余熱排出熱交換器管板焊縫的滲透檢測

劉步良，李 誠，徐培良，王佳旭，蘇海敏

(中廣核檢驗技術有限公司，蘇州 215100)

核安全的主要問題之一，是如何在任何情況下保證核燃料釋熱的疏導。余熱排出熱交換器是堆芯冷卻系統的關鍵設備，在非失水事故發生時，可對反應堆冷卻劑進行冷卻，防止因冷卻劑過度升溫而引發的堆芯融化事故。因此，該設備的運行質量關乎核電站中的安全運行。

余熱排出系統的主要功能是在反應堆正常停堆過程中，當一回路溫度降到180℃及以下，絕對壓力降到3 MPa以下時，排出堆芯余熱、一回路水、設備的顯熱以及運行的主泵在一回路中產生的熱量，使反應堆進入冷停堆狀態。

目前，我國CPR 1000機組的在役檢查一般參照標準RSE-M-1997《核電廠核島機械設備在役檢查規則》執行。每一次機組在役檢查，需結合法規和機組運行情況，詳細地列出無損檢測的范圍及要求。

某余熱排出熱交換器在運行過程中，其一次側和二次側均存在泄漏現象，因此停堆后必須對其進行全面檢修。初步方案定為對其進行氦檢漏，后經討論，確定為先對管板焊縫進行滲透檢測，排除管板焊縫可能存在的大漏，最后將此次余熱排出熱交換器的檢修作為經驗反饋項，為后續相同機組的安全運營提供數據及經驗支持。

1 滲透檢測環境

對于在役檢查過程中余熱排出熱交換器管板焊縫的滲透檢驗，檢測環境與建造安裝階段的有所區別，場地布置如圖1所示。該設備具有一定的輻射，并且存在放射性沾污風險，因此在大修中檢測人員將該設備運往AC廠房(熱維修廠房)，并布置污染區，將設備整體放置在紅布上，并在管板焊縫的區域搭建SAS(污染區負壓工作棚)，整個管板焊縫的滲透檢測都是在SAS區進行的。

圖1 污染區布置現場

操作人員必須嚴格按照輻射防護的要求穿戴附加防護用品進行作業，每次進出SAS區作業都需戴上氧氣面罩，且SAS區外必須保證有人員輔助。重復使用的物品要做好包裹防護處理，避免輔助人員在交替物品時受到沾污。

在SAS區作業時，前期準備工作要充分，人員分工要明確，應盡可能地降低作業時間，減少工作人員吸收的輻射劑量，充分體現核電的ALALA(輻射最優化)原則。

2 余熱排出熱交換器的分布與結構

每個核電機組共有兩臺熱交換器，型號分別為RRA001RF和RRA002RF，為并聯布置，以保證在一臺熱交換器不可用時，余熱排出系統仍具有部分熱量排出的能力；兩臺熱交換器均為立式、倒置U型管殼式熱交換器。反應堆冷卻劑流經管側，設備冷卻水流經殼側，熱交換器下封頭內裝有一個隔板，兩邊是反應堆冷卻劑的進出水室。文章將管側稱為一次側，殼側稱為二次側。

3 管板焊縫的焊接及合格要求

換熱管與管板的焊接采用鈰鎢極自動脈沖旋轉氬弧焊進行焊接，焊接前先進行焊接工藝評定，焊接完畢后修整管口，清除焊渣和凸出管子內壁的焊瘤。換熱管與管板焊接后脹接前應進行0.3 MPa氣密性試驗，試驗合格后再進行脹接，換熱管與管板的脹接應按照標準RCC M-F4400-2007 《熱交換器管板中脹管》的規定進行工藝評定；脹接方法為液壓脹，脹接處應在管板殼側表面內2～5 mm；脹接后將熱交換器殼體抽真空至0.133 Pa～1.33 Pa，連續抽氣，再逐個沿著管子與管板連接的焊縫進行噴氦檢漏，單個焊縫的泄漏量小于1.3×10-7Pa·m3·s-1則判定為合格。管板焊縫排列方式如圖2所示。

