王 臣,張 鍇,劉 暢,馬若群,高 晨,*
(1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心,北京 100044;2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082)
根據(jù)生態(tài)環(huán)境部令第8號(hào)《核動(dòng)力廠、研究堆、核燃料循環(huán)設(shè)施安全許可程序規(guī)定》要求,在核電廠首次裝料前,營運(yùn)單位應(yīng)向核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交役前檢查結(jié)果報(bào)告,由核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)報(bào)告進(jìn)行審查[1]。截至2020年底,我國運(yùn)行核電機(jī)組有49臺(tái)[2]。每臺(tái)機(jī)組首次裝料前都按照在役檢查大綱和核安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求實(shí)施了役前檢查工作。役前檢查的主要目的是獲取機(jī)組初始狀態(tài)下的數(shù)據(jù),為以后在役檢查建立比對(duì)基準(zhǔn)[3]。盡管設(shè)備在制造安裝階段都已實(shí)施了無損檢查工作,但幾乎每臺(tái)機(jī)組役前檢查時(shí)仍會(huì)發(fā)現(xiàn)異常情況或超標(biāo)缺陷。異常情況的產(chǎn)生原因分析、處理方案和后續(xù)跟蹤監(jiān)督措施一直是核安全審評(píng)的關(guān)注重點(diǎn)。本文梳理了近年來我國核電廠役前檢查發(fā)現(xiàn)的異常情況,對(duì)典型案例進(jìn)行了深入分析,為后續(xù)役前檢查活動(dòng)的實(shí)施和核安全審評(píng)提供了經(jīng)驗(yàn)和建議。
近十年來,我國有38臺(tái)核電機(jī)組按要求開展了役前檢查,其中包括嶺澳二期3-4號(hào)機(jī)組、秦山二期3-4號(hào)機(jī)組、紅沿河1-4號(hào)機(jī)組、寧德1-4號(hào)機(jī)組、陽江1-6號(hào)機(jī)組、防城港1-2號(hào)機(jī)組、方家山1-2號(hào)機(jī)組、福清1-5號(hào)機(jī)組、昌江1-2號(hào)機(jī)組、臺(tái)山1-2號(hào)機(jī)組、海陽1-2號(hào)機(jī)組、三門1-2號(hào)機(jī)組、田灣3-5號(hào)機(jī)組,相關(guān)異常情況見表1。
表1 近年來役前檢查發(fā)現(xiàn)的異常情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of abnormal cases found in pre-service examination in recent years
上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,設(shè)備或管道支撐焊縫、管道環(huán)焊縫和插塞焊縫上的超標(biāo)缺陷在役前檢查中檢出次數(shù)最多,31臺(tái)核電機(jī)組役前檢查出現(xiàn)了此類情況,約占檢出缺陷總次數(shù)的81.57%。盡管機(jī)械設(shè)備在制造安裝階段已按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施了無損檢測(cè),但役前檢查仍能發(fā)現(xiàn)異?;虺瑯?biāo)缺陷,其原因主要有以下幾種。
(1)漏檢。在制造安裝階段,檢查程序不完善、檢驗(yàn)人員操作不認(rèn)真等原因?qū)е挛茨苡行У貦z出超標(biāo)缺陷,大部分超標(biāo)缺陷屬于這類情況;
(2)設(shè)備運(yùn)輸、保養(yǎng)不當(dāng)。容器、管道焊縫上出現(xiàn)的劃傷、磕碰就屬于這類情況;
(3)制造廠和役前檢查單位對(duì)同一受檢對(duì)象所使用的檢查技術(shù)不同或?qū)σ?guī)范標(biāo)準(zhǔn)理解的不一致導(dǎo)致檢查結(jié)果的差異,某些機(jī)組的反應(yīng)堆壓力容器焊縫的超標(biāo)缺陷屬于這類情況。
