核電站蒸汽發生器安全端焊縫射線檢測技術

趙 磊,曹志軍,葉 峰,王佳旭,梅義俊,張鐵輝

(中廣核檢測技術有限公司,蘇州 215004)

根據國家核安全法規HAF0302《核電廠在役檢查》的要求,核電站各組成部分的部件及設備在安裝與整機調試后,需對核島內的部件、設備以及系統進行一次全面檢查,以確定其狀態是否正常。這一全面檢查活動稱為投入運行前的第一次全面檢查,即役前檢查。

役前檢查結果提供初始狀態下的數據,可與核電站設備制造廠提供的部件制造階段所得的檢查記錄進行比較,還可作為技術檔案保存,為核電站設備的在役檢查提供原始資料和比較依據。

1 射線檢測的技術要求

核島機械設備的役前射線檢測主要針對主回路系統的壓力邊界,包括反應堆壓力容器安全端焊縫、蒸汽發生器水室冷、熱端安全端焊縫、上封頭與筒體連接焊縫、波動管與下封頭連接焊縫、上封頭接管安全端焊縫、一回路壓力邊界輔助系統管道中抽查使用因子＞0.4的焊縫以及核島內外的二級或三級部件等。

核電站役前及在役射線檢查中,普遍采用γ源進行透照。這是因為與X射線相比,使用γ源透照可以縮短曝光時間,從而減少工作人員在役檢查時的受照劑量。另外,核電站一回路壓力邊界設備接管焊縫以及輔助管道的抽查焊縫全部在反應堆安全殼內,管道安裝布置非常緊湊,而γ源具有比活度高、焦點小和源頭尺寸小等優點,可更方便地對核島內部部件進行透照。

核電站射線檢測常用的γ源主要有192Ir與60Co。對于蒸汽發生器安全端接管焊縫的射線檢測,主要采用192Ir源進行,其技術要求如下：

(1)射線源的選擇首先應滿足幾何不清晰度要求,其次源強需要滿足檢驗效率的要求。幾何不清晰度按式Ug=dl/(f-l)計算,式中d為射線源的尺寸;l為射線入射表面到膠片的距離;f為源至膠片的距離。一般情況下,焊接接頭的幾何不清晰度≤0.3mm。由此,確定源的尺寸為 φ2.0mm×2.0mm。

(2)采用雙膠片技術,雙底片評片時黑度范圍為2.7～4.5,單底片評片時黑度范圍為2.0～4.0。

(3)工件與膠片之間放置厚度為2.0mm的鉛濾光板,在其一個角上鉆有兩個φ3mm的孔,并加以標示,當底片上的缺陷可能來自濾光板時便于解釋和查找。

(4)在暗盒背面使用厚度為2.0mm鉛板作為背屏,遮擋屏蔽散射線,防止背散射引起底片靈敏度下降。

(5)所用増感屏材質為鉛,其組合形式為前屏=后屏=0.2mm,雙面中屏,屏厚2mm×0.1mm。

(6)像質計采用材質為低合金鋼的階梯孔型像質計。

(7)用等分圓周法制作數字標記帶,并保證數字標記在每張底片上居中,且距離底片左右兩端大約25mm,此區域保證了底片搭接距離的要求。數字標記帶布置在環焊縫熱影響區的邊界,距離焊縫邊緣大約12mm左右,標記帶的零點與焊縫上的永久標記起點對齊。

2 蒸汽發生器安全端焊縫射線檢測技術要點

2.1 透照部位結構介紹

在壓水堆核電站中,蒸汽發生器是一回路冷卻劑從反應堆獲得的熱能傳給二回路工質使其變為蒸汽的熱交換設備,具有尺寸大、重量大、制造復雜的特點。蒸汽發生器主要由下封頭、管板、U形管束、汽水分離裝置及筒體組件等組成。

筆者主要討論蒸汽發生器下封頭水室冷、熱端安全端接管焊縫的射線檢測技術。蒸汽發生器屬于承受高壓的部件,其下封頭為球形封頭(圖1),兩側分別設有冷卻劑進、出口管嘴和兩個人孔,開孔面積大概為45%。

圖1 蒸汽發生器下封頭結構

對于蒸汽發生器安全端接管焊縫的射線檢測采用中心透照法。首先,將射線檢測工具架由人孔送入,到達管嘴的安全端接管處待檢部位并固定,再將射線源通過工具架導入,對被檢部位進行曝光。

