余熱排出熱交換器管板焊縫的滲透檢測(cè)

劉步良，李 誠(chéng)，徐培良，王佳旭，蘇海敏

(中廣核檢驗(yàn)技術(shù)有限公司，蘇州 215100)

核安全的主要問(wèn)題之一，是如何在任何情況下保證核燃料釋熱的疏導(dǎo)。余熱排出熱交換器是堆芯冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，在非失水事故發(fā)生時(shí)，可對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行冷卻，防止因冷卻劑過(guò)度升溫而引發(fā)的堆芯融化事故。因此，該設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量關(guān)乎核電站中的安全運(yùn)行。

余熱排出系統(tǒng)的主要功能是在反應(yīng)堆正常停堆過(guò)程中，當(dāng)一回路溫度降到180℃及以下，絕對(duì)壓力降到3 MPa以下時(shí)，排出堆芯余熱、一回路水、設(shè)備的顯熱以及運(yùn)行的主泵在一回路中產(chǎn)生的熱量，使反應(yīng)堆進(jìn)入冷停堆狀態(tài)。

目前，我國(guó)CPR 1000機(jī)組的在役檢查一般參照標(biāo)準(zhǔn)RSE-M-1997《核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》執(zhí)行。每一次機(jī)組在役檢查，需結(jié)合法規(guī)和機(jī)組運(yùn)行情況，詳細(xì)地列出無(wú)損檢測(cè)的范圍及要求。

某余熱排出熱交換器在運(yùn)行過(guò)程中，其一次側(cè)和二次側(cè)均存在泄漏現(xiàn)象，因此停堆后必須對(duì)其進(jìn)行全面檢修。初步方案定為對(duì)其進(jìn)行氦檢漏，后經(jīng)討論，確定為先對(duì)管板焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)，排除管板焊縫可能存在的大漏，最后將此次余熱排出熱交換器的檢修作為經(jīng)驗(yàn)反饋?lái)?xiàng)，為后續(xù)相同機(jī)組的安全運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)支持。

1 滲透檢測(cè)環(huán)境

對(duì)于在役檢查過(guò)程中余熱排出熱交換器管板焊縫的滲透檢驗(yàn)，檢測(cè)環(huán)境與建造安裝階段的有所區(qū)別，場(chǎng)地布置如圖1所示。該設(shè)備具有一定的輻射，并且存在放射性沾污風(fēng)險(xiǎn)，因此在大修中檢測(cè)人員將該設(shè)備運(yùn)往AC廠房(熱維修廠房)，并布置污染區(qū)，將設(shè)備整體放置在紅布上，并在管板焊縫的區(qū)域搭建SAS(污染區(qū)負(fù)壓工作棚)，整個(gè)管板焊縫的滲透檢測(cè)都是在SAS區(qū)進(jìn)行的。

圖1 污染區(qū)布置現(xiàn)場(chǎng)

操作人員必須嚴(yán)格按照輻射防護(hù)的要求穿戴附加防護(hù)用品進(jìn)行作業(yè)，每次進(jìn)出SAS區(qū)作業(yè)都需戴上氧氣面罩，且SAS區(qū)外必須保證有人員輔助。重復(fù)使用的物品要做好包裹防護(hù)處理，避免輔助人員在交替物品時(shí)受到沾污。

在SAS區(qū)作業(yè)時(shí)，前期準(zhǔn)備工作要充分，人員分工要明確，應(yīng)盡可能地降低作業(yè)時(shí)間，減少工作人員吸收的輻射劑量，充分體現(xiàn)核電的ALALA(輻射最優(yōu)化)原則。

2 余熱排出熱交換器的分布與結(jié)構(gòu)

每個(gè)核電機(jī)組共有兩臺(tái)熱交換器，型號(hào)分別為RRA001RF和RRA002RF，為并聯(lián)布置，以保證在一臺(tái)熱交換器不可用時(shí)，余熱排出系統(tǒng)仍具有部分熱量排出的能力；兩臺(tái)熱交換器均為立式、倒置U型管殼式熱交換器。反應(yīng)堆冷卻劑流經(jīng)管側(cè)，設(shè)備冷卻水流經(jīng)殼側(cè)，熱交換器下封頭內(nèi)裝有一個(gè)隔板，兩邊是反應(yīng)堆冷卻劑的進(jìn)出水室。文章將管側(cè)稱為一次側(cè)，殼側(cè)稱為二次側(cè)。

