核電廠射線插塞焊縫失效研究與改進(jìn)

方 江

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

射線插塞是為實(shí)現(xiàn)核電廠核級(jí)厚壁管道射線檢驗(yàn)而在管道上增設(shè)的射線源通道，這些管道主要為高溫高壓核壓力邊界。近年來，國(guó)內(nèi)核電廠已發(fā)生數(shù)起射線插塞焊縫失效事件，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失并對(duì)核安全構(gòu)成一定影響。針對(duì)這一共模缺陷，從插塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝工藝、焊接工藝、無損檢查技術(shù)等方面綜合分析射線插塞焊縫的失效原因；系統(tǒng)性提出改型優(yōu)化射線插塞結(jié)構(gòu)、改進(jìn)安裝工藝、優(yōu)化無損檢測(cè)策略，以解決射線插塞焊縫失效問題，提高核電廠管道系統(tǒng)完整性、可靠性，保障核安全。

1 射線插塞結(jié)構(gòu)

射線插塞設(shè)計(jì)為可拆卸式結(jié)構(gòu)（圖1）。射線插塞由管座和插塞兩部分組成，管座和插塞均采用鍛制棒料機(jī)加工制造，其中管座材料選用20HD，插塞材料選用16MnHD 或20HD。管座與母管采用細(xì)牙螺紋（M36×1.5）安裝連接后焊接角焊縫密封，插塞組件與管座組件采用粗牙非標(biāo)螺紋（Rd28/8）連接后焊接密封焊縫。在對(duì)管道實(shí)施中心曝光射線探傷時(shí)，打磨去除插塞與管座的密封焊縫，拆除插塞后，放射源即可通過專用導(dǎo)源管導(dǎo)入管道中心實(shí)施射線探傷，探傷完成后按原安裝要求對(duì)射線插塞進(jìn)行復(fù)裝。

圖1 插塞安裝結(jié)構(gòu)

2 射線插塞焊縫缺陷宏觀特征

2018 年12 月，國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組正常滿功率運(yùn)行期間發(fā)生主給水管道射線插塞密封焊縫泄漏導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停堆小修事件。泄漏部位在插塞管座與插塞裝配縫隙結(jié)合處，液體滲透檢測(cè)顯示缺陷呈線狀，長(zhǎng)2.2 mm，且缺陷位置處密封焊縫厚度明顯低于焊縫其他部位（圖2）。國(guó)內(nèi)其他核電機(jī)組發(fā)生的射線插塞焊縫缺陷與該缺陷特征類似。

3 射線插塞焊縫泄漏原因分析

3.1 結(jié)構(gòu)

經(jīng)查詢插塞組件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖紙，插塞管座外徑為Φ35 mm，插塞直徑為Φ29 mm，即管座待焊承載面為3 mm 寬，管座待焊面無坡口平面堆焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖3）。

3.2 安裝工藝

為便于插塞的正常開啟，防止螺紋咬死，插塞與管座螺紋設(shè)計(jì)為粗牙非標(biāo)螺紋（Rd28/8），安裝技術(shù)要求插塞完全擰入插塞管座后要回退1/4 圈，再焊接密封焊。此安裝要求必然會(huì)導(dǎo)致插塞與管座螺紋配合不緊密，插塞實(shí)際處于松動(dòng)狀態(tài)，機(jī)組運(yùn)行期間密封焊縫將承受一定的交變載荷。

3.3 焊接工藝

插塞密封焊焊接施工工藝參數(shù)要求見表1，焊材采用Φ2.0 mm 的ER70S-6 焊絲，密封焊方法為氬弧焊，焊縫為平面密封焊縫，共焊接2 層，打底層控制在較小電流范圍內(nèi)施焊，可能會(huì)導(dǎo)致未焊透、未熔合等缺陷。

3.4 無損檢測(cè)

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，插塞密封焊縫焊后實(shí)施目視檢查（VT）和液體滲透檢查（PT），經(jīng)檢查均未發(fā)現(xiàn)缺陷，符合NB/T 47013 的要求。然而目視檢查和液體滲透探傷檢測(cè)均是一種表面缺陷檢測(cè)方法，VT 只能對(duì)焊縫外觀成型、宏觀缺陷進(jìn)行人眼級(jí)別的識(shí)別判斷，PT 也僅能檢測(cè)表面開口缺陷，無法有效檢出焊縫層間及根部缺陷。

