋多起源于非金屬夾雜物處；材料中存在較多大尺寸非金屬夾雜物和相對(duì)較高的水壓試驗(yàn)應(yīng)力是導(dǎo)致表面微裂紋形成的主要原因，焊接操作對(duì)裂紋形成無(wú)直接關(guān)系。

結(jié)合西屋專家的評(píng)審結(jié)論：西屋專家對(duì)這些表面顯示定義為疑似裂紋。在機(jī)加工表面上產(chǎn)生的疑似裂紋是產(chǎn)生PT顯示的主要原因，材料中的條狀鐵素體及非金屬夾雜物是產(chǎn)生塑性變形的原因，見(jiàn)證件母材上的顯示缺陷結(jié)果滿足RCC-M規(guī)范的要求，認(rèn)為可以原樣接受。

3 整改措施

核電工程控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω環(huán)焊接后及在水壓試驗(yàn)后PT顯示的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是對(duì)于產(chǎn)品、零件的制造技術(shù)要求低于現(xiàn)場(chǎng)的焊接標(biāo)準(zhǔn)要求，容易造成各種不同的理解；二是對(duì)Ω環(huán)的焊接環(huán)境控制不到位，灰塵、相對(duì)濕度不易控制，成品保護(hù)不到位；三是現(xiàn)場(chǎng)焊接后的水壓試驗(yàn)過(guò)程控制不到位等問(wèn)題。

3.1 優(yōu)化產(chǎn)品制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

由于Ω環(huán)焊接在核電施工的重要性，因此必須明確對(duì)于技術(shù)條件的規(guī)定，減小各類容易引起的爭(zhēng)議認(rèn)識(shí)，如在QFS-420480-JT2《控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼及熱電偶柱陰法蘭在反應(yīng)堆壓力容器管座上的焊接和檢驗(yàn)技術(shù)要求》中明確檢驗(yàn)區(qū)域，即產(chǎn)品及見(jiàn)證件在焊接完成、水壓試驗(yàn)后在PT時(shí)明確檢驗(yàn)區(qū)域及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

明確產(chǎn)品的制作及焊接要求，改進(jìn)技術(shù)條件：1）產(chǎn)品制造時(shí)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一；2）在制造廠中增加對(duì)于下環(huán)及上環(huán)的密封試驗(yàn)檢驗(yàn)，增加產(chǎn)品見(jiàn)證件。由于水壓試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，不能在產(chǎn)品上進(jìn)行多次試驗(yàn)，可以在批次產(chǎn)品中設(shè)置見(jiàn)證件，從而驗(yàn)證產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，以見(jiàn)證件的質(zhì)量來(lái)反映產(chǎn)品在鍛造后、機(jī)械加工后產(chǎn)品的質(zhì)量；增加了見(jiàn)證件的檢驗(yàn)，也可以減少質(zhì)量不穩(wěn)定產(chǎn)品的出廠機(jī)率。

3.2 優(yōu)化水壓試驗(yàn)工藝

技術(shù)要求如下：1）水壓試驗(yàn)時(shí)的加壓速度ν≤3MPa/min；2）水壓試驗(yàn)在保壓過(guò)程中壓力下降至22.8MPa時(shí)則試驗(yàn)失敗（不合格）。由此可以看出該技術(shù)規(guī)格書對(duì)此描述比較粗略，因此需要進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化。

對(duì)于Ω環(huán)的水壓試驗(yàn)，筆者提出以下優(yōu)化要求[4]：

1）水壓試驗(yàn)的過(guò)程必須分級(jí)控制，緩慢升壓逐步保壓，控制加壓及泄壓速度ν≤0.3～0.5MPa/ min；

2）結(jié)合Ω環(huán)的實(shí)際工況，其中一個(gè)過(guò)程必須反應(yīng)出運(yùn)行工況的實(shí)際情況，按工作壓力、設(shè)計(jì)壓力、試驗(yàn)壓力三個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)，最終升至試驗(yàn)壓力的要求，執(zhí)行技術(shù)規(guī)格書；

