CPR1000主管道焊縫缺陷問題分析

張進(jìn) 吳偉幫 董義令

摘要：針對某改進(jìn)型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）主管道與蒸汽發(fā)生器出口接管安全端焊縫安裝階段射線檢驗(yàn)（RT）合格、而役前檢查（PSI）階段射線檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未熔合缺陷顯示的問題，進(jìn)行了分析處理。針對返修操作對已進(jìn)行的一回路系統(tǒng)水壓試驗(yàn)結(jié)果的有效性造成影響，在解讀RCC-M、RSE-M、ASME規(guī)范第Ⅲ卷及第Ⅺ卷中水壓試驗(yàn)相關(guān)條款的基礎(chǔ)上，提出了“焊接返修后采用兩種體積檢驗(yàn)方法或一種經(jīng)評定的體積檢驗(yàn)方法”進(jìn)行無損檢驗(yàn)的解決方案，確保了一回路系統(tǒng)水壓試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

關(guān)鍵詞：CPR1000;主管道;焊縫;射線檢驗(yàn);缺陷;水壓試驗(yàn)

中圖分類號：TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）11-0093-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.17

0 前言

某CPR1000核電廠在役前檢查階段對主管道與蒸汽發(fā)生器連接焊縫進(jìn)行射線檢驗(yàn)時，在射線底片上位于主管道側(cè)焊縫熔合線附近發(fā)現(xiàn)長約70 mm的“未熔合”影像，按照RCC-M規(guī)范及設(shè)計(jì)文件要求，未熔合等危險性缺陷不可接受，需進(jìn)行返修。該類返修操作屬于一回路系統(tǒng)水壓試驗(yàn)后對承壓邊界焊縫的返修，返修操作可能對一回路系統(tǒng)水壓試驗(yàn)結(jié)果的有效性造成影響，進(jìn)而對已完成的一回路其他檢查項(xiàng)目的役前檢查“零點(diǎn)”地位造成影響。文中介紹了主管道2U1焊縫缺陷分析及返修情況，分析了RCC-M、RSE-M、ASME規(guī)范中有關(guān)水壓試驗(yàn)相關(guān)條款的規(guī)定，確定了確保一回路系統(tǒng)水壓試驗(yàn)結(jié)果有效性的解決方案[1-5]。

1 缺陷分析和處理

1.1 缺陷分析

該焊縫位于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)二環(huán)路主管道過段過渡段40°彎頭與蒸汽發(fā)生器出口接管安全端之間（以下簡稱“主管道2U1焊縫”），主管道2U1焊縫在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中所處的位置示意如圖1所示。

主管道2U1焊縫為一回路壓力邊界上窄間隙全焊透對接焊焊縫，主管道過渡段40°彎頭材料為Z3CN20-09M奧氏體不銹鋼鑄件，蒸汽發(fā)生器出口接管安全端材料為Z2CND18-12（控氮）奧氏體不銹鋼鍛件，二者采用316L不銹鋼焊材和自動焊工藝焊接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主管道2U1焊縫射線檢驗(yàn)要求如表1所示。該焊縫安裝階段采用沿焊縫中心面的中心透照（以下簡稱垂直中心透照）進(jìn)行射線檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)未熔合缺陷顯示，檢驗(yàn)結(jié)果合格;役前檢查階段除采用垂直中心透照進(jìn)行檢驗(yàn)外，還增加了沿軸線向SG出口接管安全端側(cè)偏移9 mm中心透照（以下簡稱偏移9 mm中心透照）的方式進(jìn)行檢驗(yàn)，其中垂直中心透照未發(fā)現(xiàn)未熔合缺陷顯示，僅在偏移9 mm中心透照的射線底片上位于主管道彎頭側(cè)焊縫熔合線附近發(fā)現(xiàn)了未熔合缺陷顯示。對于未熔合等面狀缺陷，當(dāng)透照角度超過一定角度，缺陷不能識別的情況就會增多，缺陷檢出率就會降低。本次役前檢查階段相對安裝階段增加的偏移9 mm中心透照，與焊縫中心平面產(chǎn)生了約1°的附加角度，可能是導(dǎo)致安裝階段未發(fā)現(xiàn)而役前檢查階段發(fā)現(xiàn)該未熔合缺陷的原因。