針對(duì)不同原因做好經(jīng)驗(yàn)反饋工作有助于減少類似情況的重復(fù)發(fā)生。
某核電機(jī)組在役前檢查階段對(duì)主蒸汽管道支撐焊縫進(jìn)行滲透檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)7條焊縫存在超標(biāo)線性顯示,最長一條線性顯示約726 mm。檢出的線性顯示長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往工程實(shí)踐檢出的缺陷長度,且具有裂紋類缺陷的形貌特征,營運(yùn)單位按照監(jiān)管方要求深入分析了缺陷性質(zhì)和產(chǎn)生原因。該支撐焊縫的結(jié)構(gòu)形式較為獨(dú)特,如圖1所示,每個(gè)橫向支撐與管道之間有兩道環(huán)向全焊透角焊縫。
圖1 主蒸汽管道支撐焊縫結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Main steam pipeline support weld structure
2.1.1 缺陷性質(zhì)
營運(yùn)單位選取2個(gè)典型缺陷焊縫分別在母材、焊縫、裂紋和裂紋鄰近部位進(jìn)行了覆膜金相檢驗(yàn),結(jié)果顯示,線性顯示為裂紋,裂紋位置集中在熱影響區(qū)粗晶區(qū),裂紋宏觀形貌如圖2所示;在裂紋附近部位發(fā)現(xiàn)了淬硬性馬氏體組織、粗大的脆性板條馬氏體組織;表面致密的氧化物形貌特征,裂紋微觀形貌如圖3所示,這表明了該裂紋應(yīng)產(chǎn)生于焊后熱處理前。
圖2 焊縫裂紋的宏觀形貌Fig.2 The macroscopic morphology of weld crack
圖3 焊縫裂紋的微觀形貌Fig.3 The microscopic morphology of weld crack
2.1.2 產(chǎn)生原因
營運(yùn)單位通過追溯管道母材材質(zhì)、橫向支撐鋼板材質(zhì)、焊接材料以及焊接工藝等方面,基本判定裂紋是由于焊接及熱處理工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致熱影響區(qū)出現(xiàn)脆性馬氏體組織、焊后未能及時(shí)消除殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的。該支撐焊縫為工廠預(yù)制焊縫,焊接時(shí)間為10月下旬,當(dāng)時(shí)焊接車間環(huán)境溫度較低,焊縫焊后冷卻速度較快,加之焊前預(yù)熱溫度不夠?qū)е聼嵊绊憛^(qū)存在較大的淬硬傾向,因此在焊縫熔合線附近的熱影響區(qū)形成了粗大的脆性板條狀馬氏體組織,且母管和限制件厚度較大,限制件本身結(jié)構(gòu)拘束度較高,制造單位在焊接完成后間隔較長時(shí)間才進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理,錯(cuò)過了消除裂紋傾向的最佳時(shí)機(jī)。
2.1.3 修復(fù)方案和后續(xù)監(jiān)督
對(duì)該表面線性顯示的處理方案為:先對(duì)超標(biāo)顯示部位進(jìn)行打磨消缺,滲透檢查合格;再根據(jù)尺寸測(cè)量的結(jié)果(包括壁厚、焊角尺寸等),由設(shè)計(jì)方進(jìn)行評(píng)估,如打磨后的尺寸不滿足設(shè)計(jì)要求,則進(jìn)行補(bǔ)焊,補(bǔ)焊后進(jìn)行滲透檢查,并將打磨區(qū)域的尺寸恢復(fù)至設(shè)計(jì)尺寸。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,該支撐焊縫在役期間每十年進(jìn)行一次滲透檢查,但考慮到該支撐焊縫熱影響區(qū)仍存在一定數(shù)量的馬氏體組織,且該焊接結(jié)構(gòu)自身拘束度大,應(yīng)力較難松弛,運(yùn)行后在各種工況的應(yīng)力載荷及環(huán)境作用下,其他區(qū)域有產(chǎn)生役致裂紋風(fēng)險(xiǎn)[4,5],且修復(fù)后局部微觀組織及應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜,焊縫及鄰近區(qū)域的服役狀態(tài)存在一定的不確定性,監(jiān)管方認(rèn)為有必要提高該焊縫的檢查頻度,即第一個(gè)十年期間增加三次滲透跟蹤檢查。
