陽江核電廠2號機組堆內構件螺栓斷裂事故分析與改進

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

0 前言

堆內構件是指反應堆壓力容器內除燃料組件及其相關組件、堆芯測量、輻照樣品監(jiān)督管和隔熱套組件以外的所有堆芯支承構件和堆內結構件，安全等級為LS級，抗震類別為1I類，質量保證分級為Q1級。堆內構件分為上部堆內構件（含控制棒導向筒，“華龍一號”、EPR和AP1000堆型還包括儀表套管組件）、下部堆內構件、壓緊彈簧和緊固件。堆內構件零部件多達上萬個，焊縫13 000余處，焊點近20 000處，現(xiàn)場焊點也達2 000多處。由于緊固件多次在運行過程中出現(xiàn)事故，因此其原材料設計、防松措施等一直備受關注，現(xiàn)在廣泛采用的鎖緊帽和鎖緊桿點焊防松措施效果良好。

陽江核電廠2號機組在熱態(tài)功能試驗期間出現(xiàn)螺栓斷裂事故，導致包括蒸汽發(fā)生器、壓力容器筒體與下封頭、三個主管道回路、主泵和堆內構件多個零部件在內的一回路系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的劃痕、凹痕和磕碰損傷，其中蒸汽發(fā)生器一次側熱端水室出現(xiàn)大面積損傷，單點最大損傷深度為0.8 mm。此外，還發(fā)現(xiàn)SG1一次側熱段水室約有80%的傳熱管口密封焊存在不同程度的損傷，SG3一次側熱段水室的4 474根傳熱管口密封焊幾乎都有不同程度的損傷。損傷返修和后續(xù)處理前后共耗時半年之久，帶來了較大的人力、財力和物力損失。本研究通過分析螺栓斷裂產生的原因，從設計和質量保證等方面提出了相應的改進措施。

1 螺栓斷裂及其造成的損傷

陽江核電廠2號機組在熱態(tài)功能試驗期間，松動部件和振動監(jiān)測系統(tǒng)（KIR）先后監(jiān)測到三號和一號蒸汽發(fā)生器（SG3/SG1）出現(xiàn)振動報警信號，于是終止了熱態(tài)試驗。對3臺蒸汽發(fā)生器進行內部檢查，在SG1、SG3一次側熱端水室分別發(fā)現(xiàn)3個異物和2個異物，同時發(fā)現(xiàn)SG1和SG3一次側熱端水室的分隔板、管板密封焊縫、水室下封頭內表面堆焊層有不同程度的撞擊痕跡。對壓力容器開蓋后的檢查發(fā)現(xiàn)，下部堆內構件二次支承與儀表套管中L9位置I型儀表套管與小柵格板連接的4顆螺栓中缺失了2顆，位置為135°和225°方向，脫落的螺栓和鎖緊帽分別在蒸汽發(fā)生器熱端水室和控制棒導向筒內發(fā)現(xiàn)。兩個螺栓已經在螺紋頭部和螺桿部位斷裂，鎖緊帽也沿著鎖緊壁撕裂。

為了評估螺栓斷裂以及鎖緊帽撕裂脫落對一回路設備造成的影響，確保一回路設備的完好無損且不影響其正常使用，對一回路設備進行了全面檢查，包括蒸汽發(fā)生器、壓力容器筒體與下封頭、三個主管道回路、主泵和堆內構件多個零部件在內的設備受損情況如下：

（1）蒸汽發(fā)生器的受損情況較為嚴重，如表1所示。

（2）RPV頂蓋和穩(wěn)壓器未發(fā)現(xiàn)損傷。

（3）RPV筒體發(fā)現(xiàn)12處凹痕或劃痕，凹痕最大深度約為0.2 mm，劃痕長度最長約為200 mm；RPV下封頭發(fā)現(xiàn)19處凹痕或劃痕，凹痕最大深度約為0.4 mm，劃痕長度最長約為650 mm。