1.2 缺陷處理

由于射線檢驗(yàn)技術(shù)本身無法確定未熔合缺陷深度，且未熔合缺陷僅能通過偏移9 mm中心透照的方式發(fā)現(xiàn)，因此技術(shù)上也無法通過不同角度透照的幾何關(guān)系來確定缺陷深度。另外，由于缺陷自身的當(dāng)量尺寸較小以及不銹鋼鑄件及焊縫組織結(jié)構(gòu)的影響，采用常規(guī)超聲、超聲相控陣技術(shù)和超聲TOFD檢測技術(shù)均無法探測到該缺陷，這給缺陷去除及返修方案的制訂帶來了極大的困難。

針對主管道2U1焊縫未熔合缺陷深度無法確定的技術(shù)難題，根據(jù)缺陷可能的深度范圍以及返修操作的便利性，按照“先外后內(nèi)，分階段分層打磨并檢驗(yàn)確認(rèn)及補(bǔ)焊，直至缺陷完全消除”的原則制定返修方案。根據(jù)缺陷去除后是否需要補(bǔ)焊，返修方案主要分為兩個階段：第一階段是在設(shè)計(jì)最小壁厚余量范圍內(nèi)，適量拋磨去除缺陷，如缺陷在第一階段能夠完全消除，則不需進(jìn)行補(bǔ)焊;第二階段進(jìn)一步打磨去除缺陷并進(jìn)行手工補(bǔ)焊。缺陷打磨、檢驗(yàn)確認(rèn)及補(bǔ)焊流程，如圖3所示。為避免不銹鋼材料鐵素體污染，焊縫打磨材料采用鋁基，打磨過程中應(yīng)避免局部過熱，如發(fā)現(xiàn)金屬呈淺藍(lán)色則暫停打磨，不得產(chǎn)生任何溝槽，每次打磨深度宜控制在1 mm左右，同時防止誤傷母材。

經(jīng)過第一階段的適量拋磨，缺陷仍然存在，隨后啟動了第二階段返修工作，進(jìn)一步打磨去除缺陷，并采用手工電弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊。當(dāng)從外表面打磨至約為39 mm深度時，液體滲透檢驗(yàn)和射線檢驗(yàn)確認(rèn)缺陷消除，隨后進(jìn)行手工補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后的無損檢驗(yàn)結(jié)果合格，至此返修工作順利結(jié)束，返修結(jié)果一次合格。

2 系統(tǒng)水壓試驗(yàn)有效性分析

系統(tǒng)或部件進(jìn)行水壓試驗(yàn)的目的是考核部件的剛度及宏觀強(qiáng)度，檢驗(yàn)焊縫的致密性以及密封結(jié)構(gòu)的密封性。主管道2U1焊縫由于無法實(shí)現(xiàn)局部密封，因此無法開展局部水壓試驗(yàn)，如重新水壓試驗(yàn)，僅能通過一回路主系統(tǒng)整體水壓試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。由于此次主管道2U1焊縫的焊接返修操作對已實(shí)施過水壓試驗(yàn)的一回路系統(tǒng)的壓力邊界造成影響，因此需重點(diǎn)分析這類焊縫的焊接返修操作對系統(tǒng)水壓試驗(yàn)有效性的影響。

