秦山核電廠穩(wěn)壓器接管600合金焊縫應(yīng)力腐蝕及檢查

蔣申華

【摘 要】本文以秦山核電廠穩(wěn)壓器接管600合金焊縫為研究對(duì)象，在分析600合金應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)及在役檢查管理現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，電站成功開(kāi)發(fā)出相控陣超聲檢驗(yàn)技術(shù)，并在R16大修期間實(shí)施滲透、射線、相控陣超聲組合檢查。此外，本文通過(guò)深入分析三種檢驗(yàn)方法特性并結(jié)合各方法的檢驗(yàn)結(jié)果，探討600合金焊縫管理弱項(xiàng)，并提出針對(duì)性改進(jìn)措施。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)力腐蝕；在役檢查；超聲相控陣；結(jié)果分析

0 前言

穩(wěn)壓器作為一回路承壓邊界一部分，主要承擔(dān)一回路主系統(tǒng)壓力的建立及調(diào)節(jié)功能。秦山核電廠穩(wěn)壓器接管安全端焊縫，接管材料為碳鋼A508-Ⅲ，安全端為321不銹鋼。焊接時(shí)先在接管側(cè)預(yù)堆Inconel-600鎳基材料（簡(jiǎn)稱600合金），然后與安全端焊接。由于600合金具有一定的應(yīng)力腐蝕傾向，人們對(duì)大量的泄漏事故進(jìn)行研究后確認(rèn)：600合金在工況惡劣的反應(yīng)堆一回路介質(zhì)環(huán)境下極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋（簡(jiǎn)稱PWSCC），從而對(duì)電站的運(yùn)行安全造成潛在的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為確保電站的運(yùn)行安全，針對(duì)該類焊縫采取合適的無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)行跟蹤檢查就顯得非常關(guān)鍵。

1 600合金應(yīng)力腐蝕

1.1 600合金應(yīng)力腐蝕分析

600合金屬鎳基固溶強(qiáng)化合金系，該合金具有優(yōu)秀的抗腐蝕及抗氧化性能，還具有良好的焊接性能及綜合力學(xué)性能[1]，自20世紀(jì)60年代起被廣泛應(yīng)用于核電站主設(shè)備制造。然而在國(guó)外隨著核電站運(yùn)行堆年增加，由于600合金應(yīng)力腐蝕而引發(fā)的泄漏事故時(shí)有發(fā)生，尤其是電站運(yùn)行20年后其主設(shè)備600合金部件發(fā)生PWSCC的風(fēng)險(xiǎn)更大。

根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)反饋，600合金產(chǎn)生PWSCC主要受合金含鎳量、焊縫應(yīng)力水平影響，此外焊縫溫度及介質(zhì)環(huán)境等因素對(duì)裂紋的生長(zhǎng)也有一定的促進(jìn)作用，具體分析如下：

1）應(yīng)力水平

焊接時(shí)焊縫內(nèi)會(huì)存在一定的焊接殘余應(yīng)力，此外隨工況的變化，穩(wěn)壓器須作出相應(yīng)的動(dòng)作調(diào)節(jié)，承受一定的冷熱沖擊，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力及疲勞應(yīng)力。

2）鎳含量

600合金易產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕（IGSCC），鎳含量超過(guò)70%時(shí)合金發(fā)生IGSCC風(fēng)險(xiǎn)很高。通過(guò)查閱制造文件[2]，穩(wěn)壓器接管焊材中Ni含量約為72.6%，因此該焊材本身具有較強(qiáng)的IGSCC傾向。

3）溫度影響

溫度對(duì)裂紋生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用。國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)，在343℃溫度下，IGSCC裂紋的生長(zhǎng)速度甚至達(dá)到290℃時(shí)速度的13倍。穩(wěn)壓器工作溫度為343℃，工作溫度很高，故一旦焊縫內(nèi)產(chǎn)生裂紋，將會(huì)導(dǎo)致裂紋很快生長(zhǎng)。

