王旭

中國核電江蘇核電有限公司技術(shù)支持處 江蘇連云港 222000

1 概述

俄羅斯對臺WWER-1000型核電機(jī)組大修期間在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）耐壓殼頭部變徑區(qū)域發(fā)現(xiàn)存在穿透性裂紋，其控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)型號為俄羅斯水壓設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)制造的ShEM-3型。作為重要經(jīng)驗(yàn)反饋，結(jié)合缺陷產(chǎn)生原因分析，對同為WWER-1000型機(jī)組的國內(nèi)某核電站四臺機(jī)組耐壓殼同類型缺陷產(chǎn)生的可能性進(jìn)行分析，并對耐壓殼檢查方案進(jìn)行了研究。

2 ShEM-3型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)介紹

ShEM-3型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)主要包括電磁組件、移動(dòng)組件、驅(qū)動(dòng)桿、步長位置指示器和耐壓殼。其結(jié)構(gòu)分為單墊圈結(jié)構(gòu)和雙墊圈結(jié)構(gòu)兩種類型，區(qū)別主要在于結(jié)構(gòu)尺寸和密封形式上。單墊圈結(jié)構(gòu)的耐壓殼頭部與位置指示器連接并密封，密封墊圈位于耐壓殼頭部凸肩上方，如圖1所示；雙墊圈結(jié)構(gòu)的耐壓殼頭部與移動(dòng)組件連接，上方的套筒對其壓緊并密封，移動(dòng)組件頭部與位置指示器法蘭連接并密封，密封墊圈分別位于耐壓殼頭部凸肩和位置指示器法蘭，如圖1所示。

圖1 單個(gè)墊圈的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

耐壓殼由法蘭段（下部）、直管段（中部）和套筒（上部）三段焊接組成，套筒材料為ХН35ВТ-ВД合金（類似于我國的1Cr15Ni36W3Ti），直管段和法蘭段的材料為08Cr18Ni10Ti不銹鋼。兩種類型的耐壓殼結(jié)構(gòu)尺寸也存在差異，單墊圈型的耐壓殼頭部內(nèi)徑為兩段式（φ107-φ97mm），而雙墊圈型的耐壓殼頭部內(nèi)徑則改為三段式（φ107-φ101-φ97mm）。俄羅斯發(fā)現(xiàn)存在裂紋顯示的耐壓殼均為單墊圈型ShEM-3型CRDM。

3 缺陷描述及原因分析

3.1 缺陷描述

耐壓殼缺陷產(chǎn)生的大部分位置在頭部套筒內(nèi)部φ97-φ107mm的變徑區(qū)域，曲率半徑為R0.4mm的圓弧過渡段，還有少數(shù)發(fā)生在筒體內(nèi)表面，如圖2所示。該部位處于一回路壓力邊界以內(nèi)，它的失效直接導(dǎo)致了一回路冷卻劑的泄漏。

圖2 耐壓殼頭部缺陷產(chǎn)生位置示意圖

3.2 缺陷原因分析

對耐壓殼缺陷區(qū)域進(jìn)行金相觀察發(fā)現(xiàn)，缺陷主要起源于與套筒凸臺相對的較大壁厚的圓弧過渡段，之后向較小壁厚的圓弧過渡段擴(kuò)展，同時(shí)沿壁厚擴(kuò)展，最終形成穿透裂紋。裂紋擴(kuò)展途徑為沿晶開裂，如圖3所示。

圖3 耐壓殼缺陷擴(kuò)展形態(tài)

耐壓殼屬于一回路壓力邊界，直接與一回路冷卻劑接觸，運(yùn)行溫度約270°，運(yùn)行壓力為15.7MPa。在一回路壓力的作用下，耐壓殼頭部R=0.4mm的過渡區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中；另外，高硬度的XG35BT-BД合金在機(jī)械加工過程中，在變徑區(qū)域容易產(chǎn)生微觀表面缺陷，導(dǎo)致附加的微觀應(yīng)力集中。