CPR1000核電站核島機(jī)械部件的設(shè)計(jì)建造主要依據(jù)RCC-M（2000版+2002補(bǔ)遺）規(guī)范（以下簡稱RCC-M），役前和在役檢查主要依據(jù)RSE-M（1997版+2000補(bǔ)遺）規(guī)范（以下簡稱RSE-M），針對主管道對接環(huán)焊縫焊接返修后影響一回路系統(tǒng)水壓試驗(yàn)有效性的問題，首先分析了適用規(guī)范相應(yīng)條款的規(guī)定，同時參考了ASME規(guī)范的相應(yīng)技術(shù)內(nèi)容。

2.1 RCC-M規(guī)范要求分析

RCC-M B 5000對于一回路主系統(tǒng)單個部件水壓試驗(yàn)規(guī)定：除非制造大綱特別說明因技術(shù)方面的因素導(dǎo)致一些機(jī)加工作業(yè)必須安排在水壓試驗(yàn)之后進(jìn)行，否則在水壓試驗(yàn)后又進(jìn)行非計(jì)劃性加工、大面積磨削或施焊都將導(dǎo)致已進(jìn)行的水壓試驗(yàn)結(jié)果無效。對于一回路主系統(tǒng)水壓試驗(yàn)，規(guī)范規(guī)定：一回路主系統(tǒng)的最終水壓試驗(yàn)必須確保一回路主系統(tǒng)范圍內(nèi)的所有承壓設(shè)備或部件都經(jīng)歷過特定壓力的水壓試驗(yàn)。對于非一回路主系統(tǒng)的1級管道，RCC-M C 5000規(guī)定：對組焊或未組焊的管段已經(jīng)歷過特定壓力的水壓試驗(yàn)，以及對未經(jīng)歷過水壓試驗(yàn)、但每一管段已按規(guī)范要求采用射線或超聲體積檢驗(yàn)方法進(jìn)行過無損檢驗(yàn)的情形，則不要求水壓試驗(yàn)。

通過分析可以看出，RCC-M規(guī)范對一回路主系統(tǒng)單個部件返修后水壓試驗(yàn)結(jié)果的有效性有比較明確的說明;對非一回路主系統(tǒng)的1級管道不要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)的條件也有非常明確的說明，而對于一回路主系統(tǒng)水壓試驗(yàn)后壓力邊界部件及焊縫焊接返修后是否需要重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)的問題未作出明確的規(guī)定。

2.2 RSE-M規(guī)范要求分析

RSE-M規(guī)范規(guī)定：該規(guī)范從設(shè)備服役后適用，例如役前檢查開始至宣布商運(yùn)結(jié)束?？梢奟SE-M給出的適用時間點(diǎn)并不唯一，而是提供一個時間區(qū)間供用戶選擇。該缺陷發(fā)現(xiàn)于一回路主系統(tǒng)冷態(tài)功能試驗(yàn)之后，對于役前檢查階段超標(biāo)缺陷的返修，RSE-M規(guī)范是否適用的問題，從規(guī)范規(guī)定來看是適用的，但根據(jù)國內(nèi)同類型核電機(jī)組的工程案例的經(jīng)驗(yàn)反饋，監(jiān)管部門一般持反對態(tài)度，其理由是機(jī)組商運(yùn)前仍處于建造階段，任何返修操作仍需執(zhí)行RCC-M規(guī)范，因此遇到實(shí)際工程問題只能進(jìn)行個案分析。

RSE-M規(guī)范是CPR1000核電站核島機(jī)械部件役前和在役檢查所依據(jù)的規(guī)范，該規(guī)范規(guī)定：一回路主系統(tǒng)的首次法定水壓試驗(yàn)應(yīng)在系統(tǒng)建造與安裝工作完成后并在裝料前，按照建造規(guī)范（即RCC-M規(guī)范）的規(guī)定進(jìn)行[2]。該規(guī)定再次強(qiáng)調(diào)了首次法定水壓試驗(yàn)的時機(jī)和適用規(guī)范問題，與RCC-M規(guī)范的規(guī)定前后呼應(yīng)。對于在役期間維修操作與法定水壓試驗(yàn)有效性的關(guān)系，規(guī)范規(guī)定：“非關(guān)注類”維修操作不會導(dǎo)致已進(jìn)行的水壓試驗(yàn)失效;“關(guān)注類”維修操作不會導(dǎo)致已進(jìn)行的水壓試驗(yàn)失效，但需滿足監(jiān)管部門特殊的監(jiān)管要求;“特別關(guān)注類”維修操作，視具體情況而定，可能會導(dǎo)致法定水壓試驗(yàn)失效;“重大關(guān)注類”維修操作將會導(dǎo)致已進(jìn)行的水壓試驗(yàn)失效，需要重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)[3]。