某核電機(jī)組役前檢查階段對(duì)主泵主法蘭螺栓及備件螺栓進(jìn)行磁粉檢查(共71根螺栓),發(fā)現(xiàn)23根螺栓的螺紋區(qū)存在多處線性顯示,缺陷微觀形貌如圖4所示,部分螺栓經(jīng)兩次返修后仍有大量線性顯示,而以往工程實(shí)踐中螺栓出現(xiàn)的缺陷形式基本都是螺牙磕碰損傷。針對(duì)主泵螺栓出現(xiàn)的多處線性顯示,營運(yùn)單位按照監(jiān)管方要求深入分析了缺陷性質(zhì)、缺陷產(chǎn)生原因以及這些線性顯示沒有在制造階段被檢查出的原因。
圖4 主泵法蘭螺栓上的線性顯示的微觀形貌Fig.4 The microstructure of linear indication on the flange bolt of the main pump
2.2.1 缺陷性質(zhì)及產(chǎn)生原因
經(jīng)詳細(xì)分析,營運(yùn)單位認(rèn)為:螺紋表面線性顯示為螺紋滾壓加工過程中產(chǎn)生的材料折疊裂紋,缺陷位于螺紋滾壓形變層內(nèi)且呈閉合形態(tài),滾壓工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或設(shè)備精度不足可能是缺陷產(chǎn)生的主要原因。同時(shí),營運(yùn)單位核查了螺栓制造階段的無損檢驗(yàn)結(jié)果,螺紋加工后的螺栓表面檢查未發(fā)現(xiàn)任何顯示,其主要原因?yàn)樵诼菁y加工后對(duì)螺栓表面的檢查方法是液體滲透檢驗(yàn),滲透檢查的局限性導(dǎo)致了無法檢出材料表面的未開口缺陷。
2.2.2 后續(xù)處理措施
考慮到裂紋類缺陷在服役狀態(tài)下具有擴(kuò)展的危險(xiǎn)特性,營運(yùn)單位對(duì)23根出現(xiàn)線性顯示的螺栓采取了報(bào)廢處理,確保最后安裝在主泵上的所有螺栓均為磁粉檢查一次合格的產(chǎn)品。考慮到裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)榧庸すに嚨膯栴},則同批次的螺栓存在潛在裂紋未被檢出的可能性,且核電行業(yè)曾多次出現(xiàn)螺栓失效的案例[6,7],監(jiān)管方要求營運(yùn)單位在機(jī)組第一次大修時(shí)對(duì)主泵螺栓再次進(jìn)行磁粉檢查,若檢查再次發(fā)現(xiàn)裂紋顯示,則應(yīng)更換同批次同螺紋加工方式的全部螺栓。
某核電機(jī)組在役前檢查階段對(duì)穩(wěn)壓器筒體與下封頭焊縫進(jìn)行了超聲檢查,檢查發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)壓器下封頭與筒體之間環(huán)焊縫存在5處體積性顯示。雖然每個(gè)單獨(dú)顯示都滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則,但RCC-M規(guī)范MC 2638對(duì)間距較近的單個(gè)超聲顯示有包絡(luò)組合的規(guī)定,因此還需要評(píng)判這5處顯示的幅值、尺寸和位置是否滿足RCC-M MC 2638關(guān)于顯示的組合規(guī)定。
2.3.1 超聲顯示的組合
MC 2638規(guī)定如果同時(shí)符合下面兩個(gè)條件,則可將兩個(gè)單獨(dú)的超聲顯示組合在一起[8]。
(1)若干顯示的投影在掃查面上的相隔距離小于最小顯示長度的6倍;或者有一個(gè)顯示是點(diǎn)狀,與點(diǎn)狀顯示的間距小于20 mm;
(2)若干顯示的投影在焊縫橫截面上的間距小于或等于20 mm。
