EPR機(jī)組RCV系統(tǒng)熱交換器設(shè)備射線檢測的工藝應(yīng)用

吳紹炳，朱從斌，汪為慶，王宏印

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

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EPR機(jī)組RCV系統(tǒng)熱交換器設(shè)備射線檢測的工藝應(yīng)用

吳紹炳，朱從斌，汪為慶，王宏印

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

對法國供應(yīng)商承制的第三代壓水堆核電站(EPR)的核島化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)熱交換器射線檢測(RT)工藝的應(yīng)用進(jìn)行分析，識別出RCV熱交換器制造過程中射線檢測的難點(diǎn)及采取的措施，并總結(jié)了檢測中的注意事項(xiàng)，為后續(xù)其余類型設(shè)備的設(shè)計、檢測及質(zhì)量監(jiān)督提供參考和借鑒。

RCV；射線檢測；暗盒；黑度

壓水堆核電站核島化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)的一個主要的輔助系統(tǒng)。它在反應(yīng)堆的啟動、停運(yùn)及正常運(yùn)行過程中都起著十分重要的作用——保證反應(yīng)堆冷卻劑的水容積、化學(xué)特性的穩(wěn)定和控制反應(yīng)性的變化。法國供應(yīng)商承制的EPR第三代壓水堆核電站RCV系統(tǒng)熱交換器主要有Regenerative Heat Exchanger(RCV6220EX)及High Pressure Cooler(RCV1230EX、RCV1240EX),其按照RCCM 2007《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》進(jìn)行設(shè)計制造。

1 EPR的RCV換熱器射線檢測工藝

EPR的三臺RCV設(shè)備(RCV6220、RCV1230及RCV1240)結(jié)構(gòu)相同，如圖1所示。其封頭蓋板為法蘭連接，殼側(cè)尾部為內(nèi)外彎頭裝焊而成;RCV設(shè)備除格架外，包括封頭、管板、換熱管及筒體和彎頭在內(nèi)的主體材料皆為Z2CN18-10不銹鋼。

圖1 EPR的RCV設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

要分析射線(RT)檢測的難點(diǎn)，必須先從設(shè)備結(jié)構(gòu)及焊縫形式進(jìn)行分析。由于三臺RCV的結(jié)構(gòu)形式相同，筆者以RCV6220作為主要的分析對象，圖2為RCV6220的焊縫形式示意。

表1為RCV6220需要進(jìn)行RT檢測的焊縫明細(xì)，可以看出其殼體焊縫主要為全焊透的環(huán)縫和縱縫，材料均為不銹鋼。表面上看，比較理想的RT檢測工藝應(yīng)為使用源Ir192對環(huán)焊縫進(jìn)行周向曝光，對縱焊縫進(jìn)行單壁透照，檢測工藝的選擇上并不會很難。

圖2 RCV6220的焊縫形式示意

焊縫代號裝焊部件焊縫類型材料厚度/mm尺寸/mmS0003/S0004上下管板和殼體全焊透環(huán)縫304L55?500S0005/S0006上下殼體和檢查殼體全焊透環(huán)縫304L55?500S0009/S0010上下封頭和管板全焊透環(huán)縫304L60?770S0011/S0013尾部內(nèi)外彎頭全焊透縱縫304L55L=1600S0012/S0014檢查殼體和尾部彎頭全焊透環(huán)縫304L55?500S0018/S0019進(jìn)出口接管和上下封頭全焊透環(huán)縫304L16?146S0020/S0021進(jìn)出口接管和上下管板全焊透環(huán)縫304L16?114．3

然而，實(shí)際RT檢測執(zhí)行過程并非想象的那么簡單。由EPR RCV6220換熱器結(jié)構(gòu)及焊縫形式簡圖可以看出，換熱器的最終縫為尾部外側(cè)彎頭與內(nèi)側(cè)彎頭全焊透對接接頭的縱縫S0011、S0013，以及彎頭與殼側(cè)上、下筒體全焊透對接接頭環(huán)縫S0012、S0014，按照設(shè)計要求需要進(jìn)行100%RT。而在完成RCV設(shè)備外側(cè)彎頭的最終裝配焊接后，要對最終環(huán)縫及縱縫實(shí)施RT檢測顯得尤為困難。

