控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫及母材液體滲透顯示分析的研究

凌禮恭，賈盼盼，孫海濤，董曉璐，盛朝陽，高晨，王俊紅

（1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100088；2.北京科技大學(xué)國家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100083；3.華北科技學(xué)院，河北廊坊 065201）

?

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫及母材液體滲透顯示分析的研究

凌禮恭1，2，賈盼盼1，*，孫海濤1，董曉璐1，盛朝陽1，高晨1，王俊紅3

（1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100088；2.北京科技大學(xué)國家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100083；3.華北科技學(xué)院，河北廊坊 065201）

摘要：控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）下部Ω焊縫及母材顯示在焊前、焊后、水壓試驗(yàn)后的液體滲透檢測（PT）中均有出現(xiàn)，其形態(tài)基本為小于1 mm的非線性顯示，主要分布在焊縫兩側(cè)的弧段區(qū)。對顯示的檢測表明，原材料性能滿足技術(shù)規(guī)格書的要求，同時(shí)存在C類、D類超尺寸夾雜物。PT顯示部位可觀察到非金屬夾雜物及微裂紋。結(jié)合完工報(bào)告復(fù)核、材料復(fù)驗(yàn)、國外供貨對比等分析認(rèn)為顯示與超尺寸非金屬夾雜物相關(guān)。顯示可采取有限打磨進(jìn)行處理。建議提高原材料夾雜物采購技術(shù)要求，控制原材料中Al、Si、O的含量，在失效時(shí)可考慮覆蓋堆焊（OVERLAY）、夾緊裝置（CSCA）的維修方式以及進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑谝鄹櫃z查。

關(guān)鍵詞：控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；Ω焊縫；顯示；非金屬夾雜物；在役跟蹤檢查

隨著國內(nèi)核電技術(shù)引進(jìn)消化再吸收路線的推進(jìn)，國內(nèi)核電大型裝備基本實(shí)現(xiàn)了制造自主化，但是，在這一自主化的進(jìn)程中也顯現(xiàn)了一些制造經(jīng)驗(yàn)方面的不足，值得去分析和改進(jìn)。當(dāng)前，國內(nèi)在建二代加及其改進(jìn)型核電機(jī)組在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（control rod drive mechanism，簡稱CRDM）耐壓殼與管座焊接過程中，數(shù)次發(fā)現(xiàn)液體滲透（liquid permeation test，簡稱PT）顯示。液體滲透顯示宏觀形態(tài)基本為小于1 mm的非線性顯示。其出現(xiàn)的主要部位如圖1、圖2所示。機(jī)組液體滲透顯示形態(tài)及部位統(tǒng)計(jì)見表1。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)［1 -4］國內(nèi)外均出現(xiàn)了一定數(shù)量的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫失效案例。

圖1 管座的弧段母材顯示位置Fig. 1 Displays position on adaptor

圖2 耐壓殼的弧段母材顯示位Fig. 2 Displays position on Latch Housing

表1 各機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下部Ω環(huán)顯示統(tǒng)計(jì)Table 1 Displays statistics to CRDM lower Omega ring on each unit

1 顯示檢測

本研究對某機(jī)組未焊接的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)管座、耐壓殼以及Ω焊縫焊接見證件進(jìn)行光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）進(jìn)行了成分分析、夾雜物觀察和顯微金相觀察。結(jié)果表明［5，6］（1）化學(xué)成分、晶粒度、非金屬夾雜物級別滿足規(guī)范要求，但材料中存在C類和D類大尺寸夾雜物（見表2）；（2）未焊接的部件（管座、耐壓殼）PT顯示區(qū)內(nèi)存在露出表面的大尺寸非金屬夾雜物，未見裂紋；（3）焊接件PT顯示為大尺寸非金屬夾雜物（如圖3所示）處形成的表面微裂紋（如圖4所示），金相觀察到微裂紋的尺寸主要為40 μm～150 μm。

GB/ T10561 -2005鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法［7］規(guī)定將C類粗系夾雜物寬度超過12 μm，D類粗系夾雜物直徑超過13 μm定義為超尺寸夾雜物。

表2 非金屬夾雜物檢測結(jié)果Table 2 Test results of non-metallic inclusions

圖3 典型夾雜物EDS成分分析（氧化鋁型）Fig.3 Analysis of typical inclusions of EDS components（Al2O3）