4）介質(zhì)環(huán)境

根據(jù)反應(yīng)堆運(yùn)行需要，需向主系統(tǒng)中加入適量硼酸、LiOH、H2O2等物質(zhì)調(diào)節(jié)反應(yīng)性，此外，反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的腐蝕產(chǎn)物，在上述物質(zhì)的共同作用下，能夠進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的生長(zhǎng)。

1.2 600合金應(yīng)力腐蝕檢查導(dǎo)則

為解決600合金PWSCC問(wèn)題， EPRI在大量實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上發(fā)布了《MRP-139》導(dǎo)則。作為對(duì)ASME規(guī)范的補(bǔ)充，該導(dǎo)則對(duì)600合金的檢驗(yàn)要求、檢驗(yàn)方法及頻度、缺陷評(píng)定及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、焊縫評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行強(qiáng)制性規(guī)定。

針對(duì)穩(wěn)壓器600合金焊縫，該導(dǎo)則強(qiáng)調(diào)：電站必須在2007.12.31日前按照《MRP-139》導(dǎo)則要求，完成超聲檢驗(yàn)工作（超聲檢驗(yàn)工藝必須按照ASMEⅪ卷附錄8要求通過(guò)性能驗(yàn)證），且在后續(xù)運(yùn)行時(shí)必須對(duì)該類焊縫進(jìn)行復(fù)檢及安全評(píng)估。受制于焊縫特殊的尺寸結(jié)構(gòu)，部分電站無(wú)法按照《MRP-139》要求實(shí)施超聲檢驗(yàn)，因此該類電站最終采用了690合金預(yù)防性堆焊的方法進(jìn)行保守處理。

2 秦山核電廠穩(wěn)壓器600合金焊縫在役檢查

2.1 大綱在役檢查方法、頻度及結(jié)果

秦山核電廠設(shè)計(jì)、建造標(biāo)準(zhǔn)主要參照ASME規(guī)范，在役檢查主要依據(jù)ASME第Ⅺ卷。根據(jù)ASME第Ⅺ卷要求，電站在編制《秦山核電廠在役檢查大綱》時(shí)將600合金焊縫全部列入在役檢查監(jiān)督范圍。根據(jù)ASME第Ⅺ卷 IWB-2500和IWB-240規(guī)定，其檢驗(yàn)方法為射線、滲透，頻度10年一次。在役檢查科按照在役檢查大綱規(guī)定對(duì)相應(yīng)焊縫組織檢查。

考慮到600合金存在較強(qiáng)PWSCC風(fēng)險(xiǎn)，為強(qiáng)化600合金焊縫監(jiān)督，除大綱規(guī)定時(shí)機(jī)的檢查外，電廠在R13、R16期間對(duì)所有焊縫進(jìn)行RT、PT追加檢查。

2.2 大綱在役檢查方法局限性分析

600合金PWSCC裂紋起源于管道內(nèi)壁，沿焊縫往外壁擴(kuò)展，且裂紋形成后其生長(zhǎng)速度較快，一旦焊縫產(chǎn)生裂紋將很難保證在下一檢查周期內(nèi)不發(fā)生泄漏事故。

RT檢驗(yàn)主要用于檢測(cè)體積型缺陷，對(duì)形成較大局部厚度差的氣孔、夾渣等具有較高的檢出率，對(duì)裂紋類平面缺陷很難發(fā)現(xiàn)。尤其是在裂紋發(fā)展初期，由于裂紋本身結(jié)合比較緊密且尺寸較小，射線檢驗(yàn)無(wú)法在底片上形成可辨識(shí)的黑度差，評(píng)片人員根本無(wú)法發(fā)現(xiàn)該類裂紋。

PT檢驗(yàn)只能對(duì)表面開(kāi)口缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)，無(wú)法對(duì)表面以下的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)。受穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)影響，檢驗(yàn)人員無(wú)法接近管道內(nèi)壁，PT檢查只能從焊縫外壁實(shí)施，只有當(dāng)缺陷貫穿整個(gè)焊縫到達(dá)外壁時(shí)，PT檢驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)。因此， PT檢驗(yàn)對(duì)PWSCC裂紋檢查無(wú)任何意義。

