核反應堆壓力容器制造工藝及檢測方法論述

耿雪峰

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200333）

引言

核電廠項目在我國啟動較晚，在當時環境條件惡劣，與掌握先進核技術國家交流缺乏，在多年艱苦工作后，我國核電項目迎來了利用核能技術的新紀元。

核電是利用核放熱過程產生熱能和電能，核電由于其消耗資源少、對環境影響小、發生事故的可能性較小，在低碳經濟、綠色經濟呼聲高漲的今天，其相應技術在使用過程中得到了推廣。而在核電的生產過程中，涉及到核生產的安全問題，核承壓設備作為核電生產過程中的主要生產裝置，其制造工藝及安全檢測則成為大家日益關注的問題之一［1］。

核承壓設備主要分為以下幾類：第一是壓力容器，它包括反應堆壓力容器、穩壓器、驅動機構耐壓殼體、交換器、蓄壓水箱、低壓安注水箱、容積控制箱、燃料池冷卻器等；第二是泵，包括反應堆冷卻劑循環泵、噴淋泵、蒸汽發生器應急輔助給水泵、化容系統泵、換料水系統泵、冷卻泵等；第三是閥門，包括噴淋閥、反應堆冷卻劑系統隔離閥、安全殼隔離系統閥門、設備冷卻水系統閥門、乏燃料池冷卻系統閥門等；第四是管道，包括余熱排出系統管線、化容控制系統管線、設備冷卻水系統管線、乏燃料冷卻系統管線等；其他結構還包括堆壓力容器、蒸發器等支撐結構及堆內結構［2－5］。本文主要對核承壓設備中反應堆壓力容器的制造工藝及檢測方法進行論述，在了解核反應堆壓力容器制造工藝及檢測方法的基礎上說明制造工藝及檢測方法的優缺點。

1 核反應堆壓力容器制造工藝概述

核反應堆壓力容器是核電站的關鍵設備，主要用于固定、支撐、包容堆芯和其他堆內構件，在核電廠壽期內不能進行更換。因此，核反應堆壓力容器質量的好壞直接關系到核動力系統能否正常、安全的運行。

核電站使用的反應堆有很多種形式，主要有壓水堆、沸水堆、氣冷堆、重水堆、快堆等。而在結構形式上，因為壓力容器需要包容反應堆中的其他必須設備，因此結構形式可能存在一些差別。但總體來說，核反應堆壓力容器一般是圓筒形厚壁容器，呈立式，由法蘭螺栓聯接。有反應堆容器、頂蓋、緊固密封件三個組成部分。反應堆壓力容器法蘭和容器上封頭通過金屬密封環進行密封，保證生產過程中核原料的密封性［6］。

在我國，核反應堆壓力容器問世始于20世紀50年代初期，伴隨著第一批動力反應堆的問世而出現。核反應堆壓力容器主要有鋼壓力容器和預應力混凝土壓力容器兩大類，其應用范圍根據核反應堆的類型而有所區別。核反應堆壓力容器的制造過程要求較高，因為壓力容器需要滿足大尺寸要求、保證壁厚、加工及裝配的精度要求，同時，在加工過程中還要進行反復檢測以保證壓力容器能夠達到相關密封性等實際生產中的要求。

一般情況下，壓力容器的制造工藝為：原材料驗收—劃線—切割—除銹—機加工—滾制—組對—焊接—無損檢測—開孔劃線—總檢—熱處理—壓力試驗—防腐［7］。

在筒體下料過程中，需要將筒體與封頭對接后進行焊接，需要保證兩者直徑一致。在一般情況下，先對封頭進行加工，在根據加工好后的封頭中徑來確定所需的筒體展開尺寸。保證在制造過程中不出現筒體直徑大于封頭直徑從而帶來無法對接焊接的問題。在焊接的過程中，一般要先焊基層，經過砂輪打磨后再進行過渡層的焊接，最后再焊復層。而在焊接過渡層時，需要采用線能量較小的方式，防止基層中的金屬滲入到復層，使得焊縫產生缺陷。在筒體、管料、板料都下料、加工完成之后，進行部件的裝配及焊接過程，在正式投入使用之前，還需要進行焊縫的無損檢測過程，保證焊接的工藝達到反應堆壓力容器的制造要求。經過焊縫的無損檢測之后，進行壓力容器的氣密性、水壓試驗，這個過程主要是保證生產出來的壓力容器在實際使用過程中不會造成核泄漏，能夠在一定的壓力環境下工作。在以上各個階段都合格之后，對反應堆壓力容器進行表面處理，保證其光滑度、粗糙度達到生產使用的要求，經過以上制造工藝之后，我們就能得到一個合格的核反應堆壓力容器的成品。