圖4 典型夾雜物SEM形態(tài)和微裂紋Fig. 4 Typical inclusions of under SEM and crack

2 原因分析

2. 1 完工報(bào)告復(fù)核

本研究對出現(xiàn)PT顯示部件的完工報(bào)告進(jìn)行了復(fù)核，報(bào)告表明出現(xiàn)顯示的相關(guān)爐批號的成品化學(xué)成分（澆包分析、產(chǎn)品分析）、力學(xué)性能試驗(yàn)（常溫、高溫拉伸，常溫沖擊，硬度）、金相試驗(yàn)（夾雜物、晶粒度）、晶間腐蝕、無損檢驗(yàn)（超聲檢測、滲透檢測）等理化檢驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)要求，出廠質(zhì)量合格。

但完工報(bào)告中部分夾雜物尺寸已達(dá)到技術(shù)要求上限值，具體詳見下表3。

表3 夾雜物尺寸已達(dá)到技術(shù)要求上限值情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics to inclusions，the size of which close to the the upper limit value of technical requirements

2. 2 材料復(fù)驗(yàn)

本研究對某機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出廠理化性能試驗(yàn)所用的試樣進(jìn)行了理化性能復(fù)驗(yàn)［8 -10］。復(fù)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）對于管座材料的非金屬夾雜物檢查，送檢的12個(gè)試樣有1個(gè)試樣的B類粗系達(dá)到2. 0級，不滿足設(shè)計(jì)要求，另有4個(gè)試樣的某一類非金屬夾雜物雖存在超尺寸但仍滿足設(shè)計(jì)要求，其余非金屬夾雜物基本都在0. 5級左右；（2）對于管座材料的晶粒度檢查，本次送檢的12個(gè)試樣有1個(gè)試樣的平均晶粒度為1. 7，6個(gè)試樣的平均晶粒度為2. 5 -2. 8（沖擊試樣），其余滿足設(shè)計(jì)文件的要求；（3）對于耐壓殼材料的復(fù)檢，晶粒度大于5，夾雜物等級最高1. 5，滿足設(shè)計(jì)院的要求。

后續(xù)繼續(xù)對晶粒度超標(biāo)和超大尺寸夾雜物的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω環(huán)管座母材進(jìn)行了力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)［10，11］。由于材料有限，采取試樣重組技術(shù)分別從破斷沖擊試樣和金相試樣中截取沖擊試樣和拉伸試樣的插入段，并采用同爐號的材料作為支撐段分別焊接重組成沖擊試樣和拉伸試樣，實(shí)現(xiàn)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω環(huán)管座母材性能復(fù)驗(yàn)。重組試樣的沖擊和拉伸性能均符合采購技術(shù)規(guī)范要求，復(fù)驗(yàn)材料的沖擊和拉伸性能合格。

2. 3 國外供貨控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)夾雜物指標(biāo)對比

國內(nèi)某些機(jī)組的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鍛件由奧地利BOHLER供貨，其相應(yīng)的完工報(bào)告顯示鍛件材料中無A、B、C類夾雜物，D類夾雜物等級（ASTM E45 -97等級）均不高于0. 5級，相應(yīng)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)無類似液體滲透顯示問題的反饋。國外制造廠對于夾雜物的控制可能設(shè)置了更高的內(nèi)控驗(yàn)收指標(biāo)，以保證其產(chǎn)品的最終加工質(zhì)量。

2. 4 原因分析小結(jié)

本研究發(fā)現(xiàn)存在顯示部件相應(yīng)爐批號材料力學(xué)性能滿足技術(shù)要求；存在顯示部件相應(yīng)爐批號材料夾雜物等級存在接近或者達(dá)到技術(shù)要求的情況。

綜合檢測分析結(jié)論及完工報(bào)告復(fù)核、材料復(fù)驗(yàn)結(jié)果和國外采購?fù)愋筒考A雜物數(shù)據(jù)，認(rèn)為液體滲透顯示的主要原因：鍛件原材料中存在滿足技術(shù)規(guī)格書（采購規(guī)范）夾雜物等級要求的大尺寸非金屬夾雜物（氧化鋁和硅酸鹽）。誘發(fā)因素：（1）構(gòu)件表面夾雜物與基體金屬間的不協(xié)調(diào)塑性變形，在夾雜物周圍形成微觀缺陷，形成液體滲透顯示；（2）焊接應(yīng)力或水壓試驗(yàn)應(yīng)力作用下，在夾雜物周圍誘發(fā)微觀缺陷，形成液體滲透顯示。

