核電廠圍板螺栓裂紋的失效分析與超聲檢測

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(1.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，深圳 518124； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，威海 264200)

2010年10月，國外某電廠在堆芯下柵格板的檢查中發(fā)現(xiàn)幾個位置存在碎片，經(jīng)過查找，確定這些碎片來自圍板螺栓防松插銷和圍板螺栓頭部位，圍板螺栓是圍板和成型板的緊固件，是堆芯吊籃下部內(nèi)部構(gòu)件的一部分(見圖1)。

圖1 堆芯吊籃下部內(nèi)部構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意

圖2 圍板螺栓結(jié)構(gòu)示意

該反應(yīng)堆壓力容器的圍板螺栓為347不銹鋼圍板連接螺栓，其螺栓頭為內(nèi)六邊形，點(diǎn)焊了緊固銷作為防松部件(見圖2)。在2009年3月進(jìn)行的換料大修期間，對所有的圍板螺栓進(jìn)行了VT-3(結(jié)構(gòu)完整性檢查)，發(fā)現(xiàn)沒有異常顯示。在緊接下來的燃料循環(huán)檢查周期中，發(fā)現(xiàn)了松動部件和燃料泄漏。在反應(yīng)堆270°方位的大型圍板附近發(fā)現(xiàn)了一組外圍的燃料組件泄漏。在移出堆內(nèi)構(gòu)件后的目視檢查中發(fā)現(xiàn)，在堆芯下柵格板上有圍板螺栓和插銷碎片，于是后續(xù)進(jìn)行了局部圍板螺栓的替換。

Cook Unit 2(4環(huán)路壓水堆核電站)在處理圍板螺栓缺陷的過程中，主要使用的無損檢測方法為水下電視檢查，即通過目視檢查表面情況，確定需要更換螺栓的范圍和數(shù)量，用316不銹鋼冷加工的螺栓替換有缺陷的螺栓，新安裝的螺栓在防松結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)。

1 失效原因分析

反應(yīng)堆圍板螺栓作為堆芯內(nèi)連接圍板和輻板的關(guān)鍵緊固件，在長期接受堆芯輻照和應(yīng)力載荷的情況下容易產(chǎn)生裂紋，最終形成螺栓斷裂，螺栓頭掉落及緊固銷焊縫裂紋外觀如圖3所示。失效的根本原因主要有：輻照產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕；失去預(yù)緊力；熱脆化和輻射脆化導(dǎo)致的螺栓材料退化；高周疲勞、過載；穿過圍板的穩(wěn)態(tài)壓力梯度。

在壓水堆(PWR)中，堆芯部件圍板連接螺栓的材料是奧氏體不銹鋼，其長期處于強(qiáng)中子輻照區(qū)域。當(dāng)輻照超過一定限值后，應(yīng)力水平很低，但由于輻照過程中的缺陷、相轉(zhuǎn)變、晶界偏析以及應(yīng)力變化等因素的影響，材料的塑性逐步消失，輻照促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生[1]。

圖3 螺栓頭掉落及緊固銷焊縫裂紋外觀

2 國內(nèi)機(jī)組反饋比較與分析

Cook Unit 2的額定功率為1 020 MW，于1975年開始商運(yùn)，圍板螺栓失效事件發(fā)生在2010年。大亞灣、嶺澳及嶺澳二期核電站均為3環(huán)路百萬千瓦級壓水堆核電站，最早于1994年開始商運(yùn)，目前圍板螺栓沒有出現(xiàn)過反饋事件中的失效案例。

Cook Unit 2的材料為347不銹鋼，大亞灣核電站圍板螺栓使用的Z6CND17-12(成分相當(dāng)于316不銹鋼)對比347不銹鋼和316不銹鋼，同屬于奧氏體不銹鋼，均存在輻照應(yīng)力腐蝕開裂的老化機(jī)理;相比347不銹鋼，316不銹鋼在成分中提高了鉬、鎳元素的含量，從而提高了金屬的抗腐蝕性能。

同時，應(yīng)力分析報告中計算的6臺機(jī)組圍板螺栓的累計疲勞使用因子(CUF)大于1(正常值應(yīng)小于1)，建議定期進(jìn)行檢查。

Cook Unit 2電站在換料大修期間執(zhí)行的預(yù)防性檢查為目視檢查。大亞灣核電站在10年換料大修期間，對圍板螺栓進(jìn)行了目視檢查。

截至目前，圍板螺栓的目視檢查沒有發(fā)現(xiàn)異常，但據(jù)反饋，在2009年3月，Cook Unit 2換料大修期間，同樣對圍板螺栓進(jìn)行的目視檢查也沒有發(fā)現(xiàn)任何顯示；在2010年10月，發(fā)現(xiàn)了圍板螺栓的斷裂。反饋信息說明，目視檢查只能觀察到圍板螺栓、緊固銷及焊點(diǎn)的表面狀況，而無法確定圍板螺栓內(nèi)部是否有裂紋，所以對其進(jìn)行超聲波檢測(UT)是必要的。