3.5 運(yùn)維情況

該插塞所屬主給水系統(tǒng)管道，系統(tǒng)正常運(yùn)行壓力為8.5 MPa，至發(fā)生泄漏時(shí)，已經(jīng)運(yùn)行了7 個(gè)燃料循環(huán)，期間經(jīng)歷了建安階段和在役期間兩次水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)最高壓力達(dá)到10.2 MPa，為設(shè)計(jì)壓力的1.2 倍，保壓時(shí)間要求為30 min。

圖2 密封焊縫缺陷

圖3 插塞密封焊設(shè)計(jì)

該失效密封焊縫曾經(jīng)過兩次在役PT，按照無損檢測(cè)技術(shù)要求，焊縫PT 前需要進(jìn)行表面除漆/除銹打磨處理，無損檢測(cè)后不再進(jìn)行焊縫補(bǔ)強(qiáng)，無損檢測(cè)前的打磨處理工作導(dǎo)致密封焊縫局部厚度發(fā)生減薄，降低了焊縫強(qiáng)度。

3.6 原因分析小結(jié)

綜上分析，插塞密封焊縫設(shè)計(jì)為無坡口平面堆焊，焊縫熔深淺，焊縫強(qiáng)度不足；插塞與管座螺紋配合不緊密，且安裝技術(shù)要求擰緊后回退1/4 圈，插塞實(shí)際處于松動(dòng)狀態(tài)，密封焊承受一定的交變載荷；兩次表面打磨除銹進(jìn)一步減小了焊縫厚度，降低了焊縫承壓強(qiáng)度，并經(jīng)歷了長(zhǎng)期運(yùn)行和兩次水壓試驗(yàn)，最終導(dǎo)致該密封焊縫局部發(fā)生泄漏。

表1 插塞密封焊焊接施工工藝參數(shù)

4 優(yōu)化與改進(jìn)

4.1 焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改型

針對(duì)插塞密封焊強(qiáng)度先天不足問題，提出了將射線插塞端部延長(zhǎng)，將平面堆焊密封焊縫優(yōu)化為角焊縫結(jié)構(gòu)，以提高焊縫固有強(qiáng)度。此設(shè)計(jì)改型只需重新加工插塞組件，原設(shè)計(jì)插塞整體高度為40 mm，優(yōu)化后插塞整體高度為47 mm，保證角焊縫焊腳高度為3×6 mm，插塞與管座螺紋區(qū)域高度保持不變。原堆焊形式的密封焊改進(jìn)為角焊縫（圖4）。

圖4 密封焊改進(jìn)為角焊縫對(duì)比

4.2 安裝工藝改進(jìn)

將原安裝工藝“將插塞完全擰入管座中，然后將螺紋擰松1/4 圈”改進(jìn)為“將插塞完全擰入到管座中，并檢查擰緊狀態(tài)”以減少安裝后插塞松動(dòng)或晃動(dòng)，緩解密封焊縫運(yùn)行載荷。

調(diào)整焊接工藝卡電流參數(shù)，施焊電流保持90～110 A，以降低打底層未焊透風(fēng)險(xiǎn)，并增加打底層PT 的要求，進(jìn)一步避免焊接缺欠。

4.3 無損檢測(cè)策略優(yōu)化

近年來隨著超聲技術(shù)的發(fā)展，其檢測(cè)靈敏度和適用范圍越來越廣，如相控陣超聲、TOFD 超聲檢測(cè)技術(shù)等，超聲檢測(cè)完全能夠滿足對(duì)管道焊縫埋藏缺陷的探測(cè)要求，在役期間盡可能采用超聲檢測(cè)代替射線檢測(cè)，可有效減少射線插塞的使用需求，降低反復(fù)拆卸、焊接引起的插塞失效風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)核電廠核級(jí)管道射線插塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、缺陷宏觀特征、安裝和焊接工藝、無損檢驗(yàn)等的綜合分析，明確了射線插塞失效的原因并提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略，主要結(jié)論如下：

射線插塞失效的主要原因?yàn)椴迦缚p設(shè)計(jì)為平面堆焊密封焊，且對(duì)焊縫厚度沒有明確要求，插塞安裝不正確和焊接工藝不當(dāng)，焊縫PT 前的打磨使密封焊縫厚度減薄，局部承載能力減弱而發(fā)生的貫穿泄漏；

將平面堆焊密封焊結(jié)構(gòu)改進(jìn)為角接密封焊結(jié)構(gòu)可有效保證密封焊縫厚度，結(jié)合安裝工藝、焊接工藝、無損檢驗(yàn)等改進(jìn)措施可有效提高射線插塞結(jié)構(gòu)完整性。