3 顯示處理

M310及其改進(jìn)型三環(huán)路百萬千瓦級壓水堆核電機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼與管座間Ω環(huán)的應(yīng)力分析中，采用的壁厚為1. 77mm，I、II、III、IV類工況和試驗(yàn)工況的計(jì)算結(jié)果均滿足RCC -M規(guī)范的要求。而耐壓殼與管座間Ω環(huán)的最小設(shè)計(jì)壁厚為1. 9mm。本文討論的顯示可考慮采取如下處理方式：經(jīng)設(shè)計(jì)院認(rèn)可修復(fù)方案后，打磨消缺并圓滑過渡，在滿足設(shè)計(jì)應(yīng)力計(jì)算壁厚的前提下，原樣接受。

4 探討

4. 1 材料采購技術(shù)要求優(yōu)化

4. 1. 1 耐壓殼不銹鋼材料采購技術(shù)要求

密封殼用00Cr18Ni10N不銹鋼鍛棒的夾雜物、晶粒度要求具體見表4。00Cr18Ni10N為中國國標(biāo)奧氏體鋼牌號，等同于RCC-M M3301中法國NF奧氏體鋼牌號Z2CN19 -10（控氮）。耐壓殼技術(shù)要求中對00Cr18Ni10N提出的要求不低于RCC-M M3301，符合RCC-M M3301的要求。其中RCC - M M3301對于Z2CN19 - 10（控氮）的非金屬夾雜物沒有要求［12］。

4. 1. 2 管座法蘭不銹鋼材料技術(shù)要求

管座法蘭用Z2CN19 -10（控氮）奧氏體不銹鋼鍛件的夾雜物、晶粒度要求相同，具體見表5。管座技術(shù)要求中對Z2CN19 -10（控氮）提出的要求不低于RCC-M M3301，符合RCC-M M3301的要求。其中RCC - M M3301對于Z2CN19 - 10（控氮）的非金屬夾雜物沒有要求［12］。

表4 耐壓殼技術(shù)要求中對夾雜物和晶粒度的要求Table 4 Adaptor requirements for inclusion and grain size

表5 管座技術(shù)要求中對夾雜物和晶粒度的要求Table 5 Latch housing requirements for inclusion and grain size

綜上，耐壓殼、管座法蘭不銹鋼材料的采購技術(shù)要求等級均低于國內(nèi)早期建造機(jī)組從國外采購產(chǎn)品的等級，同時(shí)對于超尺寸夾雜物也沒有相應(yīng)的限定。雖然超尺寸夾雜物（A、B、C類夾雜物寬度方向尺寸偏大，D類夾雜物直徑偏大）也會(huì)納入到夾雜物等級的評定中，但其對材料不均勻性、不連續(xù)性的貢獻(xiàn)大于一般夾雜物。且這些夾雜物均為硬脆相，脆性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)生界面分離。

同時(shí)，管座、耐壓殼材料均對應(yīng)RCC - M M3301中Z2CN19 - 10，但技術(shù)要求對夾雜物等級驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收要求不完全一致。

4. 2 非金屬夾雜物控制

根據(jù)對PT顯示處非金屬夾雜物的分析［5、6］，接近或達(dá)到技術(shù)要求上限、超尺寸夾雜物的種類主要為氧化鋁和硅酸鹽（國標(biāo)分類C類夾雜物（硅酸鹽），D類夾雜物為球狀氧化物），非金屬夾雜物處Al、Si、O含量較高。表6為材料技術(shù)要求中對化學(xué)元素含量的限值。為避免夾雜物導(dǎo)致的顯示產(chǎn)生，材料的夾雜物等級要求需要提高，同時(shí)應(yīng)對超尺寸夾雜物進(jìn)行限制?？赏ㄟ^加強(qiáng)原材料生產(chǎn)過程中Al、Si元素含量的控制以及冶煉過程中的除氧措施等方式達(dá)到該目的。