耐壓殼頭部區(qū)域?yàn)椴馁|(zhì)XG35BT-BД屬于高鎳合金。高鎳合金較容易產(chǎn)生的位錯(cuò)橫向滑移使得位錯(cuò)可以越過整個(gè)晶粒到達(dá)晶界，而晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。因此，位錯(cuò)在晶界處不斷的聚集塞積，導(dǎo)致應(yīng)力集中進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋。

高鎳合金在水溶液中形成可溶化合物（Cr,Fe）（OH）2+和活性的六價(jià)Cr，替代惰性的低溶解型的（Cr,Fe）（OH）2+，在裂紋邊緣形成活性通道，水溶液與外部介質(zhì)形成質(zhì)量交換，帶走溶解的金屬，導(dǎo)致裂紋的加速擴(kuò)展。同時(shí)，水中的溶解氧降低了金屬融入溶液的電勢差，促進(jìn)了裂紋縫隙內(nèi)金屬的溶解，也促進(jìn)了腐蝕裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。

綜上分析可知：在IGSCC敏感材質(zhì)、拉應(yīng)力（包括工作應(yīng)力以及殘余應(yīng)力）、一回路水化學(xué)環(huán)境以及溶解氧等多重因素的綜合影響下，耐壓殼頭部區(qū)域產(chǎn)生了晶間應(yīng)力腐蝕，并造成腐蝕裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，最終形成貫穿性裂紋。

4 國內(nèi)同類型機(jī)組耐壓殼應(yīng)力腐蝕開裂的可能性分析

4.1 雙墊圈型CRDM耐壓殼結(jié)構(gòu)分析

國內(nèi)某兩臺同類型機(jī)組采用了雙墊圈型CRDM，如圖4所示。雙墊圈型耐壓殼與單墊圈型的差異主要有以下幾個(gè)方面：

圖4 帶雙墊圈的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

耐壓殼頭部區(qū)域采用三段式設(shè)計(jì)，即：φ97mm-φ101mmφ107mm；

第一處密封墊圈直接位于φ101mm-φ107mm的臺階上；

耐壓殼頭部的環(huán)形空間沿軸向的長度較短；

以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變化所產(chǎn)生的結(jié)果是：雙墊圈型耐壓殼頭部圓弧過渡區(qū)域只存在較低的拉應(yīng)力；環(huán)形空間長度的縮短致使在該區(qū)域所聚集的空氣總量明顯降低；同時(shí)，由于密封墊圈直接位于φ101-φ107mm的臺階上，因此一回路冷卻劑基本無法與該圓滑過渡段直接接觸。

因此，雙墊圈型CRDM耐壓殼結(jié)構(gòu)對拉應(yīng)力、水化學(xué)、溶解氧等因素都得到了有效的制約，從缺陷產(chǎn)生機(jī)理上來看，發(fā)生IGSCC的可能性很小。

4.2 改進(jìn)型單墊圈CRDM耐壓殼結(jié)構(gòu)分析

國內(nèi)另外兩臺同類型機(jī)組耐壓殼在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小機(jī)組運(yùn)行過程中的泄漏概率以及縮短解體工期，仍采用了單墊圈密封的形式。但耐壓殼頭部區(qū)域采用了08Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼材料作為替代，該種材料對晶間應(yīng)力腐蝕的敏感性很低。另外，耐壓殼頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，φ97mm-φ107mm變徑區(qū)域采用了R=4mm的圓滑過渡，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有效降低了應(yīng)力集中。

因此，改進(jìn)型單墊圈耐壓殼從設(shè)計(jì)上解決了材質(zhì)對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性以及應(yīng)力集中的問題，發(fā)生IGSCC的可能性很小，這一點(diǎn)也被國外同類型機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)。

5 耐壓殼渦流陣列檢查方法研究

為了更好的監(jiān)督耐壓殼應(yīng)力腐蝕開裂情況，提高無損檢驗(yàn)的可靠性，國內(nèi)同類型核電機(jī)組除了對耐壓器頭部實(shí)施目視和液體滲透檢驗(yàn)外，還研究采用渦流陣列技術(shù)對耐壓殼頭部區(qū)域?qū)嵤z驗(yàn)。