因此，可以認(rèn)為按照RSE-M規(guī)范，對于焊接維修操作是否需要重新進(jìn)行法定水壓試驗(yàn)，主要取決于規(guī)范對焊接維修操作的分類。

2.3 ASME規(guī)范要求分析

ASME（2004版）規(guī)范（以下簡稱ASME）第Ⅲ卷NB-6000對于1級部件壓力試驗(yàn)范圍和系統(tǒng)壓力試驗(yàn)時機(jī)規(guī)定：所有承壓部件、附件和完工的系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行壓力試驗(yàn);安裝完工的系統(tǒng)壓力試驗(yàn)應(yīng)在初始運(yùn)行之前進(jìn)行[4]。有關(guān)壓力試驗(yàn)的范圍和時機(jī)的規(guī)定與RCC-M規(guī)范的規(guī)定基本一致，同時規(guī)范還給出了可用系統(tǒng)壓力試驗(yàn)來代替部件及附件的壓力試驗(yàn)的前提條件。此外ASME規(guī)范第Ⅲ卷還規(guī)定，對于在水壓試驗(yàn)期間已加工至臨界尺寸的完工部件，如尺寸公差允許，不超過10%壁厚或10 mm（取較小者）加工量是允許的[5]。從該規(guī)定可以看出，ASME規(guī)范針對計(jì)劃性加工的情形，從對水壓試驗(yàn)結(jié)果有效性的影響的角度對金屬加工量作出定量規(guī)定，在滿足上述規(guī)定的條件下，水壓試驗(yàn)后一定量的機(jī)加工不會導(dǎo)致先前的水壓試驗(yàn)失效。分析可見，ASME規(guī)范第Ⅲ卷對于一回路主系統(tǒng)水壓試驗(yàn)后壓力邊界部件及焊縫焊接返修后是否需要重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)的問題，同樣未作出明確的規(guī)定。

ASME規(guī)范第Ⅺ卷IWA-4540規(guī)定：除由IWA-4540（b）免除試驗(yàn)外，承壓邊界上進(jìn)行焊接或釬焊的修理、更換活動在恢復(fù)或部分恢復(fù)使用前應(yīng)按IWA-5000要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)或系統(tǒng)泄漏試驗(yàn)。金屬去除后剩余壁厚至少為90%最小設(shè)計(jì)壁厚的壓力容器的焊接和未貫穿壓力邊界的管道、泵和閥門的焊接等情況可免除水壓試驗(yàn)[5]。由上述分析可知，主管道對接環(huán)焊縫進(jìn)行未貫穿壓力邊界的焊接返修，按ASME規(guī)范第Ⅺ卷的規(guī)定可以免除水壓試驗(yàn)。

2.4 規(guī)范要求分析小結(jié)

綜上分析可知，RCC-M規(guī)范及ASME規(guī)范第Ⅲ卷對一回路系統(tǒng)水壓試驗(yàn)后進(jìn)行主管道焊縫的焊接返修是否需要重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)，未作出明確規(guī)定;ASME規(guī)范第Ⅺ卷對一回路系統(tǒng)水壓試驗(yàn)后進(jìn)行主管道焊縫的焊接返修，只要未貫穿壓力邊界可免除水壓試驗(yàn);RSE-M規(guī)范對一回路系統(tǒng)水壓試驗(yàn)后進(jìn)行主管道焊縫的焊接返修是否需要重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)的問題，主要取決于RSE-M規(guī)范是否適用以及主管道焊縫焊接維修操作的分類情況。