4. 3 顯示的影響

根據(jù)相應(yīng)的制造完工報(bào)告數(shù)據(jù)、材料復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)和修復(fù)以后尺寸復(fù)核數(shù)據(jù)，綜合判斷：液體滲透顯示進(jìn)行打磨處理后，對Ω焊縫及母材機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響可以接受。同時(shí)考慮到控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫附近母材顯示存在的實(shí)際情況及其產(chǎn)生的根本原因，不能排除在內(nèi)表面存在類似顯示的可能。根據(jù)國內(nèi)外同類型核電廠服役期間控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω焊縫熔敷金屬和附近母材處出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋并導(dǎo)致冷卻劑滲漏事件的經(jīng)驗(yàn)反饋，Ω焊縫部位由于設(shè)計(jì)原因（冷卻劑長期滯留并無法有效循環(huán)），易形成應(yīng)力腐蝕的敏感環(huán)境［1，15，16］。而內(nèi)表面裂紋特征缺陷會(huì)加劇應(yīng)力腐蝕的傾向，因此應(yīng)關(guān)注應(yīng)力腐蝕對控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫及母材服役性能的影響。

表6 材料技術(shù)要求中對化學(xué)元素含量限值Table 6 Limit value of chemical element content in material technical requirement

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼與管座通過螺紋連接，同時(shí)通過Ω焊縫進(jìn)行密封焊接，其中螺紋承擔(dān)一回路的載荷，Ω焊縫主要提供密封功能。密封焊縫的泄漏不會(huì)造成控制棒彈棒事件以及放射性物質(zhì)大量釋放事件的發(fā)生。國內(nèi)外核電廠均有Ω焊縫發(fā)生泄漏的案例，可以通過覆蓋堆焊（OVERLAY）方式［1，4，17］或焊縫夾緊裝置（Canopy Seal Clamp Assembly，簡稱CSCA）［18］對泄漏焊縫進(jìn)行修復(fù)，國內(nèi)核電廠也有泄漏焊縫修復(fù)后繼續(xù)安全運(yùn)行的成功案例。

5 建議

5. 1 提高夾雜物技術(shù)等級

建議適當(dāng)提高耐壓殼不銹鋼材料采購技術(shù)要求和管座法蘭不銹鋼材料技術(shù)要求中A、B、C、D類夾雜物等級，同時(shí)不允許存在等同于GB/ T10561 -2005鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法中定義的超尺寸夾雜物。

5. 2 后續(xù)監(jiān)督措施

對于采取第4節(jié)方案進(jìn)行顯示處理的情況，建議役前一回路水壓試驗(yàn)期間，抽取一定數(shù)量的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對下部Ω焊縫及相關(guān)弧段母材區(qū)域進(jìn)行液體滲透檢查；在役換料大修期間，除根據(jù)RSEM1997（2000）規(guī)范［19］要求對所有控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下部Ω焊縫及附近母材實(shí)施目視檢查外，同時(shí)抽取一定數(shù)量的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對下部Ω焊縫及相關(guān)弧段母材區(qū)域進(jìn)行液體滲透檢查，并對液體滲透檢查結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，可適時(shí)考慮進(jìn)行預(yù)防性和糾正性維修。

參考文獻(xiàn)

［1］Structural Integrity Associates，Inc. Design and analysis of a weld overlay repair for the Watts Bar CRDM Lower Canopy seal Welds，SI Report No. SIR - 97 - 089［R］. California：StructuralIntegrity Associates，Inc.，1997.

［2］H. Barrault. L104 outage-CRDM（K14）EDFoperating experience，Memorandum-N°482，Revision 0［R］.Paris：EDF，2006.

［3］鄭曉敏.嶺澳核電廠L1號機(jī)組控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)泄漏問題［J］.核安全，2007（2）：25 -30.

［4］吳江濤.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封焊縫缺陷修復(fù)技術(shù)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［5］馬新朝.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)見證件缺陷分析，鋼測（Z）字第52號［R］.北京：國家鋼鐵材料測試中心，2013.

［6］馬新朝.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上環(huán)、下環(huán)、焊接件缺陷分析，鋼測（Z）字第57號［R］.北京：國家鋼鐵材料測試中心，2013.