3）分級(jí)保壓時(shí)間5min,保壓過(guò)程中對(duì)焊縫及母材區(qū)域進(jìn)行100%VT；

4）明確水壓試驗(yàn)過(guò)程中的檢查要求：焊縫無(wú)可見(jiàn)變形，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常聲響，VT無(wú)缺陷；

5）完善試驗(yàn)及檢驗(yàn)記錄。

優(yōu)化后的試驗(yàn)曲線如下圖示，其中p1為工作壓力；p2為設(shè)計(jì)的工作壓力值；p為技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的試驗(yàn)壓力。

3.3 增強(qiáng)清潔區(qū)及成品保護(hù)控制

對(duì)于施工區(qū)域，要加強(qiáng)清潔度控制，保證施工環(huán)境的通風(fēng)、采光、環(huán)境的相對(duì)溫濕度控制在80%RH以下，優(yōu)于技術(shù)條件規(guī)定的≤90%RH的要求，保證施工區(qū)域無(wú)灰塵，控制好各類輔助用具滿足不銹鋼施工的要求，嚴(yán)格控制鹵族元素的含量，并嚴(yán)格控制碳鋼產(chǎn)品的使用。

4 Ω環(huán)水壓試驗(yàn)后PT顯示問(wèn)題的處理措施

對(duì)Ω環(huán)水壓試驗(yàn)后PT顯示問(wèn)題的處理，分在母材區(qū)域及焊縫區(qū)域的處理，對(duì)焊縫區(qū)的處理，可以采取局部打磨、挖補(bǔ)后進(jìn)行手工TIG返修；而對(duì)于母材區(qū)域的PT顯示，處理時(shí)可采取以下方法。

4.1 對(duì)PT顯示問(wèn)題的專家評(píng)審

現(xiàn)場(chǎng)成立了以中國(guó)核電工程有限公司CNPE、秦山核電有限公司QNPC、中核核電運(yùn)行一廠CNNO-1、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院NPIC、中核建設(shè)集團(tuán)23公司CNI23等單位組成的專項(xiàng)行動(dòng)領(lǐng)導(dǎo)小組，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行專項(xiàng)處理，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的解讀和研析，現(xiàn)場(chǎng)9次水壓試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證，并將見(jiàn)證件送至鋼鐵研究總院和西屋公司試驗(yàn)室分析并由西屋專家對(duì)此現(xiàn)象評(píng)審，按照評(píng)審的結(jié)果可以按照用進(jìn)行處理，并提出了以下可行性解決措施。

4.2 照用

簽于生產(chǎn)廠家的各類生產(chǎn)、檢查試驗(yàn)報(bào)告的合格性，分析對(duì)照了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，并經(jīng)第三方試驗(yàn)室的檢查檢驗(yàn)結(jié)果和西屋公司材料專家的技術(shù)評(píng)審論證結(jié)論，對(duì)Ω環(huán)焊接后在水壓試驗(yàn)后母材區(qū)域的PT顯示問(wèn)題提出了照用的方案，此種方案報(bào)核安全局進(jìn)行安全評(píng)審。2013年7月31日，國(guó)家核安全局組織專家對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了評(píng)審，給出了可以接受的評(píng)審意見(jiàn)。核安全局對(duì)此的評(píng)審結(jié)論如下：針對(duì)方家山1號(hào)機(jī)組CRDM下部密封焊縫及母材PT顯示不符合設(shè)計(jì)要求的事件，按照RCC-M規(guī)范的相關(guān)要求進(jìn)行處理是可以接受的。

雖然部分管座鍛件的夾雜物和晶粒度復(fù)驗(yàn)結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求，但根據(jù)相應(yīng)的制造完工報(bào)告數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)院的論證材料，可判斷對(duì)母材機(jī)械性能的影響可以接受。同時(shí)考慮到CRDM材料失效機(jī)理和特殊運(yùn)行環(huán)境，應(yīng)關(guān)注對(duì)材料的疲勞性能和應(yīng)力腐蝕的影響，并加強(qiáng)在役期間的監(jiān)督檢查。