（4）主管道和主泵的受損情況如表2所示。

（5）堆內構件筒體管嘴部位、二次支承與儀表套管組件出現(xiàn)多處的劃痕和磕碰。

針對一回路各設備的受損情況進行了全面評估，包括采取拋磨或者拋光處理，以去除劃痕或凹坑，之后進行尺寸檢查、目視、液體滲透檢驗以及必要的超聲波測厚，以確保堆焊層厚度滿足要求，不滿足要求的部位進行評估或焊接返修等。針對蒸汽發(fā)生器傳熱管管口密封焊縫受損較嚴重的，需重新焊接。部分受損嚴重的傳熱管進行焊接堵管。由于堆內構件二次支承與儀表套管組件受損較為嚴重，進行整體更換和重新組裝。后期的排查發(fā)現(xiàn)，控制棒導向筒現(xiàn)場鎖緊帽的焊接存在問題，61個控制棒導向筒拆除了50個，重新焊接鎖緊帽。整個返修和處理過程長達半年。

表1 蒸汽發(fā)生器損傷情況

表2 主管道和主泵的受損情況

2 螺栓斷裂原因分析

在陽江2號機組之前，紅沿河核電廠、嶺澳二期核電廠以及陽江1號機組均已經安全運行，且未發(fā)生螺栓斷裂事故。在設計要求和制造單位都相同的情況下，為何陽江2號機組出現(xiàn)了螺栓斷裂事故，故從設計、制造、安裝和熱試等各個環(huán)節(jié)進行了排查分析。

2.1 螺紋緊固件的現(xiàn)場安裝焊接的難點

M310堆型堆內構件現(xiàn)場焊縫共涉及13種焊接接頭，2 500多處焊點，很多都是防松點焊。由于現(xiàn)場工作條件以及操作空間限制，焊槍不能自由移動。再加上接頭形式復雜，環(huán)境條件如通風不暢、粉塵較大，施工環(huán)境較為惡劣，質保監(jiān)察也容易出現(xiàn)疏忽。前期的核電廠也曾經出現(xiàn)過鎖緊帽和鎖緊墊片的焊接因焊接工藝參數(shù)選擇不合理、操作空間限制或者引弧和熄弧控制不當，導致了鎖緊墊片焊接后的熔化、卷邊，鎖緊帽焊接后出現(xiàn)未熔合、焊穿、咬邊、焊瘤、焊縫尺寸不足、焊點數(shù)不滿足設計要求、焊點分布不均、母材弧傷等缺陷。如國內某核電廠控制棒導向筒M22鎖緊帽現(xiàn)場焊接后，檢查發(fā)現(xiàn)超過50%的鎖緊帽焊接質量不合格，焊接缺陷如表3所示。秦山一期300 MW核電廠第4次大修期間，發(fā)現(xiàn)堆內構件儀表套管螺母防松焊點斷裂，螺母脫落，導致指套管斷裂、燃料棒包殼管被磨穿。

表3 焊接缺陷

2.2 現(xiàn)場安裝人為因素

螺栓斷裂松脫事故后，在對設計、制造、運行等方面的因素排查分析后，認為現(xiàn)場安裝存在人為疏忽和質保監(jiān)察不到位之處。

（1）經核查，安裝操作規(guī)程中沒有螺栓緊固的流程和方法。設計要求螺栓進行二次擰緊，413個螺栓只有一份緊固力矩檢查記錄，無法保證所有螺栓均按順序進行了二次擰緊。

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（2）鎖緊帽防松焊接過程中，安裝公司沒有相應的焊接操作、焊縫目視檢查和尺寸檢查記錄，無法有效證明焊接質量。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)有部分鎖緊帽焊接不滿足設計要求，存在焊縫尺寸不夠、焊點數(shù)不足（漏焊）、焊縫分布不均勻、未熔合等，焊工操作明顯存在疏漏。

