譚文良 朱德才 李全星 李付良

摘要：核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）焊縫用于機構(gòu)密封，在核電廠建造和運行在役階段存在更換CRDM的情況，需要切割CRDM下部焊縫，修復切割坡口后重新安裝或者采用新的CRDM部件重新焊接、檢測。針對核電廠CRDM切割更換工作難點，通過CRDM標準試件切割和焊接試驗，分析了焊接變形對CRDM切割、坡口修復、再焊接的影響，并對CRDM切割后的重新安裝組對間隙和CRDM部件的選擇方案提出建議，為核電廠CRDM切割更換提供參考。

關(guān)鍵詞：核電廠;控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）;焊接變形;切割

中圖分類號：TG404 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）08-0048-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.10

0 前言

核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）采用“Canopy”和“Ω”焊接結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)密封，作為一回路壓力邊界關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)完整性對機組的安全運行至關(guān)重要[1]。以CPR1000核電堆型為例，共有61個驅(qū)動機構(gòu)，每個控制棒組件都由對應(yīng)的控制棒驅(qū)動機構(gòu)控制，均位于反應(yīng)堆壓力容器上方，通過與壓力容器頂蓋上的接管座進行焊接，實現(xiàn)密封。

控制棒驅(qū)動機構(gòu)的“Ω”焊縫和“Canopy”焊縫是為減少焊接變形而設(shè)置的形狀特異的密封焊縫，國外“Ω”焊縫多選在垂直固定位置（2GT）。在該位置焊接時，驅(qū)動機構(gòu)的徑向變形量為零，軸向變形量也因焊接應(yīng)力均勻分布在耐壓殼組件上而微乎其微[2]?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)下部“Canopy”焊縫結(jié)構(gòu)作用與之類似，在實現(xiàn)密封的同時，減少軸向焊接變形。

根據(jù)國內(nèi)核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)現(xiàn)場安裝焊接情況，當安裝出現(xiàn)異常時，存在需要更換CRDM的可能性。CRDM的安裝在工程建設(shè)階段處于核電廠冷試關(guān)鍵路徑，一旦出現(xiàn)異常情況，對項目建設(shè)工期的影響巨大，需采取有效措施在短時間內(nèi)能完成CRDM焊縫修復或CRDM更換。此外，在核電廠運行過程中，CRDM作為反應(yīng)堆的關(guān)鍵設(shè)備，長期處于高溫、高壓環(huán)境中，由于震動、腐蝕等因素，設(shè)備容易產(chǎn)生老化、性能衰減等現(xiàn)象，當在役機組的CRDM焊縫出現(xiàn)泄露時，存在CRDM更換或修復的需求。在國際核電焊接維修領(lǐng)域，針對CRDM“Ω”密封焊縫泄露故障的維修技術(shù)[3]共有三種：一是美國提出的堆焊維修技術(shù)[4];二是法國提出的切割更換再造技術(shù);三是日本、韓國提出的激光修復技術(shù)[5]。目前，國內(nèi)核電廠的CRDM更換和修復基本依賴國外供應(yīng)商，因其技術(shù)壟斷，工程服務(wù)費用高昂，且國外服務(wù)商在設(shè)備配置、人力調(diào)度效率相對低下，難以滿足國內(nèi)核電工程需要。

在建階段的核電機組需要更換CRDM時優(yōu)先考慮采用切割更換方案，以便為后續(xù)在役階段的CRDM修復提供更多的方案選擇。當在役核電機組需要更換時，應(yīng)首先評估CRDM焊縫的具體缺陷性質(zhì)及影響情況，然后根據(jù)實際缺陷評估情況確定是采用切割更換技術(shù)方案，還是堆焊修復技術(shù)方案。文中重點針對核電廠CRDM切割更換技術(shù)，分析焊接變形對切割更換技術(shù)的影響。

1 CRDM結(jié)構(gòu)及安裝要求

核電現(xiàn)場焊接的CRDM密封殼位于CRDM壓力外殼的下部，其下端的內(nèi)螺紋旋入RPV頂蓋管座的外螺紋[6]，然后兩個部件通過“Canopy”焊縫實現(xiàn)密封。CRDM在工程項目現(xiàn)場安裝的主要工作是耐壓殼的現(xiàn)場組裝、調(diào)整，并根據(jù)設(shè)計要求打完力矩后，對CRDM下部密封焊口進行焊接及檢測，最后進行水壓試驗來驗證其密封性。標準的CRDM現(xiàn)場焊接下部焊縫為密封焊焊縫，起密封作用。