1.1 RCV6220最終縱縫及環(huán)縫RT檢測的實(shí)施為了解決彎頭在最終裝焊后，受設(shè)備結(jié)構(gòu)限制而無法進(jìn)行RT檢測的問題，供應(yīng)商從設(shè)計源頭就預(yù)先在外部殼體和內(nèi)側(cè)殼體之間設(shè)計了一個膠片暗盒導(dǎo)向槽，該導(dǎo)向槽處于焊縫的正下方，便于RT檢測時從圖2中箭頭所指的檢查孔引入膠片暗盒，圖3,4分別為RCV6220最終環(huán)縫及縱縫膠片暗盒導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)形式，其中環(huán)縫底片導(dǎo)向槽的間隙為12 mm，縱縫底片導(dǎo)向槽間隙為15.7 mm。

圖3 RCV6220環(huán)縫底片導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)形式

圖4 RCV6220縱縫底片導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)形式

盡管設(shè)計考慮了制造過程中RT檢測的必要性，但實(shí)際檢測的執(zhí)行卻并非像設(shè)計預(yù)料的那樣順利。以環(huán)縫下面間隙12 mm的導(dǎo)向槽為例進(jìn)行說明，主要原因有以下幾點(diǎn)：① 內(nèi)部構(gòu)件的自重導(dǎo)致某些位置間隙減小到10.4 mm。② RCCM允許容器柱形存在一定形位公差。在垂直于殼體中心線的任何橫截面上，最大與最小內(nèi)徑之差允許存在(D+1 250) /200或D/100兩式中的較小值。此處D=390 mm，則形位公差允許值為3.9 mm(半徑方向?yàn)?.95 mm)。則最終環(huán)縫導(dǎo)向槽與殼體的間隙將變?yōu)?.45 mm。③ 殼體在完成環(huán)縫焊接后產(chǎn)生變形，而此變形量未知。④ 內(nèi)部及外部殼體在裝配制造中產(chǎn)生一定量公差，而此公差也未知。

綜上，設(shè)計預(yù)留的12 mm間隙到裝焊結(jié)束后，間隙余量將大大減小。然而，對此壁厚為55 mm的不銹鋼焊縫,按照經(jīng)過設(shè)計批準(zhǔn)的檢測規(guī)程,使用Ir192執(zhí)行RCCM 2007,MC 3000《射線照相檢測》進(jìn)行單壁透照，需要布置的暗盒如表2所示。暗盒的總厚度已達(dá)6 mm左右，根據(jù)實(shí)際情況，此厚度的暗盒很難引入預(yù)留的底片導(dǎo)向槽中。

表2 對壁厚55 mm的不銹鋼焊縫使用Ir192透照時需要布置的暗盒厚度

對于最終縱縫，其設(shè)計考慮的底片導(dǎo)向槽為15.7 mm，比環(huán)縫預(yù)留的12 mm要大。但由于在最終環(huán)縫與縱縫的交接三角部位(圖5圓圈中區(qū)域)，也由于環(huán)縫導(dǎo)向槽間隙過小的原因，無法使膠片暗盒從圖中箭頭的檢查孔導(dǎo)入至弧形縱縫位置。

圖5 RCV6220最終縱縫與環(huán)縫交接的三角區(qū)域

為了將暗盒順利導(dǎo)入到最終縱縫及環(huán)縫下面實(shí)現(xiàn)RT檢測，供應(yīng)商不得不從檢測工藝上開始想辦法，其主要采取了以下措施來克服以上問題：

(1) 將射線源由Ir192改為X射線

供應(yīng)商最初考慮使用Ir192作為射線源主要是考慮到相比X射線檢測機(jī)，其射線源尺寸更小，操作靈活方便。但表2所示的RCCM規(guī)范對Ir192射線源規(guī)定了暗盒系統(tǒng)的厚度。而按照RCCM的規(guī)定，使用X射線進(jìn)行透照能夠降低增感屏的厚度為0.05/2×0.05/0.05 mm(前/中/后屏)，且不強(qiáng)制使用濾光板。因此，改變射線源可以有效地降低暗盒系統(tǒng)的厚度值，如表3所示。

表3 分別使用Ir192與X射線需要的暗盒厚度

(2) 降低增感屏及屏蔽鉛板的厚度

圖6 增感屏增感率與其材料及射線源的關(guān)系

如圖6所示，對于同一金屬增感屏材料，300 kVp的X射線的能量比Ir192低，但其增感系數(shù)比Ir192卻高(透照鋼板厚度為40 mm)[1]。因此，理論上使用X射線源可以適當(dāng)降低增感屏的厚度，這一點(diǎn)在RCCM MC 3000中也得到了印證，如表3所示。但能否可以繼續(xù)基于圖6所示的原理，再在RCCM MC 3000對X射線要求的暗盒厚度基礎(chǔ)上繼續(xù)降低增感屏厚度；而對于屏蔽鉛板的使用，如果是暗盒背后近距離內(nèi)沒有導(dǎo)致強(qiáng)烈散射的物體時，能否可以不使用背防護(hù)鉛板或者降低其厚度呢？