（3）部分位置的鎖緊帽彎折后鎖邊不充分、鎖緊帽帽沿存在磕碰、部分儀表套管安裝位置與工廠預裝方位不一致等情況。

通過以上分析，現(xiàn)場螺栓緊固件和鎖緊帽安裝過程中存在螺栓緊固順序不合理、安裝預緊不滿足要求、鎖緊帽彎折不到位、焊工操作不當、質保監(jiān)察不力等人為因素。進一步排查發(fā)現(xiàn)，61組控制棒導向筒現(xiàn)場焊接的244個M22螺栓鎖緊帽，設計要求每個鎖緊帽焊接4段防松點焊，實際上所有控制棒導向筒組件鎖緊帽只焊接了3段防松點焊，存在不滿足設計要求、隨意施工操作的現(xiàn)象。

另一方面，現(xiàn)場質保監(jiān)察不到位也是出現(xiàn)焊接缺陷一個不容忽視的重要原因?，F(xiàn)場施工環(huán)境惡劣、施焊周期較長，現(xiàn)場監(jiān)察更應嚴格到位，不能剛開始時重視，隨著焊接施工周期的延長，后期的監(jiān)察流于形式，轉變?yōu)閷附佑涗浀膶彶?。這樣客觀上焊工也會產生松懈心理，施焊記錄不按照要求焊后立即填寫，而是后期補齊，造成焊接質量隱患。

2.3 螺栓斷口和鎖緊帽形貌分析

螺紋頭部、螺桿的斷口擴展區(qū)和心部區(qū)域以及鎖緊帽焊縫斷口的掃面電鏡分析以及低倍組織分析如圖1~圖5所示?？梢钥闯觯海?）螺栓擴展區(qū)微觀特征為輝紋形貌，且擴展區(qū)外環(huán)碰磨明顯比內環(huán)更嚴重；（2）螺栓心部區(qū)微觀特征為韌窩形貌；（3）鎖緊帽焊縫斷口宏觀上沒有明顯的塑性變形，斷口啟裂位置位于帽沿側熔合線附近；（4）鎖緊帽焊縫斷裂擴展區(qū)發(fā)現(xiàn)有輝紋形貌特征，終斷區(qū)為韌窩形貌特征；（5）鎖緊帽焊縫啟裂區(qū)為脆性斷裂特征，終端區(qū)位韌窩形貌特征。

通過對螺栓和鎖緊帽焊縫斷裂區(qū)進行宏觀和微觀分析，斷口是從外邊緣多源啟裂，由外向內疲勞擴展，心部終斷，斷裂模式為疲勞斷裂。螺栓疲勞斷裂產生可能的原因包括螺栓強度不足和預緊力矩不夠。結合原因排查、現(xiàn)場檢查和相同設計機組的成功運行經驗，以及從材料、螺栓尺寸、結構設計、制造和運行工況等方面的排查情況，認為螺栓通孔與螺紋孔之間的對中偏差以及安裝過程中擰緊力矩不足是導致螺栓斷裂的主要因素。螺栓斷裂松脫的過程可解釋為：螺栓在安裝階段如果出現(xiàn)諸如咬死、預緊力不足、鎖緊帽彎折不到位等異常，在熱試運行工況的流致振動作用下連接螺栓會出現(xiàn)松動，隨著時間增加，螺栓出現(xiàn)疲勞斷裂。螺栓松動后，會出現(xiàn)旋轉振動。螺栓頭和鎖緊帽發(fā)生往復摩擦和裝機，鎖緊帽產生交變載荷。由于225°方位鎖緊帽焊縫存在局部未熔合，在外力載荷下出現(xiàn)疲勞斷裂。當鎖緊帽發(fā)生斷裂后，斷裂的螺栓頭部和螺桿部分相繼脫落。225°方位螺栓松脫后，儀表套管的剛度出現(xiàn)變化，振動加劇，從而導致135°方位的螺栓和鎖緊帽出現(xiàn)疲勞斷裂和脫落。