圖4 圍板螺栓失效部位示意

圍板螺栓失效部位示意如圖4所示。若螺栓或焊縫存在裂紋，則設(shè)備存在較大風(fēng)險，需要及時更換或修復(fù)；若螺栓斷裂、焊點(diǎn)良好、螺栓未整體分開，則螺栓已經(jīng)失去緊固效果，圍板在堆芯內(nèi)受一回路流體作用、壓差作用、振動等影響會加速其他螺栓的斷裂速度，設(shè)備已經(jīng)處于不可控狀態(tài)；若螺栓斷裂缺失，則螺栓缺失的部分受一回路冷卻劑作用在一回路內(nèi)運(yùn)動，會發(fā)生燃料組件破損，一回路設(shè)備損壞等情況。

3 檢查技術(shù)方案

3.1 總體思路

基于國外機(jī)組失效反饋，結(jié)合大亞灣電廠機(jī)組類型，充分分析了失效原因和失效點(diǎn)，提出采取以超聲檢測為主的技術(shù)方案，通過調(diào)研國內(nèi)外檢查技術(shù)和設(shè)備能力[2]，確定檢查實(shí)施技術(shù)路線和水下檢查設(shè)備類型[3]，經(jīng)過設(shè)備+探頭+分析系統(tǒng)的研發(fā)，最終在大亞灣電廠實(shí)施檢查應(yīng)用，取得了很大的安全效益。

3.2 技術(shù)方案

圍板螺栓主要有以下幾個特點(diǎn)：

(1) 圍板螺栓無法從圍板抽出，只能在線實(shí)時檢查。

(2) 失效點(diǎn)主要為變徑處出現(xiàn)的裂紋，而針對部件內(nèi)部裂紋檢查的有效方法為超聲檢測。

(3) 針對圍板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常規(guī)超聲檢測技術(shù)探頭無法滿足檢查的需求，圍板螺栓的端面結(jié)構(gòu)使得超聲波探頭晶片的布置需特殊考慮。

(4) 承載檢查裝置的水下機(jī)器人，在選型時還充分考慮了可能的其他用途，如：搭載水下異物打撈裝置、水下修復(fù)等。

目視檢查是通過在潛艇機(jī)器人前端安置高清探頭，對每個圍板螺栓的銷釘(焊接)和圍板螺栓端面、狀態(tài)進(jìn)行檢查；超聲檢測采用與圍板螺栓結(jié)構(gòu)相匹配的探頭(分ABCD 4個探頭，每個探頭分別具有收發(fā)信息的功能，通過A→B→C→D→A的方式實(shí)現(xiàn)信號的串聯(lián)，進(jìn)而對螺栓內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查)進(jìn)行檢查。

3.3 技術(shù)參數(shù)

超聲檢測系統(tǒng)由“SUSI”水下操作系統(tǒng)及“Saphirplus”超聲檢測儀系統(tǒng)組成。超聲檢測探頭通過同軸電纜連接在電氣設(shè)備上。超聲檢測儀使用A型顯示(A-scan)評估缺陷。目視檢查系統(tǒng)由“SUSI”水下操作系統(tǒng)和攝像頭組成。該攝像頭是高分辨率黑白攝像頭，應(yīng)用于高放環(huán)境，檢驗流程如圖5所示。

圖5 圍板螺栓超聲檢查流程

針對如圖6所示的目標(biāo)缺陷位置及特點(diǎn)，超聲檢查采用6°，5 MHz的縱波斜探頭實(shí)施檢驗，靈敏度設(shè)置采取底波波幅滿屏高度的80%。

圖6 圍板螺栓裂紋失效部位

3.4 檢查結(jié)果

大亞灣核電廠利用機(jī)組大修窗口分別對2臺機(jī)組實(shí)施了反饋檢查，經(jīng)過超聲和目視檢查，大亞灣核電廠機(jī)組圍板螺栓設(shè)備狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示。

4 結(jié)語

鑒于目前出現(xiàn)問題的都是法國、美國、比利時最早設(shè)計的壓水堆圍板螺栓，進(jìn)行過改進(jìn)的壓水堆的檢查結(jié)果均良好，建議大亞灣基地機(jī)組采取EDF(法國國家電力公司)的策略，在機(jī)組運(yùn)行20～30 a時，開始抽樣部分機(jī)組進(jìn)行圍板螺栓超聲波檢查和視頻檢查，以提前獲取圍板螺栓的設(shè)備狀態(tài)，保證主設(shè)備和燃料組件的安全。

對在役核電機(jī)組某特種結(jié)構(gòu)部件實(shí)施了反饋搜集→失效分析→被檢部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析→技術(shù)方案制定→檢驗工藝開發(fā)→檢驗系統(tǒng)集成→檢驗實(shí)施的全流程無損評價與分析的過程，為后續(xù)國內(nèi)機(jī)組同類問題的反饋與分析提供了解決思路。