對(duì)超標(biāo)顯示應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)處理，包括打磨和打磨后的PT驗(yàn)收。對(duì)于打磨超過(guò)設(shè)計(jì)最大允許修磨深度的情況，應(yīng)制定專門的處理方案。

建議相關(guān)單位在后續(xù)CRDM管座和耐壓殼鍛件的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中提高非金屬夾雜物的控制要求，如采取改進(jìn)冶煉方式、優(yōu)化鍛造工藝等方法。

4.3 對(duì)母材區(qū)域PT顯示進(jìn)行修磨打磨處理

對(duì)于母材區(qū)域PT顯示的打磨修磨量，設(shè)計(jì)院通過(guò)力學(xué)計(jì)算與分析，給出了可以打磨0.13mm的技術(shù)要求。由于重復(fù)水壓試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品實(shí)體質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不利影響；按RCCM3301，對(duì)母材本體表面缺陷（如有）清除后，只要求做PT檢驗(yàn)；PT后可以免除水壓試驗(yàn)（現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐：第二個(gè)焊接見(jiàn)證件9次水壓試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)泄漏，在第9次水壓試驗(yàn)后的液體滲透檢查結(jié)果也是合格，說(shuō)明這些缺陷不是貫穿性顯示，屬于淺表面顯示）。

對(duì)于0.13mm的打磨量的量化方法需要制定方案，可以采取多次打磨或拋光，用打磨次數(shù)及時(shí)間來(lái)量化，在實(shí)際打磨時(shí)需要做好打磨記錄。

4.4 局部挖補(bǔ)后返修

對(duì)于母材區(qū)域局部打磨后超過(guò)0.13mm的位置，可以考慮局部手工氬弧焊補(bǔ)焊的工藝方式進(jìn)行，此問(wèn)題已有成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，但在處理前需要做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，如補(bǔ)焊工藝評(píng)定已完成，焊接工藝規(guī)程已制定完善，焊絲的牌號(hào)、規(guī)格型號(hào)及焊接工藝參數(shù)的選擇，高純氬氣的選擇，焊工考試等需要完善。

對(duì)局部挖補(bǔ)的返修方案，對(duì)焊工的資質(zhì)技能要求很嚴(yán)格，心理素質(zhì)良好，對(duì)于薄壁Ω環(huán)的返修，做好模擬試驗(yàn)是必要的措施。

4.5 CSCA進(jìn)行處理的建議

CSCA：Canopy Seal Clamp Assembly即Ω環(huán)焊縫密封夾緊裝置（夾具）。為進(jìn)一步降低可能存在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)打磨量達(dá)到0.13mm但仍未消除的超標(biāo)顯示，業(yè)主已著手準(zhǔn)備采用美國(guó)西屋的CSCA夾緊技術(shù)措施進(jìn)行預(yù)防性維修，采用該技術(shù)可以降低新缺陷的產(chǎn)生以及原有缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)展。

4.6 對(duì)PT顯示部位的整體堆焊即Overlay

表面堆焊是對(duì)產(chǎn)品的最不利的處理方式，即是對(duì)Ω環(huán)外部進(jìn)行兩層堆焊，按照canopy焊縫的形狀進(jìn)行4mm的弧形堆焊如圖7所示（堆焊層的厚度由WSI設(shè)計(jì)得出）。此工作將由WSI公司進(jìn)行，此工作的進(jìn)行將影響我國(guó)的核電建設(shè)工作。

圖7 WSI公司對(duì)方家山核電工程canopy焊縫的堆焊層設(shè)計(jì)