組合后顯示的波幅是所有單獨(dú)顯示中測(cè)得的最高波幅,其尺寸是相距最遠(yuǎn)的缺陷兩端連線的長度。經(jīng)分析,其中兩處相鄰顯示(D04、D05,具體信息如圖5所示)滿足MC 2638關(guān)于顯示組合的條件,組合后的缺陷波幅采用距離波幅曲線(Distance Amplitude Curve,簡稱DAC)表征,具體為DAC+1 dB、長度為44 mm。組合后的缺陷不滿足RCC-M規(guī)范S7714.4核一級(jí)焊縫超聲檢查驗(yàn)收準(zhǔn)則,因此,運(yùn)營單位需對(duì)此組合顯示按照超標(biāo)缺陷進(jìn)行處理。
圖5 穩(wěn)壓器筒體與下封頭環(huán)焊縫上兩處超聲顯示的相互關(guān)系Fig.5 The relationship between the two ultrasonic indications on the girth weld of the PRZ cylinder and the lower head
2.3.2 處理方案
對(duì)于該超標(biāo)缺陷,考慮到現(xiàn)場(chǎng)返修難度和風(fēng)險(xiǎn)較大,營運(yùn)單位委托設(shè)計(jì)方采用斷裂力學(xué)方法進(jìn)行安全評(píng)價(jià),該方法已廣泛應(yīng)用于核電設(shè)備缺陷的可接受性評(píng)價(jià)[9]。分析過程主要為:將兩處顯示組合成一個(gè)缺陷后,依據(jù)RSE-M規(guī)范將缺陷假設(shè)為深埋橢圓平面缺陷(環(huán)向裂紋),缺陷尺寸根據(jù)超聲檢查結(jié)果并考慮超聲檢查尺寸測(cè)量的不確定性來確定;然后對(duì)含初始裂紋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析,并對(duì)壽期末最終裂紋的快速斷裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)定[10],包括在第二、三類工況下對(duì)壽期末最終裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)和延性撕裂起始風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)定,在第四類工況下對(duì)壽期末最終裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)定。計(jì)算結(jié)果顯示:壽期末(40年)疲勞裂紋深度和長度方向擴(kuò)展量均小于0.1 mm,各類工況下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。
2.3.3 后續(xù)跟蹤監(jiān)督
對(duì)于經(jīng)分析評(píng)價(jià)可接受的超標(biāo)缺陷,核安全導(dǎo)則HAD 103/07規(guī)定,在隨后的檢查間隔內(nèi)(一般為10年)進(jìn)行3次跟蹤檢查,因此監(jiān)管方要求營運(yùn)單位在機(jī)組第1個(gè)10年運(yùn)行期間對(duì)該焊縫進(jìn)行3次超聲檢查,并判斷缺陷是否有顯著變化。
某核電機(jī)組在役前檢查階段對(duì)反應(yīng)堆壓力容器安全端與主管道連接焊縫、蒸汽發(fā)生器一次側(cè)安全端與主管道連接焊縫進(jìn)行射線檢查,射線底片表明焊縫質(zhì)量滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),但在焊縫評(píng)定區(qū)以外(即主管道母材上)發(fā)現(xiàn)多處異常顯示,這些異常顯示的缺陷性質(zhì)多數(shù)為氣孔和夾渣。由于首次發(fā)現(xiàn)此異常情況,所以這些異常影像的可接受性需進(jìn)一步評(píng)價(jià)。
2.4.1 驗(yàn)收準(zhǔn)則