3 管板焊縫的焊接及合格要求

換熱管與管板的焊接采用鈰鎢極自動(dòng)脈沖旋轉(zhuǎn)氬弧焊進(jìn)行焊接，焊接前先進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，焊接完畢后修整管口，清除焊渣和凸出管子內(nèi)壁的焊瘤。換熱管與管板焊接后脹接前應(yīng)進(jìn)行0.3 MPa氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后再進(jìn)行脹接，換熱管與管板的脹接應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)RCC M-F4400-2007 《熱交換器管板中脹管》的規(guī)定進(jìn)行工藝評(píng)定；脹接方法為液壓脹，脹接處應(yīng)在管板殼側(cè)表面內(nèi)2～5 mm；脹接后將熱交換器殼體抽真空至0.133 Pa～1.33 Pa，連續(xù)抽氣，再逐個(gè)沿著管子與管板連接的焊縫進(jìn)行噴氦檢漏，單個(gè)焊縫的泄漏量小于1.3×10-7Pa·m3·s-1則判定為合格。管板焊縫排列方式如圖2所示。

圖2 管板焊縫排列方式示意

4 滲透檢測(cè)方法

停堆后，檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)余熱排出熱交換器一次側(cè)和二次側(cè)之間存在泄漏，因此建議對(duì)管板焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)。

采用熒光滲透檢測(cè)法檢測(cè)焊接容器的泄漏，一種方法是向該容器內(nèi)灌入滲透能力強(qiáng)的液體，再在該液體中加進(jìn)熒光添加劑，在容器外側(cè)于黑光燈下觀察焊縫區(qū)有無(wú)泄漏顯示；另一種方法是在容器焊縫的內(nèi)側(cè)涂上熒光滲透劑，于外側(cè)在黑光燈下檢測(cè)，或在焊縫外側(cè)涂上熒光滲透劑，在內(nèi)側(cè)進(jìn)行檢測(cè)。但是該設(shè)備為沾污設(shè)備，難以滿足所需的先決條件，且對(duì)管板焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)時(shí)不僅需要檢漏，還需要將焊縫表面存在的非貫穿性裂紋、氣孔等缺陷也檢測(cè)出來(lái)，為后續(xù)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。為了更好地實(shí)施檢測(cè)，筆者特對(duì)以下幾種檢測(cè)方法進(jìn)行探討[1]。

4.1 水洗型滲透檢測(cè)法

該方法的優(yōu)點(diǎn)是表面多余的滲透劑可以直接用水去除，檢測(cè)周期較其他方法短，且較適合用于表面粗糙工件的檢測(cè)；缺點(diǎn)是其靈敏度相對(duì)較低，容易漏檢淺而寬的缺陷，重復(fù)性差，如清洗方法不當(dāng)容易造成過(guò)清洗，抗水污染能力差(酸性的污染將影響檢測(cè)靈敏度)。待檢設(shè)備所處環(huán)境水源匱乏，且設(shè)備存在一定放射性沾污，無(wú)法滿足大量用水進(jìn)行水洗的需求，因此該方法不建議使用[2]。

4.2 后乳化型滲透檢測(cè)法

該方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度較高，能檢出淺而寬的表面開口缺陷，該滲透劑不含乳化劑，因此滲透速度快，抗污染能力強(qiáng)，重復(fù)檢驗(yàn)再現(xiàn)性好；缺點(diǎn)是要進(jìn)行單獨(dú)的乳化工序，必須嚴(yán)格控制乳化時(shí)間，要求被檢表面較光潔。大型工件實(shí)施后乳化滲透檢測(cè)比較困難，親水性后乳化型滲透檢測(cè)法與親油性后乳化型滲透檢測(cè)法在施加乳化劑后均需水洗，現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境難以滿足該要求，親油性乳化劑的乳化時(shí)間一般小于2 min，親水性乳化劑的乳化時(shí)間一般小于5 min，不便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作。

4.3 溶劑去除型著色滲透檢測(cè)法

該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，適用于外場(chǎng)和大工件的局部檢測(cè)，可在沒(méi)水沒(méi)電的情況下進(jìn)行檢測(cè)；與溶劑懸浮型顯像劑配合使用，能檢出非常細(xì)小的開口缺陷。缺點(diǎn)是所用的材料易燃、易揮發(fā)，相對(duì)于水洗型和后乳化型而言不適合于批量工件的連續(xù)檢測(cè)，不適用于表面粗糙工件的檢測(cè)，且容易漏檢淺而寬的缺陷。

對(duì)上述3種方法進(jìn)行綜合考慮，筆者決定此次采用溶劑去除型著色滲透檢測(cè)法對(duì)管板焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

5 管板焊縫的滲透檢測(cè)

對(duì)采用溶劑去除型著色法滲透檢測(cè)進(jìn)行在役檢測(cè)過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及解決的方法進(jìn)行探討。滲透檢測(cè)的基本步驟為預(yù)清洗→干燥→施加滲透劑→去除多余滲透劑→干燥→顯像→觀察、評(píng)定、記錄→后處理。