基于以上兩點(diǎn)疑問，與RCCM相比較，供應(yīng)商再次降低了增感屏厚度及屏蔽鉛板的厚度，如表4所示。

供應(yīng)商使用相同的透照參數(shù)(X射線：300 kV,3 mA、900 W，焦點(diǎn)尺寸3 mm×3 mm，焦距755 mm)在模擬產(chǎn)品環(huán)縫及縱縫結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)件上進(jìn)行了對比試驗(yàn)，其透照結(jié)果如表5所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：① RCCM要求的IQI需識別W9(0.5 mm絲徑)，而對比試驗(yàn)底片像質(zhì)計可以看到W10的絲，和使用RCCM所要求的暗盒得到的透照結(jié)果沒有明顯的區(qū)別。② 鉛字B在底片上不可見，說明降低背防護(hù)鉛板的厚度為1 mm，依然可以有效地防護(hù)背散射。③ 使用X射線，且提高了膠片等級的情況下，在底片上能夠觀察到W11(0.32 mm絲徑)，相比RCCM要求的IQI需識別W9(0.5 mm絲徑)，還獲得了更高的檢測靈敏度。

表4 供應(yīng)商實(shí)際透照使用的暗盒

表5 供應(yīng)商降低增感屏及屏蔽鉛板厚度后的透照結(jié)果

綜上，采用X射線，提高膠片等級，在降低增感屏及屏蔽鉛板厚度的情況下，依然能夠獲得滿足要求的成像質(zhì)量。

(3) 與ISO 17636《焊縫的無損檢測 射線照相檢測》要求的類比

供應(yīng)商采取的降低增感屏及屏蔽鉛板厚度的做法的可行性，不但從理論和對比試驗(yàn)中得到了論證，基于ISO 17636射線檢測標(biāo)準(zhǔn)，也是有其合理性的。除了未按照ISO 17636規(guī)定使用濾光板外，供應(yīng)商實(shí)際的透照工藝滿足ISO 17636射線檢測的要求(如表6)。因?yàn)闉V光板作用是過濾工件中產(chǎn)生的低能散射線，常用于Ir192和Co60射線或高能X射線照相。那么對于RCV6220最終環(huán)縫和縱縫采用300 kV的X射線能量，取消濾光板是否對實(shí)際透照結(jié)果存在影響呢？同理，通過對比試驗(yàn)進(jìn)行論證，表7為取消濾光板的試驗(yàn)參數(shù)，其試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表6 供應(yīng)商實(shí)際透照與ISO 17636對暗盒的要求

表7 RCV6220有無濾光板的對比試驗(yàn)參數(shù)

表8 RCV6220有無濾光板的試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對比試驗(yàn)的論證可看出,取消濾光板的RT檢測工藝(試驗(yàn)1)對成像質(zhì)量沒有影響，且0.1 mm厚的濾光板會增加126 s(約12%)的曝光時間。

圖7 RCV6220設(shè)備殼體側(cè)剖視圖

1.2 RCV6220最終環(huán)縫特殊位置焦距的選擇RCV6220設(shè)備殼體側(cè)剖視圖如圖7所示，兩殼體內(nèi)側(cè)距離只有500 mm，如果將射線源垂直于橘色區(qū)域(箭頭所指)焊縫放置，則其幾何不清晰度將為0.37 mm，將不滿足標(biāo)準(zhǔn)RCCM對焊接接頭小于0.3 mm的要求。因設(shè)備結(jié)構(gòu)原因所限制，合理選擇焦距也比較關(guān)鍵。

為此，橘色區(qū)域及藍(lán)色區(qū)域的焦距分別取為1 055 mm和655 mm，而綠色區(qū)域的焦距取為755 mm。

最終環(huán)縫處不同焦距的試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，由此可以看出：① 3種焦距下曝光得到的底片能夠看到像質(zhì)計W11，W10，W10的絲徑，比RCCM所要求的W9(0.5 mm)絲徑好1到2個絲徑。焦距1 055 mm下的成像質(zhì)量較焦距655 mm及755 mm的差些，這是由于受設(shè)備結(jié)構(gòu)限制，射線源偏離底片正中心，曝光未垂直于底片而導(dǎo)致的。② 鉛字B在三種焦距曝光條件下都不可見，滿足RCCM的要求。③ 根據(jù)三種焦距下的曝光寬容度，結(jié)合單片及雙片觀察，需保證有效的透照寬度范圍為焊縫金屬及母材區(qū)域10 mm。那么，最終確定焦距655 mm和755 mm透照條件下的有效透照長度為90 mm，焦距1 055 mm的有效透照長度為45 mm。