下面重點(diǎn)就RSE-M規(guī)范中針對主管道2U1焊縫的焊接返修操作所對應(yīng)的維修操作分級進(jìn)行分析。

3 RSE-M規(guī)范關(guān)于主管道焊縫維修操作分類

主管道對接環(huán)焊縫焊接維修操作分類和水壓試驗(yàn)有效性分析流程總結(jié)如圖4所示。

根據(jù)RSE-M規(guī)范規(guī)定的分類方法，主管道對接環(huán)焊縫焊接維修的分類應(yīng)采用RSE-M表B 8500-8和RSE-M B 8525共同確定。根據(jù)RSE-M表B 8500-8的規(guī)定，由于涉及焊接維修，需先對待焊部件進(jìn)行分級，按照RSE-M表A 8542的規(guī)定，主管道對接環(huán)焊縫待焊部件的級別為CLASS 2部件。按照RSE-M表B 8500-8，對于CLASS 2部件，焊補(bǔ)深度不超過1/10壁厚的焊接維修操作屬于“非關(guān)注類”;焊補(bǔ)深度超過1/10壁厚的焊接維修操作屬于“關(guān)注類”;對于“關(guān)注類”維修操作還需按照RSE-M B 8525的規(guī)定，判斷是否為“重大關(guān)注類”。

按照RSE-M B 8525規(guī)定，對于主管道對接環(huán)焊縫，采用手工焊補(bǔ)的方法進(jìn)行焊接維修，如焊補(bǔ)深度超過1/10壁厚，屬于重大關(guān)注類維修操作。但如滿足焊接返修后采用兩種體積檢驗(yàn)方法或一種經(jīng)評定的體積檢驗(yàn)方法，該類無損檢驗(yàn)工藝評定的目的是確定對潛在焊接缺陷有針對性的無損檢驗(yàn)工藝，維修操作的分級將由“重大關(guān)注類”將轉(zhuǎn)為“關(guān)注類”。

對于主管道對接環(huán)焊縫，焊補(bǔ)深度不超過1/10壁厚的焊接維修操作，屬于“非關(guān)注類維修操作”，不會導(dǎo)致先前法定水壓試驗(yàn)失效;對于焊補(bǔ)深度超過1/10壁厚的焊接維修操作，屬于“關(guān)注類維修操作”，不會導(dǎo)致先前的法定水壓試驗(yàn)失效，但需滿足監(jiān)管要求。

4 結(jié)論

主管道2U1焊縫的焊接返修，采用手工方法進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊深度約為39 mm，超過1/10壁厚。根據(jù)RSE-M規(guī)范規(guī)定，返修后無損檢驗(yàn)要求如滿足規(guī)范規(guī)定的采用兩種體積檢驗(yàn)方法或一種經(jīng)評定的體積檢驗(yàn)方法進(jìn)行無損檢驗(yàn)，則為“關(guān)注類”維修操作，水壓試驗(yàn)結(jié)果依然有效;否則應(yīng)為“重大關(guān)注類”維修操作，水壓試驗(yàn)失效。

基于上述分析結(jié)果，對于主管道2U1焊縫，焊接返修后要求采用的無損檢驗(yàn)方法包括射線和超聲兩種體積檢驗(yàn)方法，其中射線檢驗(yàn)采用的是通過役前/在役檢查能力驗(yàn)證的技術(shù)方法。因此，主管道2U1焊縫焊接返修的維修分級為“關(guān)注類”，不會導(dǎo)致水壓試驗(yàn)結(jié)果失效，該分析結(jié)論得到了相關(guān)方的認(rèn)可，成功消除了主管道對接焊縫的焊接返修所導(dǎo)致的一回路水壓試驗(yàn)結(jié)果失效的技術(shù)風(fēng)險。

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