主要堆焊工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 規(guī)定參數(shù)表

如某一層的焊接參數(shù)如下：

焊接方法：手工GTAW焊；多道多層連續(xù)單填絲鎢極氬弧焊；

焊接電流：I=85～130A；U=9.4～10.6V；v=2～4IPM；直流反接；

Ar流量及要求：正面，45CFH，背面1-200CFH(可不充氬)；高純氬純度≥99.997%；

焊接工件的焊接前溫度/預(yù)熱溫度10～30℃（50～87°F），不得超過(guò)93℃；層間溫度49℃/120°F～176℃/350°F；

堆 焊 焊 絲 型 號(hào)：SFA5.14 ERNiCrFe-7A φ0.035″。

5 結(jié)論

方家山核電工程CRDM Ω環(huán)的焊接施工，自2013年4月25日召開第一次專家會(huì)以來(lái)，歷時(shí)3個(gè)月，針對(duì)Ω環(huán)在水壓試驗(yàn)后的PT顯示問(wèn)題，停止施工進(jìn)行原因分析及事件處理，共召開17次大型綜合性專家會(huì)議和對(duì)核安全局的對(duì)話評(píng)審會(huì)，分析了PT顯示的產(chǎn)生原因；北京鋼鐵研究總院對(duì)見(jiàn)證件進(jìn)行了分析并邀請(qǐng)西屋公司進(jìn)行了顯示問(wèn)題的專家評(píng)估《CRDM Canopy Seal Weld Mockup Laboratory Evaluation》 及 裂 紋 缺 陷《Crack Growth Evaluations of Flaw Indications on the Canopies at Fangjiashan》的評(píng)估報(bào)告，對(duì)此顯示問(wèn)題所反映的材料鍛件出廠報(bào)告中夾雜物等級(jí)、晶粒度和PT均合格，與現(xiàn)場(chǎng)PT結(jié)果和夾雜物、晶粒度復(fù)驗(yàn)結(jié)果有一定差異等問(wèn)題明確了該缺陷對(duì)鍛件母材合格性無(wú)明顯影響；方家山核電工程項(xiàng)目部委托蘇州熱工研究院對(duì)CRDM的管座母材進(jìn)行了性能評(píng)估及模擬電廠實(shí)際運(yùn)行情況的腐蝕性能研究，得出了該缺陷的存在對(duì)性能無(wú)明顯影響，且對(duì)裂紋的擴(kuò)展情況進(jìn)行了評(píng)估，其性能能滿足核電廠的壽期的結(jié)論；對(duì)1號(hào)機(jī)組CRDM下部密封焊縫及母材PT顯示問(wèn)題可按照RCC-M規(guī)范的相關(guān)要求進(jìn)行打磨處理的方法可行。

1）目前方家山核電工程對(duì)所有開啟NCR的耐壓殼及管座，采取了照用的方案。

2）對(duì)PT顯示的處理采取多次打磨或拋光，用打磨次數(shù)及時(shí)間來(lái)量化0.13mm的打磨量的量化方法，并在實(shí)際打磨時(shí)做好打磨記錄。經(jīng)打磨后PT和工藝系統(tǒng)22.8MPa水壓試驗(yàn)后PT，均合格且無(wú)顯示。

3）秦山核電廠一期工程在后續(xù)的役檢后，對(duì)Ω環(huán)采取了WSI公司對(duì)方家山核電工程canopy的工藝，修復(fù)成功，為核電廠國(guó)內(nèi)對(duì)Ω環(huán)PT顯示的處理提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證了該工工藝的可行。

6 討論與建議

1）在對(duì)于CRDM Ω環(huán)的焊接及水壓試驗(yàn)PT檢測(cè)方面，各核電廠均要以此事件作為經(jīng)驗(yàn)反饋，設(shè)計(jì)單位及相關(guān)材料制造單位要在后續(xù)CRDM管座及耐壓殼鍛件的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中提高非金屬夾雜物的控制要求，以減小薄壁母材受焊接及水壓試驗(yàn)影響而在表面產(chǎn)生相關(guān)顯示的問(wèn)題。

設(shè)計(jì)院在Ω環(huán)密封焊縫的設(shè)計(jì)時(shí)，可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面可考慮增大此處的設(shè)計(jì)厚度，由現(xiàn)在的2mm加厚至6mm，以減小由于水壓試驗(yàn)時(shí)對(duì)材料的影響；另一方面，設(shè)計(jì)院可以在技術(shù)條件中明確對(duì)于母材區(qū)域PT顯示結(jié)果的修理技術(shù)要求；第三，對(duì)于水壓試驗(yàn)明確分級(jí)試驗(yàn)的具體要求；最后，設(shè)計(jì)院可在制造階段增加產(chǎn)品見(jiàn)證件的設(shè)置，以減小“合格但體質(zhì)弱產(chǎn)品的出廠”。