2 核反應堆壓力容器檢測方法概述

對任何一種反應容器而言，壓力容器都處于一個很重要的地位。而反應容器就有質量安全性的強制性要求。除了常規性的要求之外，還應該考慮當前物理材料性質的敏感性、可靠性等要求。

核反應堆壓力容器檢測在核電生產過程中是一項很重要的任務。從很大程度上來說，針對鐵磁材料，材料結構的降解與其磁性是聯系在一起的。作為核承壓設備中的關鍵部分，我們要求核反應堆壓力容器有足夠的光滑性、滿足強度要求，同時，在使用過程中不能產生裂紋或者讓反應過程中的核物質外泄。因此，我們需要對核反應堆壓力容器的密封性、強度等性質進行檢測。

在核電站和核動力裝置的檢驗規范及標準中，明確指出對核反應堆壓力容器的檢測方式主要采取無損檢測方式，而方法主要為超聲檢測技術和視頻檢測技術。但是，在實際檢測過程中，由于核反應堆壓力容器體積比較大，而我們需要檢測的對象包括焊縫、交貫面、管道等類型多樣且復雜的對象，因此在檢測過程中應該綜合考慮多種檢測技術，也要考慮檢測方法的可行性和局限性。平時較為常用的檢測方法主要有以下幾種［8］。

2.1 超聲檢測技術

超聲檢測技術是利用聲波通過介質的滲透性反映在示波器上的變化進行檢測判定。由于超聲波在異質界面上會發生反射、折射等現象，且不能通過氣體固體界面。當超聲波傳播到金屬與缺陷處時，如果金屬中有氣孔、裂紋、分層等缺陷或夾雜，就會全部或部分反射。反射波被探頭接收，通過電路處理，在示波器上就顯示出不同高度和有一定間距的波形。可以根據波形的變化特征判斷缺陷在工件中的深度、位置和形狀。

超聲檢測技術所能夠檢測的厚度大且靈敏度高，能夠快速對缺陷進行定位和定量。該技術適用于厚度大于6mm的壓力容器殼體或大口徑接管與殼體的對接焊縫內部缺陷的檢測，較適合于厚度較大的零件檢驗，能確定缺陷的位置和相對尺寸，如板材、復合板材、碳鋼、低合金鋼鍛件、管材、棒材、奧氏體不銹鋼鍛件等承壓設備原材料和零部件、對接焊接接頭、T型焊接接頭、角焊縫以及堆焊層等。但該方法無法檢測表面和近表面的延伸方向平行于表面的缺陷，探傷過程中易受影響，技術難度大而且探傷結果不便于保存，富有經驗的檢驗人員才能辨別缺陷種類。核電廠動力裝置檢測，對于其壓力容器常使用超聲檢測技術進行檢測。

2.2 射線檢測技術

射線檢測利用X射線和γ射線穿過檢測物體時吸收強度的差異反應在感光膠片上的不同來進行判定，被檢測物如果有氣孔、金屬夾渣等缺陷部位，該部位對射線的吸收強度低于無缺陷部位，在感光膠片上會形成黑度較大的陰影，隨即確定其大小和位置。