RCC-M規(guī)范對(duì)核一級(jí)焊縫的射線檢查驗(yàn)收準(zhǔn)則為:氣孔≤4 mm、夾渣≤20 mm。如果對(duì)射線底片的所有區(qū)域即評(píng)定區(qū)和評(píng)定區(qū)外區(qū)域按照上述驗(yàn)收準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判,則大部分顯示都為超標(biāo)缺陷。但根據(jù)RCC-M S7712和RSE-M A4230的規(guī)定,對(duì)焊縫進(jìn)行射線檢查時(shí)檢查區(qū)域應(yīng)包括焊縫熔敷金屬和焊縫兩側(cè)10 mm的區(qū)域(即射線底片上的評(píng)定區(qū)),同時(shí)規(guī)范中明確說明評(píng)定區(qū)以外發(fā)現(xiàn)的缺陷應(yīng)按照零部件采購技術(shù)要求進(jìn)行驗(yàn)收,則評(píng)定區(qū)以外發(fā)現(xiàn)的顯示應(yīng)該按照主管道母材采購技術(shù)要求RCC-MM3406進(jìn)行驗(yàn)收。
M3406對(duì)主管道母材射線檢查結(jié)果要求如下:缺陷類型應(yīng)依據(jù)法國標(biāo)準(zhǔn)NF A04-160給出,并參照1級(jí)嚴(yán)重程度的標(biāo)準(zhǔn)射線底片來評(píng)定缺陷是否可接受;縮孔和裂紋類缺陷是不可接受的。值得注意的是,NF A04-160中規(guī)定壁厚在51—114 mm的鋼鑄件應(yīng)按照ASTM E186規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)射線底片進(jìn)行缺陷嚴(yán)重程度的判定[11]。因此,實(shí)際上主管道母材的射線檢查結(jié)果應(yīng)按照ASTM E186進(jìn)行評(píng)判,而且其評(píng)判內(nèi)容與焊縫射線檢查結(jié)果的評(píng)判有較大不同,前者是通過對(duì)比射線底片與標(biāo)準(zhǔn)射線底片進(jìn)行缺陷嚴(yán)重程度的判定,而后者是將缺陷顯示的尺寸大小直接與限值進(jìn)行比較[12]。
2.4.2 處理方案
雖然主管道母材在制造階段已由制造方進(jìn)行了全面的射線檢查且出廠檢查結(jié)果合格,但由于主管道的重要性且在射線底片上發(fā)現(xiàn)的顯示數(shù)量較多,出于保守考慮,營運(yùn)單位根據(jù)監(jiān)管方要求對(duì)主管道焊縫射線底片上評(píng)定區(qū)以外的缺陷顯示按照NF A04-160和ASTM E186的要求進(jìn)行了復(fù)核評(píng)定,最終評(píng)定結(jié)果滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。
近年來,已有4臺(tái)機(jī)組在役前檢查階段對(duì)反應(yīng)堆壓力容器(Reactor Pressure Vessel,簡稱RPV)進(jìn)行超聲檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)了超標(biāo)或異常顯示,缺陷具體信息見表2。作為核電廠最核心設(shè)備,一旦RPV出現(xiàn)超標(biāo)缺陷,缺陷產(chǎn)生原因以及處理方案將成為關(guān)注重點(diǎn)。
表2 國內(nèi)若干機(jī)組RPV承壓邊界上異常缺陷信息Table 2 Abnormal defect information on RPV pressure boundary of several domestic units
2.5.1 原因分析
其中1臺(tái)機(jī)組RPV筒體外表面缺陷已被證實(shí)為混凝土附著物,其產(chǎn)生原因?yàn)槎亚唤Y(jié)構(gòu)土建施工階段灌漿原料通過保溫層間隙流到RPV筒體外表面;其他3臺(tái)機(jī)組RPV在制造階段未檢出但役前檢查發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷的主要原因是役前檢查與制造階段采用的超聲檢查技術(shù)有差異[13,14],役前檢查階段采用自動(dòng)超聲檢查技術(shù),制造階段多采用手動(dòng)超聲檢查技術(shù)。
