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核電Canopy密封焊縫失效分析及制造期間的預防

李開
（國核工程有限公司，上海200233）

摘要：本文主要通過國內(nèi)電站Canopy密封焊縫硼酸泄漏事件，分析出泄漏原因為應力腐蝕導致的裂紋，并根據(jù)核電設備制造過程容易引入的應力腐蝕影響因素提出制造、運輸及安裝等各階段的預防措施。

關鍵詞：控制棒驅(qū)動機構(gòu)；Canopy密封焊縫；應力腐蝕裂紋；預防措施

0. 前言

AP1000機組控制棒驅(qū)動機構(gòu)（簡稱CRDM）的棒行程殼體和鉤爪殼體的Canopy密封焊縫分布在壓力邊界，對核電站的運行具有極為重要的作用。根據(jù)經(jīng)驗反饋，控制棒驅(qū)動機構(gòu)的Canopy密封焊縫發(fā)生泄漏的概率較高。已知的發(fā)生控制棒驅(qū)動機構(gòu)CANOPY焊縫密封焊泄漏核電機組有法國、美國、比利時、瑞典、英國以及中國等。

1. 國內(nèi)電站Canopy焊縫泄漏

2007年，國內(nèi)電廠某機組檢修人員在進行目視檢查時發(fā)現(xiàn)控制棒驅(qū)動機構(gòu)上部密封焊處有硼結(jié)晶。隨后進行的無損檢測檢查也發(fā)現(xiàn)了部分焊縫位置有缺陷信號，而通過對發(fā)現(xiàn)缺陷信號的螺紋區(qū)進行手動超聲檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，可以判定這些缺陷均屬于密封性承壓邊界缺陷而非結(jié)構(gòu)性承壓邊界缺陷。另據(jù)反饋，2005年，國內(nèi)電廠另一機組換料大修時，發(fā)現(xiàn)部分CRDMCanopy密封焊縫收弧區(qū)內(nèi)也存在硼泄漏點。

1.1原因分析

由于現(xiàn)有研究手段無法對有缺陷的CRDM進行實際解剖，故本文根據(jù)現(xiàn)場信息及外部經(jīng)驗反饋進行分析。將多種可能的誘因逐一排除，最終確定缺陷原因應為應力腐蝕。具體分析如下：

1.1.1機加工產(chǎn)生初始裂紋

原材料及產(chǎn)品在制造過程中會經(jīng)過諸多機加工工序，如鉆孔、擴孔、車外圓、加工坡口等，有產(chǎn)生初始裂紋的可能。但在鉆孔等粗加工工序后，進行了固溶處理，產(chǎn)生的殘余應力很小。在密封焊接前，還對密封焊坡口進行液體滲透檢查，出廠前還進行了超聲檢查，基本保證密封結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)外表面無缺陷。

1.1.2焊接過程中產(chǎn)生初始裂紋

因材料焊接性能良好，焊接工藝經(jīng)過了嚴格的工藝評定，且設置了焊前模擬件及焊接見證件，焊后也經(jīng)過了無損檢查，產(chǎn)生初始裂紋的可能性很小。

1.1.3由于疲勞原因產(chǎn)生初始裂紋

疲勞原因產(chǎn)生初始裂紋的可能性可由以下3點排除：（1）從CRDM的結(jié)構(gòu)和運行條件判斷，假如有疲勞應力，應該是熱應力引起，CRDM在制造期間做過熱態(tài)試驗，同時，運行期間各部位溫度基本恒定，不存在溫度頻繁變化的情況。（2）從CRDM制造及安裝判斷，CRDM在運行期間不存在晃動或震動。況且CRDM每個部件的設計要求其應力在許用應力之下，疲勞使用系數(shù)有相應限值。而且，從設計冗余角度考慮，即使疲勞使用系數(shù)高于限值，也不會輕易出現(xiàn)疲勞裂紋。（3）電站運行時間較短，從設計角度考慮不會產(chǎn)生疲勞裂紋。