CRDM下部焊縫結(jié)構(gòu)如圖1所示，下部密封環(huán)管徑設(shè)計尺寸為φ163.58±0.05 mm，CRDM焊接位置坡口母材壁厚為1.9±0.1 mm，如圖2所示。在CRDM耐壓殼安裝到接管座之前，需要在耐壓殼上完成Y型熔化環(huán)的點焊、目視檢查工作。Y型熔化環(huán)與耐壓殼之間的間隙不大于0.04 mm;Y型環(huán)與耐壓殼的點焊寬度不大于2 mm;Y型環(huán)兩端接合處間隙不大于0.6 mm，CRDM耐壓殼安裝到接管座上并打完力矩后，Y型熔化環(huán)與接管座間隙要求為0.04～0.25 mm[7]，CRDM安裝最大不同軸度為0.1 mm。

2 CRDM切割更換的原則

現(xiàn)場CRDM的切割更換需要先切割下部密封焊縫并完成坡口修復后，安裝新的CRDM耐壓殼，重新進行新耐壓殼與接管座之間密封焊縫的焊接和檢測。由于與CRDM耐壓殼組對焊接的接管座和壓力容器頂蓋直接相連，接管座無法現(xiàn)場更換，只能更換上部的CRDM耐壓殼。因此，在CRDM下部焊縫切割時優(yōu)先保證下部CRDM接管座的尺寸，通常會考慮一定的余量，以確保接管座坡口加工后，長度仍與原設(shè)計的保持一致。

3 CRDM焊接變形及其對CRDM更換的影響

標準的CRDM下部密封環(huán)管徑為163.58 mm，CRDM下部焊接位置坡口厚度為1.9 mm。CRDM下部焊縫焊接完成后，雖然設(shè)計對焊縫外徑不做要求，但CRDM更換時需測量切割前的焊縫外徑尺寸數(shù)據(jù)，以便重新加工坡口時盡可能恢復原尺寸，減少組對偏差。經(jīng)過對多組標準CRDM試件的焊接及測量發(fā)現(xiàn)，下部焊縫外徑與焊接前外徑相比普遍縮小，如圖3所示，從采樣數(shù)據(jù)分析，外徑縮小最大可達0.48 mm，抽樣實測CRDM產(chǎn)品下部焊縫尺寸也發(fā)現(xiàn)同樣存在明顯的收縮情況。

焊接過程中會伴隨著焊接變形問題，由于CRDM下部密封焊位置壁厚較薄，焊接變形將更加明顯。CRDM內(nèi)部螺紋與管座螺紋相配合，限制了CRDM下部焊縫焊接時的軸向位移，只能產(chǎn)生徑向的收縮變形，導致焊接后CRDM密封焊焊縫外徑變小。實測發(fā)現(xiàn)：徑向收縮量大于CRDM熔化環(huán)熔化后的焊縫表面余高對徑向收縮量的補償。因此，CRDM下部焊縫切割后，下部接管座位置坡口外徑難以恢復至原徑向尺寸。

CRDM下部焊縫切割后，可采取兩種處理方式：一是更換新的上部CRDM耐壓殼后進行安裝、焊接和檢測;二是對切割下來的上部CRDM耐壓殼進行修復處理、坡口加工，重新安裝后進行焊接和檢測。

由于CRDM接管座與封頭間的焊縫連接結(jié)構(gòu)具有焊接坡口形狀復雜、焊接量大的特點，導致焊縫的去除及重新焊接難度較大、操作時間長，且更換后的管座垂直度較難保證，直接更換管座的方案基本不具備可行性[8]，只能保留下部接管座。由于下部焊縫接管座徑向尺寸無法恢復至原尺寸，所以更換新的CRDM耐壓殼后，耐壓殼坡口外徑大于下部件，與下部接管座裝配時會產(chǎn)生明顯錯邊量，增大Y型熔化環(huán)與接管座之間的間隙，超出原設(shè)計安裝技術(shù)要求。此方案的優(yōu)點是：在切割CRDM下部焊縫時，可采取保守的加工方案，切割時盡量往CRDM密封焊縫上側(cè)切割，為接管座坡口軸向長度留有足夠的加工余量，確保下部管座坡口軸向長度。

通過多組CRDM標準試件的焊接、切割和坡口加工試驗分析可知，CRDM焊接完成后因徑向收縮，外徑普遍明顯縮小，切割和重新進行坡口加工后外徑則進一步縮小，如圖4所示，坡口加工后CRDM下部管座坡口外徑尺寸最大縮小0.97 mm。參照標準的CRDM安裝方式，采用新的CRDM進行裝配，Y型熔化環(huán)與下部接管座間隙為0.3～0.39 mm，與原設(shè)計要求0.04～0.25 mm相比存在明顯偏差。