圖1 螺紋頭斷口擴展區(qū)微觀分析

圖2 螺紋頭斷口心部區(qū)微觀分析

圖3 螺桿斷口擴展區(qū)微觀分析

圖4 螺桿斷口心部區(qū)微觀分析

圖5 鎖緊帽焊縫低倍形貌和斷口微觀分析

3 經驗反饋與改進措施

陽江核電廠2號機組二次支承與儀表套管組件M20螺栓與鎖緊帽斷裂脫落事故雖然發(fā)生在熱態(tài)功能試驗階段，未造成影響范圍更大的核故事，但其產生的原因應當引起重視與思考。設計要求執(zhí)行不到位、擅自改變點焊焊縫數(shù)量，沒有按照設計要求在熱態(tài)功能試驗階段安裝過濾網組件，焊工和檢驗人員責任心不強，安裝焊接程序設計不合理、不規(guī)范、監(jiān)管不到位等，都存在一系列需要吸取經驗并改進的地方。

3.1 增強人員核安全意識、改善現(xiàn)場環(huán)境、加強質保監(jiān)察

事故分析原因主要歸結于現(xiàn)場安裝焊接存在不按設計要求執(zhí)行、操作不規(guī)范、記錄不完整、焊工操作不當以及質保監(jiān)察不到位等方面。部分人員責任心不強，應加強再教育，尤其是樹立核安全文化意識，充分考慮核事故可能造成的嚴重后果，端正態(tài)度，增強責任感。正式安裝前，制定合理可行的安裝操作規(guī)程，細化每一個操作工序。另一方面，核電站現(xiàn)場安裝階段工作環(huán)境惡劣，安全殼內的粉塵污染、通風和施工條件不佳等方面也需要改善。施焊前應確保操作環(huán)境的通風，采用烘干機、除濕機控制環(huán)境濕度，并確保待焊表面無水、氧化皮、銹跡、油污等。炎熱環(huán)境下，應對焊工提供充足的防暑降溫用品，選擇優(yōu)秀的有責任心的人員進行施焊、檢驗和監(jiān)督。

加強現(xiàn)場質保監(jiān)察，并貫穿現(xiàn)場安裝和焊接的整個過程。嚴格按照操作規(guī)程和焊接工藝施工卡的要求進行安裝、焊接，詳細、如實、實時的記錄各種施工作業(yè)和焊接工藝參數(shù)，杜絕事后補齊，并建立必要的獎懲制度和措施。

3.2 設計改進措施

通過事故故障樹排查，可以排除問題存在的可能性，因為相同的設計已經成功運用在其他核電廠并可靠運行多年。但從源頭上改善現(xiàn)場施焊的難度，確保焊接工藝參數(shù)的正確性，迫使焊工提高施焊水平與技能，約束現(xiàn)場焊接質量等方面，依然存在優(yōu)化空間。

首先，現(xiàn)場鎖緊帽防松點焊較容易出現(xiàn)問題，除了現(xiàn)場施工環(huán)境不佳、空間狹窄的客觀因素外，鎖緊帽的結構設計可以進一步優(yōu)化。目前設計的鎖緊帽杯底厚度為2 mm，焊縫尺寸1.6 mm，若操作不當，焊接起弧和引弧容易出現(xiàn)問題。可以適當增加鎖緊帽杯底厚度，起弧和引弧等相對較為方便，有效減少焊接咬邊、焊穿等缺陷。

堆內構件現(xiàn)場防松點焊涉及到的鎖緊帽多達661個，涉及M22、M20和M12三種規(guī)格的螺栓鎖緊帽。在正式施焊前，針對三種規(guī)格的鎖緊帽，根據產品焊接的實際焊接位置，制定焊接工藝評定技術要求，以確保焊接工藝參數(shù)的正確性。此外，為了驗證鎖緊帽現(xiàn)場焊接質量的一致性，并保證實際產品焊接工藝參數(shù)與制定的焊接工藝評定參數(shù)相一致，應在鎖緊帽焊接之前、焊接過程中以及焊接結束后分別增加焊接見證件，確保鎖緊帽的焊接質量滿足設計要求。