1.1.4由于應力腐蝕原因產(chǎn)生初始裂紋

如果由于某些原因?qū)е侣入x子、氟離子等鹵族元素聚集在Ω腔內(nèi)部，可能產(chǎn)生點蝕坑，點蝕坑在應力的作用下產(chǎn)生裂紋，在機組啟停、運行瞬態(tài)等作用下加速裂紋的生長，最終導致貫穿泄漏。根據(jù)法國電站經(jīng)驗反饋，其已發(fā)生四起密封焊縫泄漏事件，除一起原因不明外，其余三起經(jīng)熱實驗室檢查都將原因判斷為鹵族元素引起的應力腐蝕。綜上所述，Canopy密封焊縫缺陷最大可能是應力腐蝕，而這種應力腐蝕可能與制造缺陷，制造、運輸或安裝階段氯污染及運行過程中局部化學條件惡化等因素有關。

2. 制造過程中的控制

需嚴格控制制造、運輸和安裝階段的質(zhì)量，改變并完善CRDM的設計和焊接工藝。

2.1母材

（1）制造廠和材料供貨商應注意在任何階段注意減少材料的冷加工，對彎曲、冷成型、校直等冷加工操作過程進行硬度控制以防止產(chǎn)生過量的冷作硬化，并且在加工后進行固溶處理以及100%體積的超聲波檢查。（2）與CRDM接觸的工藝材料，包括清潔、螺紋潤滑劑等材料，其組成里應無有意添加的低熔點的金屬。暴露在高于環(huán)境溫度之前，應將所有表面尤其縫隙中的低熔點物質(zhì)完全去除。

2.2焊接材料

（1）焊接材料的加工和制造應使材料敏化最小化，并且不影響材料的抗晶間腐蝕性能。（2）焊絲在使用前，必須清除表面的油脂和雜質(zhì)，并用白綢（布）浸蘸丙酮擦洗干凈，每次焊接前都應剪掉焊絲頭，以防端部有污物帶入焊縫。（3）另外，焊縫填充金屬還用控制鐵素體含量，以防止產(chǎn)生熱裂紋。

2.3焊接的實施

（1）待焊坡口表面進行液體滲透檢驗。施焊前，可用丙酮擦凈待焊表面。待焊表面不應存在油脂等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)。（2）對于焊縫的每一焊道，都應用不銹鋼絲刷仔細清理焊縫表面的氧化物，對影響下道焊接質(zhì)量的缺陷予以去除。（3）密封焊焊耳需得到妥善保護，除非要與其他零部件組裝，不得取下焊耳保護裝置，并遮蓋保護好焊接區(qū)域，防止異物進入。Canopy密封焊縫對接前，應清理焊耳表面，不允許有鹵素及其他異物。（4）焊接過程注意控制層間溫度，以提高應力腐蝕抗力和殘余應力控制。

3. 清潔包裝、運輸過程中的控制

包裝的設計應避免運輸、裝卸和貯存期間引入鹵族元素等雜質(zhì)。（1）包裝前應即時檢查控制棒驅(qū)動機構(gòu)清潔度。如有雜質(zhì)應去除；（2）惰性氣體填充保護防腐，以防止?jié)駳饣蚋g性氣氛與裸露的金屬表面及其他材料發(fā)生反應。（3）膠帶不應包含氯、氟等有害元素，以免引起應力腐蝕。清除膠帶時，應用不含鹵素的溶劑擦拭去除殘存的膠粘劑。（4）對于Canopy密封焊縫區(qū)域，標識材料的鹵素含量應得到嚴格控制，不得使用電化學蝕刻和電弧筆。（5）避免裝卸和貯存期間造成材料表面污染。若使用碳鋼鏈條、吊索、鋼絲繩或鉤具進行裝卸，應避免這些工具與控制棒驅(qū)動機構(gòu)不銹鋼表面直接接觸。

綜上所述，為了盡可能減少控制棒驅(qū)動機構(gòu)Canopy密封焊縫運行期間的失效幾率，需嚴格控制控制棒驅(qū)動機構(gòu)制造、運輸和安裝階段的質(zhì)量要求，用于控制棒驅(qū)動機構(gòu)的制造、安裝和試驗的奧氏體不銹鋼材料應按照認可的、將可能導致應力腐蝕最小化的方法進行處理、保護、貯存和清潔。

參考文獻

［1］魯艷萍.AP1000設備控制棒驅(qū)動機構(gòu)設備制造案例［J］.質(zhì)量管理，2014（3）：62-64.

［2］王豐，沈秋平.控制棒驅(qū)動機構(gòu)老化機理及影響分析［J］.機械工程師，2014（6）：94-97.

中圖分類號：TM623

文獻標識碼：A