CPR1000蒸汽發生器管子-管板焊縫的γ射線檢測及其氣孔缺陷形成原因

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(中廣核工程有限公司，深圳 518124)

蒸汽發生器是核電廠一回路的關鍵設備，管子-管板焊縫(以下簡稱“管板焊縫”)的失效關系到核電廠的安全可靠運行，以及一次側放射性載熱介質的泄漏。管子-管板結構是通過脹接來保證整體強度的，管板焊縫主要實現密封性能，該類焊縫不僅焊喉尺寸小，且對焊接過程和相關制造環節清潔度的要求極高，是蒸汽發生器中最薄弱的結構。在制造現場的水壓試驗階段，曾發生過蒸汽發生器管板焊縫滲漏的事件(見圖1)。產生滲漏的主要原因可能是焊縫中存在貫穿型氣孔缺陷，或者是氣孔在水壓介質的壓力作用下發生貫穿而引起滲漏，造成管板焊縫失效。

Ir192 γ射線檢測技術是目前核電蒸汽發生器管板焊縫氣孔缺陷的主要檢測手段。經射線檢測，發生滲漏的管板焊縫均存在一定當量尺寸的氣孔缺陷。

圖1 管子-管板封口焊縫滲漏現場

1 管板焊縫γ射線檢測技術

1.1 管板焊縫結構及形貌

CPR1000蒸汽發生器傳熱管直徑(φ19.05 mm)小，管壁薄(1.09 mm)，管子-管板焊縫采用了齊平式接頭結構(見圖2)[1]。選用不填絲鎢極氬弧焊工藝，通過鎢極熔化傳熱管和管板堆焊層的方式進行管板焊縫的焊接，其焊縫寬度為3～4 mm，焊喉約為1 mm，管板焊縫金相檢驗結果如圖3所示。該類焊縫的結構特性決定了需要采用特殊的射線透照檢測工藝才能有效檢出氣孔類缺陷。

圖2 齊平式接頭結構示意

圖3 管板焊縫金相檢驗結果

1.2 管板焊縫γ射線檢測透照布置

基于管板焊縫的結構特點，需要制作高精度的檢測工裝(見圖4)，以6 mm厚的鋁板作為背散射屏蔽板，2 mm厚的不銹鋼板作為工件與膠片之間的濾光板。為了提高檢測效率，濾光板與背散射屏蔽板匹配管板焊縫位置配鉆了多個小于焊縫內徑(約φ16 mm)的檢測用通孔，這樣可在一張膠片上依次完成多個焊縫的透照。

圖4 管板焊縫檢測工裝外觀

此外，在濾光板上面與檢測孔等同圓心刻一個環槽，環槽直徑范圍可由檢測方根據實際焊縫寬度確定。焊縫邊緣在底片上的投影，應位于濾光板環槽在底片上的投影范圍之內，用于確定焊縫評定投影的外周位置。將兩個分別位于刻槽“時鐘12”和“時鐘9”位置的φ1.5 mm通孔作為時鐘定位標記，以確定缺陷方位。濾光板與背散射屏蔽板配鉆的固定孔應與管孔和管板位置匹配，以確保檢測孔與管孔圓心保持一致。

膠片打孔可與濾光板檢測孔的分布、數量、直徑等同，應采用措施避免膠片受到白光曝光。采用同一張底片對不同的管板焊縫逐一進行檢測時，應通過工藝驗證確保相鄰焊口的曝光不會產生相互干擾。工藝驗證時，核查已曝光焊縫周圍的未曝光焊縫評定區域的黑度，以黑度不大于0.3為基準來判定是否產生干擾，如有干擾，應考慮將間隔較遠的孔一起透照。

采用射線源由內向后透照的方式，考慮焊縫影像畸變、幾何不清晰度和曝光時間等因素，通常選擇焦點尺寸為φ0.5 mm×0.5 mm(直徑×高度)的Ir192源，焦距控制在18～30 mm范圍內，曝光時間一般不小于30 s。典型透照布置示意如圖5所示。

圖5 管板焊縫典型透照布置示意

透照時不使用各種類型的像質計，而是采用1∶1模擬的焊縫靈敏度鑒定試樣，間隔90°在焊縫中心表面制作(長×寬)0.5 mm×0.5 mm的孔，以底片是否能清晰識別4個小孔的影像來判定底片靈敏度的符合性，管板焊縫靈敏度鑒定試樣外觀及小孔影像如圖6所示。目前采用的檢測技術能夠有效識別靈敏度試樣上的小孔。

圖6 管板焊縫靈敏度鑒定試樣外觀及小孔影像

1.3 管板焊縫投影位置的確定和評定

管板焊縫在射線底片上的投影位置，除了用濾光板上的環形槽確定外，也可以通過靈敏度鑒定試樣上位于焊縫寬度中心小孔的投影位置來確定，或者通過其他可能的方式確定焊縫投影的邊緣和位置。按照試驗確定的焊縫投影位置對底片進行評定，評定時并不需要考慮管板焊縫邊緣的熱影響區影像。