射線檢測主要適用于金屬材料制承壓設備殼體或接管對接焊縫內部缺陷的檢測。射線檢測包含2種射線源，即X射線和γ射線，而γ射線包括了Se射線、Ir射線、Co射線，其中X射線根據射線源強度劃分，不同強度透照厚度存在差異。一般X射線（300kV）檢測厚度小于等于40mm，X射線（420kV）檢測厚度小于等于80mm，X射線（1～4MeV）檢測厚度范圍為30～200mm，X射線（＞4～12MeV）檢測厚度范圍為50～400mm，X射線（＞12MeV）檢測厚度大于等于80mm，Se－75檢測厚度范圍為10～40mm，Ir－192檢測厚度范圍為20～100mm，Co－60檢測厚度為40～200mm。射線檢測方法可獲得缺陷的直觀圖像，對長度、寬度尺寸的定量也比較準確，檢測結果有底片，可以長期保存。但該方法存在缺點，對體積型缺陷（氣孔、夾渣）檢出率高，對體積型缺陷（如裂紋未熔合類），如果照相角度不適當，容易漏檢，不適宜較厚的工件，不適用于鍛件、管材、棒材、T型焊接接頭、角焊縫以及堆焊層的檢測所，且檢測高、速度慢，同時對人體有害，需做特殊防護。

2.3 磁粉檢測技術

磁粉檢測技術是工業上應用較為廣泛的無損檢測方法之一，磁粉檢測技術是通過金屬材料磁化后漏磁場吸收磁粉形成磁痕來顯示缺陷位置、大小和形狀，有缺陷的地方磁導率降低，磁阻增加，磁力線穿過表面暴露在空氣中形成漏磁場，缺陷越大，漏磁場強度越大，吸收磁粉越多，形成凸起即磁痕。用于核反應堆壓力容器的檢測上，主要是將核反應堆壓力容器置于一個磁場環境，使得壓力容器被磁化，若壓力容器表面存在裂紋等缺陷，磁力線不能通過，只能從缺陷周圍繞過，從而形成局部磁極，再通過在壓力容器表面撒上磁粉的方式，磁粉收到局部磁極的吸引，堆積在局部磁極周圍，就可以很容易看出壓力容器上的缺陷位置以及缺陷的形狀。

磁粉檢測技術用于檢測鐵磁性材料表面及近表面裂紋、折疊、夾層、夾渣等方面，如鐵磁性材料制板材、復合板材、管材、鍛件、鐵磁性材料對接焊接接頭、T型焊接接頭以及角焊縫。磁粉檢測能快速檢測缺陷且靈敏度高，可發現細小裂紋及其他缺陷，但該檢測技術只適用于鐵磁性材料，而且工件的形狀和尺寸有時對探傷有影響。但是磁粉檢測的方式只能用于檢測壓力容器表面或是近表面的缺陷，在檢測壓力容器內部缺陷時則應選用其他檢測方式。

2.4 滲透檢測技術

滲透檢測利用滲透液和顯像劑，在缺陷處顯色來確定表面開口缺陷的未知數、尺寸和形狀。在零件表面噴涂含有熒光或紅色滲透液，液體滲入缺陷，去除后噴涂顯像劑，在光源照射下缺陷處會顯色從而得到檢測。

滲透檢測可有效用于除疏松多孔性材料外的任何種類的材料，如鋼鐵材料、有色金屬材料、陶瓷材料和塑料等材料的表面開口缺陷。隨著滲透檢測方法在壓力容器檢測中的廣泛應用，必須合理選擇滲透劑及檢測工藝、標準試塊及受檢壓力容器實際缺陷試塊，使用可行的滲透檢測方法標準等來提高滲透檢測的可靠性。該方法檢測靈敏度高，缺陷顯示直觀，可檢測的缺陷范圍廣，操作簡單，對形狀復雜的部件一次操作就可大致做到全面檢測。適合大批量工件的檢測，但只能檢測出材料的表面開口缺陷，對埋藏或閉合的表面缺陷無法檢出，不適用于多孔性材料，對工件有污染，而且時間長了顯示痕跡會揮發。

2.5 渦流檢測技術

渦流檢測方法是工業上常用的另一種無損檢測方法，根據壓力容器的形狀和檢測的目的，可選用穿過式、探頭式、插入式三種線圈方式，渦流檢測技術基于電磁感應基礎，利用電磁特性的變化，推算管道壁厚損失情況。該技術利用電磁感應原理，對工件施加交流磁場產生感應渦流，當工件內存在缺陷，缺陷處相當于產生一個等效電流源，在空間產生擾動磁場發生變化，渦流檢測儀根據阻抗變化識別缺陷。