國內外，螺栓緊固件在運行過程中已多次出現(xiàn)斷裂和松動事件，如1972年意大利某壓水堆核電廠在預運行后發(fā)現(xiàn)多達21件儀表管嘴和4件儀表管嘴發(fā)生脫落和破裂；1988年秦山一期下部堆內構件二次支承與儀表套管組件出現(xiàn)了數(shù)根儀表套管斷裂，多根儀表套管與格架板及堆芯支承板間連接螺釘松脫和斷裂現(xiàn)象，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)儀表柱頂部與雙頭螺母的鎖緊焊縫為虛焊，根部有裂紋未焊透的現(xiàn)象；1998年巴基斯坦C1項目熱態(tài)功能試驗后，發(fā)現(xiàn)堆內構件吊籃上有5顆螺栓出現(xiàn)松脫現(xiàn)象[1-2]。鑒于螺栓緊固件多次出現(xiàn)斷裂事故，因此在堆內構件下部流量分配結構上選擇更可靠的設計，以減少或取消緊固件的應用，如采用球形結構、流量分配裙結構等，是值得探索的方向。

3.3 制定合理的操作規(guī)范和施工程序文件

針對現(xiàn)場焊接出現(xiàn)的螺栓預緊順序、儀表套管安裝方位與預裝不一致以及螺栓與螺栓孔對中偏差等問題，應制定更為合理和詳細的操作規(guī)范和程序文件。針對未熔合、焊縫尺寸不夠等焊接問題，采取恰當?shù)暮附庸に嚧胧3-5]。未熔合產生的原因有：運絲速度過快，焊槍角度不當，焊接電流過小，電弧太長，待焊面存在銹跡等。焊縫尺寸不夠也與焊接工藝參數(shù)偏小以及運絲速度過快有關。

為了防止現(xiàn)場焊接缺陷的產生，焊前應進行焊接工藝評定，并選擇合適的焊接工藝參數(shù)。現(xiàn)場施焊過程中嚴格按照焊接工藝卡確定的工藝參數(shù)進行焊接，避免因焊縫數(shù)量過多導致的運絲速度過快，加強焊縫尺寸檢查和目視檢查。焊前用丙酮清洗待焊表面、擦除銹跡等。焊工施焊時盡可能選擇恰當?shù)氖┖肝恢?，正確操作，必要時可探討開展有限空間的焊接工藝評定。

4 結論

陽江核電廠2號機組堆內構件二次支承與儀表套管組件螺栓與鎖緊帽斷裂松脫事故，對一回路主設備造成了不同程度的損傷，事故原因分析、設備損傷檢查和評估、設備更換和修復花費了大量的人力、財力和物力，且導致陽江核電廠2號機組滿功率運行時間滯后達半年以上。通過分析螺栓及鎖緊帽斷裂松脫事故的原因，提出了以下措施。

（1）增強人員核安全意識、改善現(xiàn)場環(huán)境、加強質保監(jiān)察，包括：現(xiàn)場操作人員和監(jiān)管人員的核安全意識需要加強，開展必要的核安全知識培訓等；現(xiàn)場的清潔度控制、必要的通風和除濕措施；貫穿整個過程的質量管理和質保監(jiān)察措施等。

（2）設計改進措施。探討改變堆內構件下部流量分配結構，以減少緊固件的數(shù)量；改進鎖緊帽的結構設計、增加鎖緊帽的焊接工藝評定要求、增加現(xiàn)場安裝焊接整個過程的焊接見證件要求等。

（3）制定合理的操作規(guī)范和施工程序文件。制定合理且詳細的操作規(guī)范和程序文件，選取合理的焊接工藝參數(shù)，并確保待焊表面的清潔度；焊接后加強目視和尺寸檢查。

以上經驗反饋與設計改進已經應用到福清5、6號機組、巴基斯坦K2、K3項目以及“華龍一號”相關核電項目中，效果理想。

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