表9 RCV6220最終環(huán)縫處不同焦距的試驗(yàn)結(jié)果

1.3 RCV1230及RCV1240最終環(huán)縫及縱縫的檢測

RCV1230/1240的結(jié)構(gòu)形式與RCV6220相同，最終環(huán)縫及縱縫RT采用了類似的射線檢測工藝，即RT檢測執(zhí)行過程中基于標(biāo)準(zhǔn)ISO 17636要求，采用X射線、提高膠片等級、降低增感屏及屏蔽鉛板厚度，通過對比試驗(yàn)進(jìn)行論證，可以達(dá)到RCCM規(guī)范對底片質(zhì)量的要求。

但RCV1230/1240設(shè)備與RCV6220設(shè)備的不同之處在于，其殼體壁厚較小，只有10 mm，而按照RCCM要求，此設(shè)備焊縫的正面余高最大可為2.3 mm，背面余高最大可為1 mm，也就是說10 mm殼體焊接后熔敷金屬與母材的厚度差的最大值將達(dá)到3.3 mm，如圖8所示。

圖8 RCV1230/RCV1240殼體焊接后熔敷金屬與母材的厚度差

為此，對于RCV1230/1240的最終環(huán)縫和縱縫，由于焊縫與母材厚度差的影響，如單次透照會導(dǎo)致底片上焊縫區(qū)域黑度和母材黑度差別較大，焊縫區(qū)域黑度低，最低處1.8左右，而母材區(qū)域黑度高，高處有4.0左右，這樣就超出了RCCM要求的單片觀察黑度不低于2.0的要求。為解決此問題，供應(yīng)商又使用單片進(jìn)行了第二次曝光，調(diào)整曝光參數(shù)使其焊縫區(qū)域黑度滿足要求，但此時母材區(qū)域的黑度又不符合要求了，超出了4.5。

最終，供應(yīng)商通過此兩次曝光的兩張單片綜合評定此處焊接接頭，即第一次曝光底片的有效評定區(qū)域是母材部分，第二次曝光底片的有效評定區(qū)域是焊縫部分?？梢?，為了避免漏檢，焊接接頭檢測區(qū)域在底片上需要做到完全覆蓋，在質(zhì)量監(jiān)督過程中尤其需要注意。

2 結(jié)論

(1) 受設(shè)備結(jié)構(gòu)所限而難以實(shí)現(xiàn)制造過程射線檢測的焊縫，可以在設(shè)計階段考慮為后續(xù)檢測階段提供便利，實(shí)現(xiàn)RT的可操作性，但需要考慮到設(shè)備制造過程產(chǎn)生的累計偏差，并留有足夠的設(shè)計余量。

(2) RT檢測工藝的合理選擇和優(yōu)化，需要借鑒類似標(biāo)準(zhǔn)的要求，加上充足的論證試驗(yàn)進(jìn)行對比分析，才能較好地解決檢測執(zhí)行過程違反標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的問題，最終使結(jié)果達(dá)到合同約定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(3) 盡管供應(yīng)商最終實(shí)現(xiàn)了最終環(huán)縫及縱縫的RT檢測，但對于產(chǎn)品焊縫底片的符合性仍需要加強(qiáng)關(guān)注和監(jiān)督，如底片黑度、像質(zhì)計、有效的檢測范圍及檢測覆蓋性等問題。

[1] 強(qiáng)天鵬. 射線檢測 [M].北京:中國勞動社會保障出版社, 2007.

Applications and Examples of Radio Graphic Examination Technology on ERP RCV System Heat Exchangers

WU Shao-bing, ZHU Cong-bin, WANG Wei-qing, WANG Hong-yin

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

The applications of radiographic examination on the third-generation PWR (EPR) nuclear island chemical and volume control system (RCV) heat exchangers which manufactured by French supplier was analyzed. The difficulties of radiographic examination during RCV manufacturing process were identified. Methods to overcome these difficulties were introduced and considerations were summarized in the purpose for the reference of future work in the subsequent design, testing and quality supervision.

RCV; Radiographic examination; Cassette; Density

2016-06-22

吳紹炳(1986-)，本科,工程師,主要從事核電設(shè)備制造質(zhì)量監(jiān)督工作。

吳紹炳，E-mail:wushaobing@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201612004

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0015-05