［7］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/ T10561 -2005鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［8］周秀霞. 00Cr18Ni10N晶粒度、非金屬夾雜物檢驗(yàn)報(bào)告，鋼質(zhì)檢（A）字第2295 -2302號［R］.北京：國家鋼鐵材料測試中心，2013.

［9］郭麗英. Z2CN19 -10（控氮）晶粒度、非金屬夾雜物測試報(bào)告，鋼測（W）字第949號［R］.北京：國家鋼鐵材料測試中心，2013.

［10］郭麗英. Z2CN19 -10（控氮）晶粒度、非金屬夾雜物測試報(bào)告，鋼測（C）字第17216號［R］.北京：國家鋼鐵材料測試中心，2013.

［11］蘇州熱工研究院有限公司. CRDM“焊縫”母材試樣重組方案B版［R］.北京：蘇州熱工研究院有限公司，2013.

［12］步偉東，彭嘯，黃平，等.試樣重組技術(shù)在CRDM管座材料性能評估中的應(yīng)用［J］.壓力容器，2014，31（7）：1 -5.

［13］AFCEN. RCC-M 2002 edition and 2002 addenda. DESIGN AND CONSTRUCTION RULESFOR MECHANICAL COMPONENTS OF PWRNUCLEARISLANDS［S］. Paris：AFCEN，2002.

［14］ASTM. ASTM-E45 1997 edition and 2002addenda. Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel［S］. West Conshohocken：ASTM，1997.

［15］丁亞平，徐雪蓮.壓水堆核電廠長壽命化的腐蝕損傷問題［J］.腐蝕與防護(hù)，2001，22（11）：489 -497.

［16］Kiyoshi Takanabe，Takashi Miyake，Yasumi Nagura. Development of advanced CRDM without canopy seal welds ［J］. Nuclear Engineering and Design，2002，214：25 -34.

［17］劉青松，黃文有，孫英學(xué).嶺澳核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封焊縫泄漏處理及缺陷評估［J］.核動(dòng)力工程，2006 （10）：147 -152.

［18］Westinghouse. REPAIR OF LEAKING REACTORVESSEL HEAD LOWER CANOPY SEALWELDS，June［R］. Pittsburgh：Westinghouse，2013.

［19］AFCEN. RSE-M 1997 edition and 2000 addenda. In - Service inspection rules for the mechanical components of PWR nuclear islands［S］. Paris：AFCEN，2000.

Analysis About Penetrant Indications on CRDM Lower CSWs and the Base Metal

LING Ligong1，2，JIA Panpan1，*，SUN Haitao1，DONG Xiaolu1，SHENG Zhaoyang1，GAO Chen1，WANG Junhong3
（1. Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China，Beijing 100088，China；2. National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology，Beijing 100083，China；3. North China Institute of Science and Technology，Hebei 065201，China）

Abstract：The indications are detected by penetrant testing（PT）beforewelding，after welding and after hydraulic testing（HT）on the lower canopy seal welds（CSWs）and its adjacent base metal（BM）of control rod drive mechanism（CRDM）. The indications are almost nonlinearity display and less than 1mm，which are located in the area of arc section. Through testing the display，the performance of raw material scan meet the requirements of technical specification，meanwhile C class and D class oversize inclusion is detected. The PT display parts can observe inclusion and thin crack. With the End-of-manufacturing report（EOMR）review，material re-inspection，foreign supplier comparison and other analysis，it is concluded that the indication is related to the oversize inclusion. Indications canbe treated by limited polishing. This paper presents some suggestions such as improving procurement technical requirements on the raw material's inclusions，controlling the concentration of Al，Si，O in raw materials，performing overlay or CSCA maintenance in case of failure and appropriate in-service inspection.

Key words：CRDM；CSWs；indication；inclusion；in-service inspection

中圖分類號：TB302. 5

文章標(biāo)志碼：B

文章編號：1672-5360（2016）02-0064-06

收稿日期：2016-01-23 修回日期：2016-03-07

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)，項(xiàng)目編號 2011ZX06004 -010 -09；華北科技學(xué)院科技基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號 3142014046

作者簡介：凌禮恭（1985—），男，湖北黃岡人，工程師，現(xiàn)主要從事核設(shè)備及材料的安全審評工作

*通訊作者：賈盼盼，E-mail：hitjiapanpan@163. com