5.1 渦流探頭的選擇與設(shè)計(jì)

耐壓殼缺陷多發(fā)區(qū)域?yàn)轭^部變徑位置，該區(qū)域結(jié)構(gòu)所引起的邊緣效應(yīng)和提離效應(yīng)對常規(guī)點(diǎn)式渦流探頭信號影響較大，邊緣及提離信號會(huì)對缺陷信號產(chǎn)生干擾，甚至將缺陷信號淹沒在干擾信號中，導(dǎo)致無法對缺陷信號有效識別。

而渦流陣列探頭的激勵(lì)線圈與檢測線圈之間可以形成兩種方向垂直交互的電磁場傳遞，有利于發(fā)現(xiàn)不同取向的線性缺陷，且容易克服邊緣效應(yīng)和提離效應(yīng)的影響，因此采用陣列技術(shù)對耐壓殼頭部區(qū)域?qū)嵤z驗(yàn)是良好選擇。

根據(jù)耐壓殼頭部內(nèi)表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工了與檢查區(qū)域相配合的仿型陣列探頭，該陣列探頭由40個(gè)直徑為2.5mm、頻率50-800KHz的線圈分兩組縱向分布，可實(shí)現(xiàn)耐壓殼頭部兩個(gè)臺階區(qū)域以及臺階上下各10mm筒體內(nèi)表面的全覆蓋，如圖5所示。

圖5 渦流陣列探頭及檢驗(yàn)區(qū)域示意圖

5.2 陣列渦流檢測能力試驗(yàn)

參考ASME規(guī)范相關(guān)要求，對非磁性金屬板或弧面檢驗(yàn)對象的靈敏度要求為能檢出6mm長×0.25mm寬，深度最小為0.25mm的槽型人工缺陷。為了驗(yàn)證渦流陣列技術(shù)的檢測能力，制作了帶人工缺陷的驗(yàn)證試塊。試塊人工缺陷設(shè)置如下：

一個(gè)內(nèi)表面上覆蓋整個(gè)檢驗(yàn)區(qū)域的縱向槽，用于驗(yàn)證所有線圈信號的激勵(lì)和接收性能以及進(jìn)行標(biāo)定；

一個(gè)內(nèi)表面與軸向呈45°夾角覆蓋整個(gè)檢驗(yàn)區(qū)域的斜槽，用于驗(yàn)證各渦流線圈激發(fā)時(shí)序的正確性；

三組內(nèi)不同深度的軸向和周向槽，長6mm，寬0.25mm，最小深度為0.25mm，用于驗(yàn)證內(nèi)表面軸向和周向線性缺陷檢驗(yàn)?zāi)芰Γ?/p>

分別位于φ101mm-φ107mm和φ97mm-φ101mm臺階根部的周向槽，長6mm，寬0.25mm，深度為0.25mm，用于驗(yàn)證變徑區(qū)域裂紋性缺陷的檢驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

經(jīng)過對上述人工缺陷檢驗(yàn)，陣列渦流檢驗(yàn)技術(shù)對耐壓殼筒體內(nèi)表面、變徑區(qū)域的槽型人工缺陷均可有效檢出。

6 結(jié)語

①ShEM-3單墊圈型CRDM耐壓殼頭部區(qū)域缺陷產(chǎn)生原因是ХН35ВТ-ВД高鎳合金在一回路水化學(xué)環(huán)境、溶解氧以及拉應(yīng)力等多重因素的綜合作用下，在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生的晶間應(yīng)力腐蝕開裂。②采用雙墊圈型CRDM的耐壓殼可對IGSCC產(chǎn)生誘因進(jìn)行有效制約，而改進(jìn)型的單墊圈CRDM耐壓殼則從設(shè)計(jì)上解決了材質(zhì)對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性以及應(yīng)力集中的問題。因此其發(fā)生IGSCC的可能性很小。③渦流陣列檢驗(yàn)對耐壓殼裂紋性缺陷具有較高的檢出靈敏度，該技術(shù)的開發(fā)及現(xiàn)場應(yīng)用可進(jìn)一步提高檢驗(yàn)的可靠性。