本文以某機(jī)組RPV接管焊縫的超標(biāo)缺陷為例進(jìn)行詳細(xì)說明。在制造階段制造商根據(jù)制造規(guī)范RCC-M MC2151采用半波法(-6 dB法)進(jìn)行缺陷長度測(cè)量,在相同位置檢出兩個(gè)缺陷的尺寸分別為:DAC-3.7 dB/5 mm和DAC-9.1 dB/5 mm,兩個(gè)缺陷均滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則;在役前檢查階段檢驗(yàn)單位根據(jù)在役檢查規(guī)范RSE-M進(jìn)行檢查,由于RSE-M中對(duì)超聲檢查技術(shù)的測(cè)長方法沒有明確要求,因此檢驗(yàn)單位采用經(jīng)過能力驗(yàn)證的檢查技術(shù)以及噪聲法進(jìn)行缺陷長度測(cè)量,在相同位置測(cè)得缺陷的尺寸大小為:DAC-2.3 dB/66.6 mm,該缺陷不滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。由此可見,測(cè)長方法的不同導(dǎo)致了最終結(jié)果的差異,為進(jìn)一步弄清差異,役前檢查單位采用半波法對(duì)該缺陷進(jìn)行了復(fù)驗(yàn),復(fù)驗(yàn)測(cè)得缺陷的尺寸大小為:DAC-2.3 dB/51.3 mm,該缺陷滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。兩種測(cè)長方法的差異如圖6所示。
圖6 半波法和噪聲法對(duì)缺陷測(cè)長的差異Fig.6 The difference between the half-wave method and the noise method in measuring the length of defects
2.5.2 處理方案
對(duì)于RPV承壓邊界焊縫的超標(biāo)缺陷,如果返修所帶來的風(fēng)險(xiǎn)較大,一般情況下采用斷裂力學(xué)方法進(jìn)行安全評(píng)價(jià);如果返修風(fēng)險(xiǎn)可控,優(yōu)先推薦在役前階段清除缺陷以免給機(jī)組服役后帶來隱患,如某機(jī)組RPV接管焊縫的超標(biāo)缺陷位于焊縫加強(qiáng)高部位,離筒體外表面較近,權(quán)衡利弊后,營運(yùn)單位最終采取打磨將缺陷去除,去除缺陷后通過力學(xué)計(jì)算校核打磨后焊縫尺寸形狀,結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求,不需要補(bǔ)焊。根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)反饋,一些營運(yùn)單位考慮實(shí)施“預(yù)役前檢查”,即對(duì)于重要主設(shè)備在工廠制造階段,委托在役檢查單位使用役前檢查工藝、按照役前檢查標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備實(shí)施檢驗(yàn)[15]。
近十年來,我國38臺(tái)核電機(jī)組順利通過役前檢查,先后進(jìn)入運(yùn)行階段,并保持了良好的運(yùn)行狀態(tài)。役前檢查起到了比較重要的作用。役前檢查檢出的劃傷、咬邊、未熔合、氣孔、裂紋等各類缺陷處理,尤其是典型缺陷的處理為后續(xù)類似情況的工程處理、核安全審評(píng)提供了相關(guān)參考經(jīng)驗(yàn),也為在役檢查提供了重要的基礎(chǔ)。
此外,通過對(duì)5起典型案例的深入分析,本文給出以下建議:
(1)針對(duì)在役前檢查階段發(fā)現(xiàn)的線性顯示,應(yīng)深入分析缺陷性質(zhì)和產(chǎn)生原因,若確認(rèn)為裂紋類缺陷,應(yīng)即時(shí)消除,并加強(qiáng)后續(xù)在役監(jiān)督;
(2)焊縫超聲檢測(cè)結(jié)果評(píng)判時(shí)應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)要求分析超聲顯示信號(hào)的可組合性,避免漏評(píng)超標(biāo)顯示;
(3)針對(duì)反應(yīng)堆壓力容器等重要主設(shè)備,可考慮在制造階段采用役前檢查單位的超聲檢測(cè)工藝進(jìn)行復(fù)核,避免由于檢測(cè)工藝差異導(dǎo)致超標(biāo)缺陷漏檢。