在檢測過程中，渦流線圈不需要直接與壓力容器接觸，檢測過程速度快，自動化程度高。渦流檢測適用于檢測各種導電金屬材料制承壓設備表面和非金屬材料的表面及近表面缺陷，能確定表面及近表面缺陷的位置和相對尺寸。但是，渦流檢測的缺點在于，它無法檢測埋藏較深的缺陷，不適合形狀復雜的工件檢測，不能顯示圖形，無法判斷缺陷形狀，且檢測結果可能會受到材料本身或是周圍環境等其他因素的干擾。渦流檢測主要用于換熱器換熱管的腐蝕狀態檢測和焊縫表面裂紋檢測。遠場渦流檢測對于碳鋼、不銹鋼和鎳合金等鐵磁材料非常有效。

2.6 磁性自適應檢測技術

磁性自適應檢測是近年推出的一種穩健的檢測方法，具有多參數、高靈敏度。磁性自適應檢測的主要優缺點在于該方法基于測量的小型磁滯回線，通過計算，用于表征樣品的磁性描述符。和機械測量可能帶來的破壞性以及渦流測量的結果不一樣，非破壞性的磁性自適應檢測可以得到線性的、低散射值的敏感的相關性。通過對磁性自適應檢測參數的選用，所得的測量結果可能與渦流測量的結果有一些區別。在非破壞性的反應堆壓力容器檢測問題上，使用磁性自適應檢測方法檢測鑄鐵或其他磁性物質的破壞是一種很有前景的檢測方式。

3 核反應堆壓力容器制造工藝及檢測方法存在的問題

針對以上幾個研究方向的一些研究成果而言，在核反應堆壓力容器制造工藝的研究中，由于影響因素較多，不同研究考慮的因素各有側重，今后的研究應多考慮各個因素的影響，綜合實際生產中的各個問題，是制造工藝更加符合實際應用的需求；而在核反應堆壓力容器檢測方法的研究上，由于檢測方法的多樣性，除了對檢測方法的選擇之外，也應該充分考慮實際生產的要求，從而保證檢測的效果。

從制造工藝和檢測方法需求產生以來的實踐表明，制造工藝的分析和檢測方法的不斷豐富都為核反應堆容器的發展起到了促進作用，但由于制造工藝和檢測方法的多樣性，也顯示出在某些方面存在的局限性。如何得到一種更為合適、全面覆蓋的制造工藝及檢測分析方法都將是我們今后研究的課題。

4 結語

核反應堆壓力容器的制造工藝和檢測方法的正確性和有效性通常需要經過實際生產過程進行驗證。現有的核反應堆壓力容器制造工藝能夠滿足現在實際生產的需求。而從檢測方法上看，不同的檢測方式在核反應堆壓力容器的檢測上都有相應的優勢。但我們還應該充分考慮實際生產中的眾多影響因素，從而找出更加合適、更能滿足生產需求的檢測方法。

經過四十多年的發展，核承壓設備的制造工藝和檢測方法都有了很大的進步，各個檢測方式也更加成熟。實踐證明，在分析核承壓設備中的核反應堆壓力容器問題上，以上檢測方法有著一定的優越性。但是，不可否認，它們也存在一些局限，這些都需要在以后的研究工作中不斷改進。

［1］ 郭君.核反應堆壓力容器的大件運輸方案設計［D］.大連：大連海事大學，2003.

［2］ 王莉莉，陳書貴.應用退火工藝延長核反應堆壓力容器的使用壽命［J］.大型鑄鍛件，1994（1）：10.

［3］ 蔣曉華.反應堆壓力容器下封頭三維流場計算［J］.核動力工程，2002（2）：49－53.

［4］ 吳祖乾，顧永康.核反應堆壓力容器主焊縫和不銹鋼堆焊層特殊性能研究［J］.壓力容器，2000（5）：15－22.

［5］ 李潤方，林騰蛟.反應堆壓力容器局部三維冷熱態密封分析［J］.機械工程學報，1993（6）：104－108.

［6］ 陳書貴.核電站反應堆壓力容器用鋼和制造工藝［J］.大型鑄鍛件，1994（2）：25－34.

［7］ 劉洪杰.核電站核承壓設備用鋼剖析［J］.東方鍋爐，2008（4）：23－27.

［8］ 鄭斌，臧峰剛，孫英學.反應堆壓力容器承壓熱沖擊分析研究［J］.核動力工程，2012（1）：1－3.