此次作業(yè)具體操作為：① 將余熱排出熱交換器上部吊出核島，置于AC廠房，并布置污染區(qū)，其中管板焊縫側(cè)處于SAS中，U型管側(cè)經(jīng)過(guò)吹掃，放置24 h后進(jìn)行滲透檢測(cè)；② 用清洗劑預(yù)清洗焊縫表面后干燥10 min，保證焊縫表面干燥，無(wú)潤(rùn)濕現(xiàn)象；③ 施加滲透劑(見圖3)，20 min后去除多余滲透劑，繼續(xù)干燥10 min，然后施加顯像劑，10 min后開始評(píng)定記錄，發(fā)現(xiàn)有局部區(qū)域出現(xiàn)潤(rùn)濕現(xiàn)象(見圖4，5)，該情況嚴(yán)重影響滲透檢測(cè)的結(jié)果。初步判斷，造成該現(xiàn)象主要的原因是干燥度不夠。因此檢測(cè)人員對(duì)管口焊縫附近進(jìn)行吹風(fēng)，時(shí)間為4 h，再次進(jìn)行滲透檢測(cè)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)仍存在潤(rùn)濕現(xiàn)象。最后，對(duì)U型管進(jìn)行12 h烘干處理，確保管側(cè)和殼側(cè)都已經(jīng)徹底干燥后再進(jìn)行檢測(cè)，最終得到了正常的檢測(cè)結(jié)果(見圖6，7)。

圖3 施加滲透劑后的熱交換器實(shí)物

圖4 施加顯像劑后檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 局部放大照片

圖6 自然缺陷a檢測(cè)結(jié)果

圖7 自然缺陷b檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)反復(fù)幾次干燥處理的結(jié)果，分析產(chǎn)生該情況的原因可能有以下幾種。

(1)U型管內(nèi)部存在水分，由于顯像劑具有較強(qiáng)的吸附功能，所以局部區(qū)域被潤(rùn)濕。

(2)焊縫區(qū)域二次側(cè)存在水分，如果該處焊縫存在細(xì)微的缺陷，水分可能被顯像劑吸附出來(lái)，導(dǎo)致滲透劑顏色無(wú)法正常地顯示，無(wú)法判定結(jié)果。

針對(duì)這兩種情況，為了滿足滲透檢測(cè)的先決條件，并且盡量避免浪費(fèi)檢測(cè)時(shí)間，提出以下方法。

(1)在將余熱排出系統(tǒng)熱交換器二次側(cè)上部放置AC于廠房后，盡量不要將管板側(cè)與吊耳側(cè)放置在同一水平面上，應(yīng)抬高其中一側(cè)。

(2)直接對(duì)U型管進(jìn)行烘干處理的同時(shí)，爭(zhēng)取能夠?qū)⒍蝹?cè)存在的水分烘干，在先決條件完全滿足的情況下重新進(jìn)行檢測(cè)，檢出類似圖6，7的缺陷。

6 滲透檢測(cè)的必要性

停堆后，經(jīng)目視檢測(cè)筆者發(fā)現(xiàn)余熱排出熱交換器一次側(cè)和二次側(cè)存在泄漏，經(jīng)探討該泄漏為U型管泄漏或管板焊縫泄漏或同時(shí)存在兩種泄漏。

通常僅需采用氦檢漏的方法對(duì)一次側(cè)和二次側(cè)進(jìn)行查漏，但是管板焊縫可能存在較大的穿孔性缺陷(見圖6，7)，若直接用氦檢漏法易產(chǎn)生大量氦氣泄漏，造成環(huán)境污染。

滲透檢測(cè)具有快速、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠排除較大的穿孔性缺陷。因此優(yōu)先采用滲透檢測(cè)法排查管板焊縫，后采用氦檢漏法對(duì)余熱排出熱交換器進(jìn)行全面檢查的方案很有必要。

7 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，在對(duì)余熱排出熱交換器管板焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)時(shí)，對(duì)焊縫及其附近區(qū)域以及焊縫對(duì)面進(jìn)行徹底干燥處理很有必要，且將管板側(cè)與吊耳側(cè)傾斜放置對(duì)檢測(cè)也有一定的作用，經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證，溶劑去除型著色滲透檢測(cè)法能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需求，但無(wú)法確定檢出的缺陷是否屬于貫穿性缺陷，因此此次采用的溶劑去除型著色滲透檢驗(yàn)法未必是最優(yōu)的方法，還需要在工作中不斷總結(jié)更優(yōu)的方法。

結(jié)合余熱排出熱交換器管板焊縫的焊接工藝過(guò)程以及運(yùn)行工況下容易產(chǎn)生的缺陷性質(zhì)，確定出了最合適的滲透檢測(cè)工藝方法。在高劑量、易沾污區(qū)域工作時(shí)，通過(guò)合理的人員安排、檢測(cè)過(guò)程的合理分解來(lái)保證檢測(cè)的順利實(shí)施?？赏ㄟ^(guò)合理選用檢測(cè)方法，有望提高設(shè)備檢驗(yàn)質(zhì)量，提高核電設(shè)備的安全性，降低核電事故發(fā)生概率，為我國(guó)的核電安全保駕護(hù)航。