以水室的熱端安全端接管焊縫為例,對透照部位的主要結構進行介紹。管嘴從蒸汽發生器出來后,經過兩段焊縫,如圖2所示,首先經過安全端異種金屬焊縫,材質為 16MND5/Z2CND18.12N,坡口形式為U型。再經過安全端同種金屬焊縫,材質為Z3CN20.09M/Z2CND18.12N,坡口形式也為U型。

圖2 主管道接管焊縫示意圖

2.2 射線檢測工具架的設計

如何將γ射線源準確、安全地送至被拍攝部位,涉及到輔助機械設備(工具架)的設計。蒸汽發生器下封頭分為冷室和熱室,每個室都有一個冷卻劑口和人孔。射線檢測的工具架需要從人孔進入水室,并穿過水室到達安全端接管焊縫的位置。

因為需要透照同種金屬焊縫及異種金屬焊縫,所以源的移動與移動后的準確定位至關重要。蒸汽發生器安全端接管焊縫的射線檢測部位主要有三處,分別是同種金屬焊縫、異種金屬焊縫以及異種金屬焊縫的預堆邊(圖2)。因為192Ir源是通過導源管被送至源頭處,所以只需設法將源頭的位置對準被透照部位即可。工具架的主體可設計為中空的套管,導源管能在其內部自由伸縮。但是導源管在工具架內部,不能確定其位置究竟在何處,而且如果在內部直接照射,會因為透照厚度的改變(受管壁厚度與材料種類的影響)而影響透照時間等。

考慮以上因素,將工具架主體設計為套管形式。前端套管可使導源管的源頭通過并將套管頂住,所以只需設法移動前端套管,即可實現源頭的準確定位。

另外,由于蒸汽發生器的結構特點及核電I級設備的特殊性,在將工具架裝入蒸汽發生器內部的過程中,嚴格注意不能觸及蒸汽發生器的內壁,避免對其內部造成刮傷或劃傷。因此工具架的安裝人員要操作熟練,同樣工具架的重量不能過重,以免增加操作安裝人員對工具架進行控制的難度。

2.3 在役射線檢查技術探討

以上介紹的工具架能夠滿足役前射線檢查的要求,但是若要將該設備用于在役檢查,為了減少工作時間,降低工作人員的受照劑量,筆者認為還需在以下幾個方面作出改進：

(1)工具架的重量需要減輕。因為在役檢查的過程中,為了降低集體劑量,不可能安排過多的工作人員安裝工具架,所以應設法減輕工具架的重量,使2～3名工作人員即可快速完成工具架的安裝。

(2)采用現有的方法對工具架進行控制,雖然準確性高,但是傳動速度較慢,從而增加了在高劑量區的工作時間。應采取更加合適的控制方法,使工具架的調節速度和精度都能達到要求。

(3)安裝人員的操作熟練程度需要提高。提高熟練程度的目的一是為了提高工具架的安裝速度,以減少在役檢查時所受的輻照量,二是不碰觸蒸汽發生器的內壁,避免對蒸汽發生器內壁造成劃傷。

3 結語

以上介紹的射線檢測技術與常見的射線檢測不同,不僅對底片的質量有嚴格的要求,而且,還需考慮在“不可視”條件下如何實現源的移動與準確定位。考慮γ源檢測的特點與現場的實際情況,筆者所在單位設計了用于蒸汽發生器安全端焊縫射線檢測的輔助設備,對嶺澳核電站3號機組蒸汽發生器安全端焊縫進行了實際的役前檢查。實踐證明,設備完全滿足役前射線檢查的要求,透照出的底片清晰地反映出了被檢焊縫的影像,并且黑度與像質計靈敏度等均滿足相關標準的要求。但是,對于蒸汽發生器安全端焊縫的在役射線檢查,為了盡量降低工作人員的受照劑量,所研制設備還有待改進之處。

由此可見,射線檢測并不是簡單的曝光量計算與放源、收源工作,對于結構復雜的部件,同樣需要機械控制甚至電氣控制等輔助設備進行配合,射線無損檢測技術正在一步步地邁向自動化與現代化。

[1]強天鵬.射線檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社,2007.

[2]周大禹.恰?，?00MW核電站役前γ射線檢驗[J].無損檢測,2001,23(11)：499-501.

[3]夏煥澄,孫凱,劉彧.嶺澳核電站γ射線探傷工藝改進[J].吉林電力,2004(2)：24-26.