2 氣孔缺陷主要位置及產生原因分析

2.1 焊喉長度和泄漏通道結構

焊喉(用a表示)是焊縫根部到熔敷金屬外表面的最短距離，應對其最小長度作出限制(比如RCC-M《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》就要求單個焊喉a>0.66e，e為傳熱管壁厚)；泄漏通道長度(用l表示)通常指從焊縫根部穿過缺陷后到熔敷金屬外表面的距離，最小泄漏通道l-∑di>0.66e(di為氣孔直徑)。焊喉長度和泄漏通道結構示意如圖7所示。

圖7 焊喉長度和泄漏通道結構示意

在判定缺陷時，基于泄漏通道結構和缺陷的危害程度，按照其可能造成危害的概率將焊縫截面劃分為A,B,C,D 4個位置區域(見圖8，9)。結合缺陷危險程度分區示意和熔敷金屬界面金相檢驗結果可以看出，缺陷位于A區和B區時，最小泄漏通道最短，這兩個區域如存在氣孔缺陷，潛在的泄漏風險最大。

圖8 缺陷危險程度分區示意

圖9 熔敷金屬界面金相檢驗結果

2.2 氣孔缺陷分布位置及分析

管板焊縫在制造過程中出現氣孔主要與清潔度的控制不嚴相關，如管子與管板的緊密接合面無法再進行有效清理時；管板焊縫在返修過程中也可能出現新的氣孔，這與管子端口機械脹區域間隙中的空氣在返修焊接過程中，因受熱膨脹后只能從一次側及焊接熔池方向逸出有關。

通過分析某工程案例中氣孔位置的分布規律發現，底片上影像直徑超過1.5 mm的氣孔缺陷基本位于危險的B區域，即泄漏通道位置處，且大部分帶有尾巴，或一部分邊界不清晰但有明顯拉長的傾向，其在焊縫厚度或寬度方向上有一定的方向性或尺寸，這基本上是從焊縫根部產生的氣孔，需要清除到焊縫根部才能完整去除缺陷；影像直徑不大于1.0 mm的氣孔缺陷，其影像總體上方向性不強，邊界相對比較清晰，大部分缺陷同樣也是位于B區域泄漏通道位置處，部分缺陷向內或向外位置不固定，但在清除缺陷過程中可能觀察不到實際氣孔的存在。

根據管板焊縫氣孔清除的工程經驗，氣孔在平面方向上可識別的最大直徑基本不會大于1 mm，但由于氣孔位于最危險的泄漏通道區，管板焊縫仍存在較大的失效風險。

2.3 驗收標準調整

通過在制造過程中嚴格控制管子和管板的母材品質，并在深孔鉆、穿管、脹接、封口焊實施等工序保證高標準的清潔度，以確保蒸汽發生器管板焊縫的質量合格。對不同分區或不同焊工班次的焊縫進行射線檢測時，按照一定比例進行抽檢，其最主要的目的是監控焊接工藝及其管板焊縫品質的穩定性，而不是量化判定氣孔缺陷的符合性。但抽檢過程中如發現較為嚴重(具體尺寸參考設計技術要求和經驗反饋)的氣孔缺陷，應根據氣孔位置、數量和尺寸進行適當比例的補充檢測，如擴大檢測范圍后仍發現較大數量的氣孔缺陷，可以考慮對管板焊縫進行100% 射線檢測。

根據CPR1000蒸汽發生器管板焊縫滲漏的工程案例，結合事件處理過程中氣孔缺陷與滲漏關聯情況的研究和分析，對射線檢測氣孔影像尺寸的驗收標準進行了優化和調整。從目前蒸汽發生器管板焊縫的控制結果來看，調整后的驗收條件兼顧了質量管控和經濟效益，CPR1000蒸汽發生器管板焊縫γ射線檢測驗收標準及調整后的驗收標準如表1所示。

表1 CPR1000蒸汽發生器管板焊縫γ射線檢測驗收標準及調整后的驗收標準

3 優化檢測工藝的措施

通過對管板焊縫γ射線檢測工藝及技術特點的分析，結合工程實踐上檢測工藝優化和底片缺陷識別的經驗反饋，針對類似蒸汽發生器或其他換熱設備管板焊縫的射線檢測，提出了以下優化措施。

(1) 為了提高底片的靈敏度，確保射線源輸送時間與總曝光時間的比值盡可能的小，建議使用C2類膠片系統，并使用真空包裝的膠片系統。

(2) 有效評定區域黑度，從A區到D區的黑度是逐漸減小的，A區和B區的黑度宜控制在3.0～4.0之間。

(3) 應采用帶標尺的5倍左右(最大不超過10倍)的圓筒放大鏡進行輔助底片評定和缺陷分析，提高氣孔缺陷當量尺寸評定的精度，減小缺陷評定過程中人為因素的影響。

4 結語

從部分CPR1000工程案例相關的蒸汽發生器管板焊縫射線檢測結果可看出，γ射線檢測是檢測焊縫內部氣孔缺陷相對可靠的無損檢測手段，但由于該檢測技術具有焦距小、焊縫影像畸變大的特點，不能準確判定氣孔缺陷的實際形貌和尺寸，而且對根部的微小不連續等缺陷的檢測沒有實際應用意義。因此，不能將射線檢測作為檢測氣孔的唯一手段，應考慮結合目視檢測和滲透檢測的結果對氣孔進行綜合性判定。

參考文獻:

[1] 中廣核工程有限公司.核電廠核島主設備制造焊接質量及其控制[M].北京：中國電力出版社,2013：237.