2）由于我國(guó)的材料制造技術(shù)水平的影響關(guān)系，目前在核電的關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)中，需要考慮國(guó)家的鍛造技術(shù)，為保證材料的可靠性及穩(wěn)定性，在煉鋼中需要增加環(huán)境的控制，控制好煉鋼及鍛造的質(zhì)量，以提高材料的性能，不僅是要滿足技術(shù)條件的規(guī)定，更要充分保證材料化學(xué)成分的均勻分布，以減小如條狀鐵素體及夾雜物的偏聚。在鍛造過(guò)程中增強(qiáng)鍛造次數(shù)，考慮研究改進(jìn)鍛造工藝，從根本上促進(jìn)鍛造制造水平。

3）在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于母材區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)，按照RCCM3301進(jìn)行控制，不要無(wú)限制的提升從嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)要求（經(jīng)過(guò)多次水壓試驗(yàn)及專家的評(píng)審及論證可以得出照用的結(jié)果）。對(duì)于目前Ω環(huán)在水壓試驗(yàn)后的PT問(wèn)題，評(píng)價(jià)及判定是合格的，為保證核安全，可以在運(yùn)行過(guò)程中加強(qiáng)在役監(jiān)控，在每個(gè)換料大修期間，對(duì)焊縫及附近母材實(shí)施增強(qiáng)型目視檢查，同時(shí)還應(yīng)抽取一定數(shù)量的CRDM對(duì)Ω焊縫及其相關(guān)弧段母材區(qū)域進(jìn)行PT，對(duì)PT結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便必要時(shí)對(duì)于薄弱環(huán)節(jié)制定相應(yīng)的預(yù)防性維修處理措施。

[1] 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì). QFS-420352-JT18反應(yīng)堆壓力容器CRDM/TC管座法蘭不銹鋼材料技術(shù)要求[Z]. 2008.

[2] 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院. QFS-420452-JT1控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)00Cr18Ni10N不銹鋼鍛棒技術(shù)條件[Z]. 2011.

[3] 電力行業(yè)核電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，中國(guó)廣東核電集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)委員會(huì). 核電材料 焊接標(biāo)準(zhǔn)宣貫及研討技術(shù)資料匯編上、下冊(cè)[M]. RCC-M 2000版+2002補(bǔ)遺 第IV卷 S篇 焊接 2010.12.

[4] 馬新朝. 核電工程焊接監(jiān)理[M]. 北京：中國(guó)原子能出版社，2014.

The Problem and Treatment Showed in PT Test after Hydraulic Testing of Control Rod Driving Mechanism Ω Ring in Nuclear Power Project

Ma Xinchao
(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd. Beijing 100840)

This paper discusses the solutions to liquid PT test circular display existed in base metal area after hydraulic testing when the CRDM Ω ring welding is finished. According to the contrast of base metal manufacturing standards and the field welding standards, this paper finds the primary cause of PT test is the difference of PT testing codes used in manufacturing and welding. With the surface scanning electron microscopy, metallographic examination, physical and chemical testing of the display area, and analysis of the relationship between the hydraulic pressure test and PT display, the four measures: illumination, polishing and grinding after welding, the Westinghouse CSCA preventive measures and the final WSI Overlay, as authoritative solutions for nuclear power project in dealing with the Ω ring display problem are proposed.

Control rod drive mechanism Omega ring Water pressure test PT display problem Treatment

X933.4

B

1673-257X(2015)11-0032-09

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.11.008

馬新朝（1974～)，男，碩士，總經(jīng)理助理，高級(jí)工程師，從事核電安裝焊接工藝及新技術(shù)研究、無(wú)損檢測(cè)（RT、UT）技術(shù)、理化檢測(cè)等工作。

2015-05-15）