通過(guò)上述RT、PT檢驗(yàn)方法的特性分析，歸納出兩種方法對(duì)PWSCC裂紋的檢出能力。由表1可知：RT、PT方法根本無(wú)法發(fā)現(xiàn)發(fā)展初期的PWSCC裂紋，也很難發(fā)現(xiàn)發(fā)展中期PWSCC裂紋。因此，即使本次檢驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)裂紋，也不能確保焊縫不存在PWSCC裂紋，電廠無(wú)法據(jù)此對(duì)600合金焊縫內(nèi)部狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。

3 超聲波相控陣檢驗(yàn)

超聲檢驗(yàn)主要檢查平面型缺陷，對(duì)裂紋具有檢出率高、定位精確的優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)細(xì)微裂紋仍具有一定的檢出能力，能夠應(yīng)用于異種金屬焊縫檢查。為規(guī)范超聲檢查工藝，確保檢查質(zhì)量，ASME第Ⅺ卷附錄8明確規(guī)定了異種金屬焊縫超聲檢驗(yàn)需通過(guò)性能驗(yàn)證，并明確提出了性能驗(yàn)證的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)。

與RT相比，UT檢驗(yàn)技術(shù)更適合于對(duì)穩(wěn)壓器600合金焊縫PWSCC裂紋的檢查。為準(zhǔn)確評(píng)估穩(wěn)壓器接管600合金焊縫安全狀況，電站在協(xié)作單位的支持下，參照ASME規(guī)范要求開(kāi)展穩(wěn)壓器接管600合金焊縫超聲檢驗(yàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)。

3.1 超聲波相控陣檢驗(yàn)技術(shù)研究

為開(kāi)展超聲檢驗(yàn)技術(shù)研究，電站對(duì)焊縫尺寸進(jìn)行測(cè)繪發(fā)現(xiàn)：接管側(cè)超聲探頭掃查距離僅有15mm，常規(guī)超聲技術(shù)只能對(duì)焊縫進(jìn)行部分掃查，無(wú)法有效覆蓋所有檢驗(yàn)區(qū)。鑒于常規(guī)超聲技術(shù)對(duì)特殊結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)法掃查的現(xiàn)狀，電站決定參照ASME1998第Ⅴ/Ⅺ卷要求，開(kāi)展超聲波相控陣檢驗(yàn)技術(shù)研發(fā)。

3.1.1 超聲波相控陣檢驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

1）對(duì)比試塊設(shè)計(jì)、加工滿足ASME第Ⅴ卷要求；

2）缺陷試塊設(shè)計(jì)、加工滿足ASME第Ⅺ卷附錄8要求；

3）相控陣超聲檢驗(yàn)必須完全覆蓋焊縫及熱影響區(qū)；

4）在有效覆蓋范圍的人工反射體信噪比大于12dB；

5）能有效檢測(cè)出起始于焊縫內(nèi)壁，高度大于3mm的裂紋。

3.1.2 超聲波相控陣檢驗(yàn)技術(shù)路線

1）設(shè)計(jì)、制作符合ASME第Ⅴ卷及Ⅺ卷附錄8要求的對(duì)比試塊及缺陷試塊；

2）根據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)及超聲波聲束衰減情況，完成探頭參數(shù)試驗(yàn)及探頭制造；

3）進(jìn)行聚焦法則研究，確定最佳探頭角度、扇掃角度范圍以及動(dòng)態(tài)聚焦法則設(shè)定等；

4）形成成套的穩(wěn)壓器接管600合金焊縫相控陣超聲檢驗(yàn)系統(tǒng)；

5）編制完成穩(wěn)壓器接管焊縫相控陣超聲檢驗(yàn)規(guī)程。

經(jīng)過(guò)專項(xiàng)組長(zhǎng)達(dá)兩年的不懈努力，終于完成穩(wěn)壓器接管600合金焊縫超聲波相控陣檢驗(yàn)技術(shù)研發(fā)工作，該技術(shù)最終通過(guò)業(yè)內(nèi)專家組評(píng)審。