選擇將切割下來的CRDM耐壓殼重新進行修復、坡口加工后再利用的方案，則在焊縫切割時就需要同時考慮焊縫兩側(cè)坡口的尺寸。此外，采用該方案前需評估實際缺陷對CRDM上下部位置的影響，即缺陷不能損壞上部CRDM耐壓殼的完整性。因為在正常焊接時，CRDM密封焊縫兩側(cè)同步產(chǎn)生了徑向收縮，采用修復后的CRDM部件進行重新裝配調(diào)整，雖不會產(chǎn)生明顯的錯邊情況，但切割和坡口加工過程中會產(chǎn)生一定的金屬損耗，導致CRDM重新裝配、組對后間隙變大，產(chǎn)生的金屬損耗量主要與切割設(shè)備的刀具厚度和坡口加工的精度直接相關(guān)。此方案的優(yōu)點是：避免了CRDM耐壓殼重新裝配時產(chǎn)生明顯錯邊量，并可利用現(xiàn)有資源，既節(jié)省了成本，又減少了新產(chǎn)品制造工期對工程項目進度的影響。

4 CRDM切割更換、再焊接和焊縫檢測及金相檢驗

多組不同錯邊和間隙的CRDM標準試件的焊接、密封焊縫切割、坡口修復、更換新的CRDM部件后再進行焊接和檢測的試驗以及焊縫的宏觀金相和微觀金相分析表明，Ω密封焊縫的焊縫、熱影響區(qū)及母材區(qū)域的微觀組織正常。試驗結(jié)果表明，擬定的技術(shù)方案可行。

在10倍放大下對焊縫橫截面做宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔等焊接缺陷，如圖5所示。在200倍放大下對焊縫截面做微觀檢查，均未發(fā)現(xiàn)相關(guān)區(qū)域顯微裂紋及影響材料性能的沉淀物，如圖6～圖8所示。

5 結(jié)論

文中通過大量CRDM標準試件的焊接、切割、坡口加工、再焊接及檢測試驗，分析焊接收縮變形對CRDM切割更換的影響，得到如下結(jié)論：

（1）因焊接徑向收縮變形，相比于焊接前，CRDM下部焊縫的外徑普遍明顯縮小，CRDM切割后坡口直徑難以恢復至原尺寸，CRDM標準試件驗證和核電廠CRDM產(chǎn)品實測均存在這種情況。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)分析，焊接收縮導致徑向尺寸縮小，最大可達0.97 mm。

（2）因CRDM接管座坡口外徑縮小，無法恢復至原尺寸，更換新的CRDM部件與下部接管座裝配后，存在明顯錯邊量，導致安裝后組對間隙變大。CRDM標準部件下部焊縫組對間隙為0.04～0.25 mm，采用新的CRDM部件與下部接管座進行裝配，組對間隙為0.3～0.39 mm。建議切割后重新安裝組對間隙為0.04～0.39 mm。針對不同間隙、不同錯邊量下的CRDM再焊接和試驗，經(jīng)過大量宏觀金相和微觀金相分析，焊縫及其鄰近熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)影響焊縫質(zhì)量的異常情況。由于CRDM下部焊縫為密封焊，不作為承壓焊縫，因此具備重新使用的可行性。

（3）將切割后的CRDM耐壓殼坡口進行修復再利用的處理方案，可避免CRDM重新裝配時產(chǎn)生明顯錯變量，但因焊縫切割、坡口加工過程金屬的損耗，也會導致CRDM重新裝配時組對間隙變大，實際間隙大小與CRDM切割刀片厚度、坡口加工精度密切相關(guān)。

（4）考慮CRDM下部接管座無法更換，必須最大限度地降低下部接管座重新加工坡口的風險，接管座需考慮一定的坡口余量，因此建議優(yōu)先選擇采用安裝新的CRDM部件再焊接的技術(shù)方案。若選擇原部件修復，則需采取必要措施以確保CRDM上下部件加工過程中的尺寸控制得當，并慎重評估CRDM原焊縫缺陷對坡口兩側(cè)尺寸的影響。

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收稿日期：2020-04-17

作者簡介：譚文良（1985— ），男，學士，高級工程師，主要從事核電領(lǐng)域金屬管理及研究工作。E-mail：twlemail@sina.com。