3.2 超聲波相控陣現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

鑒于RT、PT檢驗(yàn)方法對(duì)PWSCC裂紋檢驗(yàn)很不敏感，且相控陣超聲檢驗(yàn)方法已經(jīng)開(kāi)發(fā)成熟，電廠決定在R16大修時(shí)除了進(jìn)行RT、PT檢驗(yàn)外，還追加相控陣超聲檢驗(yàn)。在超聲檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)3道焊縫存在4處記錄性體積缺陷，所有顯示均滿足超聲檢驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，具體缺陷特征參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)焊縫的結(jié)構(gòu)尺寸，并結(jié)合缺陷坐標(biāo)及定位誤差，確認(rèn)所有缺陷均位于接管預(yù)堆邊與焊縫熔合線附近。

4 在役檢查結(jié)果分析

R16大修期間，電廠組織專業(yè)檢測(cè)人員對(duì)5條600合金焊縫進(jìn)行PT、RT、UT（相控陣）檢驗(yàn)。通過(guò)對(duì)三種檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：

1）I-S01-E3A-26 RT檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3處體積缺陷，其中2處通過(guò)UT檢驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)（考慮到缺陷定位、定量誤差，確認(rèn)為同一缺陷）；

2）I-S01-E3A-26 RT發(fā)現(xiàn)的第3處缺陷在射線底片上影像比較模糊（從保守角度考慮，進(jìn)行記錄），超聲檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該處信號(hào)非常微弱（未記錄）；

3）由于缺陷尺寸較小， UT檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的另外2處缺陷，RT檢驗(yàn)均未能檢出；

4）由于所有缺陷顯示均處于焊縫內(nèi)部，未發(fā)展至焊縫外壁，所以PT檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)任何記錄顯示。

通過(guò)綜合分析R16大修PT、RT、UT檢驗(yàn)方法的最終檢驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合600合金焊縫的PWSCC傾向，發(fā)現(xiàn)對(duì)600合金PWSCC裂紋最有效的檢驗(yàn)手段應(yīng)該采用相控陣超聲檢驗(yàn)+射線檢驗(yàn)方法組合，通過(guò)UT、RT方法相互驗(yàn)證。

5 結(jié)論及建議

為應(yīng)對(duì)穩(wěn)壓器接管600合金焊縫PWSCC風(fēng)險(xiǎn)，電站在RT、PT檢驗(yàn)手段的基礎(chǔ)上，依據(jù)ASME規(guī)范開(kāi)發(fā)了相控陣超聲檢驗(yàn)方法，并在R16大修中成功實(shí)施。雖然此次檢查焊縫內(nèi)未發(fā)現(xiàn)PWSCC裂紋，但為了加強(qiáng)穩(wěn)壓器600合金焊縫的質(zhì)量跟蹤，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提出以下三點(diǎn)改進(jìn)建議：

1）針對(duì)600合金焊縫，后續(xù)在役檢查應(yīng)采用RT、UT的結(jié)合方式，通過(guò)UT、RT方法進(jìn)行相互驗(yàn)證，從而加強(qiáng)對(duì)該類焊縫的檢查跟蹤；

2）優(yōu)化600合金焊縫的檢驗(yàn)周期，建議在每次換料停堆期間進(jìn)行跟蹤檢查；

3）盡快完善穩(wěn)壓器600合金焊縫的維修技術(shù)準(zhǔn)備工作，如果發(fā)現(xiàn)PWSCC缺陷，電廠應(yīng)能即時(shí)啟動(dòng)維修工作。

【參考文獻(xiàn)】

[1]韓紅梅.Inconel 600合金材料的焊接工藝[J].焊接，2008，2.

[2]穩(wěn)壓器產(chǎn)品質(zhì)量證明書(shū)合格證、技術(shù)規(guī)范—主要焊接材料檢驗(yàn)及復(fù)驗(yàn)結(jié)果.

[責(zé)任編輯：田吉捷]