圖2 管板焊縫排列方式示意

4 滲透檢測方法

停堆后，檢測人員發現余熱排出熱交換器一次側和二次側之間存在泄漏，因此建議對管板焊縫進行滲透檢測。

采用熒光滲透檢測法檢測焊接容器的泄漏，一種方法是向該容器內灌入滲透能力強的液體，再在該液體中加進熒光添加劑，在容器外側于黑光燈下觀察焊縫區有無泄漏顯示；另一種方法是在容器焊縫的內側涂上熒光滲透劑，于外側在黑光燈下檢測，或在焊縫外側涂上熒光滲透劑，在內側進行檢測。但是該設備為沾污設備，難以滿足所需的先決條件，且對管板焊縫進行滲透檢測時不僅需要檢漏，還需要將焊縫表面存在的非貫穿性裂紋、氣孔等缺陷也檢測出來，為后續設備的穩定運行提供保障。為了更好地實施檢測，筆者特對以下幾種檢測方法進行探討[1]。

4.1 水洗型滲透檢測法

該方法的優點是表面多余的滲透劑可以直接用水去除，檢測周期較其他方法短，且較適合用于表面粗糙工件的檢測；缺點是其靈敏度相對較低，容易漏檢淺而寬的缺陷，重復性差，如清洗方法不當容易造成過清洗，抗水污染能力差(酸性的污染將影響檢測靈敏度)。待檢設備所處環境水源匱乏，且設備存在一定放射性沾污，無法滿足大量用水進行水洗的需求，因此該方法不建議使用[2]。

4.2 后乳化型滲透檢測法

該方法的優點是靈敏度較高，能檢出淺而寬的表面開口缺陷，該滲透劑不含乳化劑，因此滲透速度快，抗污染能力強，重復檢驗再現性好；缺點是要進行單獨的乳化工序，必須嚴格控制乳化時間，要求被檢表面較光潔。大型工件實施后乳化滲透檢測比較困難，親水性后乳化型滲透檢測法與親油性后乳化型滲透檢測法在施加乳化劑后均需水洗，現場的環境難以滿足該要求，親油性乳化劑的乳化時間一般小于2 min，親水性乳化劑的乳化時間一般小于5 min，不便于現場實際操作。

4.3 溶劑去除型著色滲透檢測法

該方法的優點是設備簡單，操作方便，適用于外場和大工件的局部檢測，可在沒水沒電的情況下進行檢測；與溶劑懸浮型顯像劑配合使用，能檢出非常細小的開口缺陷。缺點是所用的材料易燃、易揮發，相對于水洗型和后乳化型而言不適合于批量工件的連續檢測，不適用于表面粗糙工件的檢測，且容易漏檢淺而寬的缺陷。

對上述3種方法進行綜合考慮，筆者決定此次采用溶劑去除型著色滲透檢測法對管板焊縫進行檢測。

5 管板焊縫的滲透檢測

對采用溶劑去除型著色法滲透檢測進行在役檢測過程中遇到的問題以及解決的方法進行探討。滲透檢測的基本步驟為預清洗→干燥→施加滲透劑→去除多余滲透劑→干燥→顯像→觀察、評定、記錄→后處理。

此次作業具體操作為：① 將余熱排出熱交換器上部吊出核島，置于AC廠房，并布置污染區，其中管板焊縫側處于SAS中，U型管側經過吹掃，放置24 h后進行滲透檢測；② 用清洗劑預清洗焊縫表面后干燥10 min，保證焊縫表面干燥，無潤濕現象；③ 施加滲透劑(見圖3)，20 min后去除多余滲透劑，繼續干燥10 min，然后施加顯像劑，10 min后開始評定記錄，發現有局部區域出現潤濕現象(見圖4，5)，該情況嚴重影響滲透檢測的結果。初步判斷，造成該現象主要的原因是干燥度不夠。因此檢測人員對管口焊縫附近進行吹風，時間為4 h，再次進行滲透檢測的時候，發現仍存在潤濕現象。最后，對U型管進行12 h烘干處理，確保管側和殼側都已經徹底干燥后再進行檢測，最終得到了正常的檢測結果(見圖6，7)。

圖3 施加滲透劑后的熱交換器實物

圖4 施加顯像劑后檢測現場

圖5 局部放大照片

圖6 自然缺陷a檢測結果

圖7 自然缺陷b檢測結果

根據反復幾次干燥處理的結果，分析產生該情況的原因可能有以下幾種。

(1)U型管內部存在水分，由于顯像劑具有較強的吸附功能，所以局部區域被潤濕。

(2)焊縫區域二次側存在水分，如果該處焊縫存在細微的缺陷，水分可能被顯像劑吸附出來，導致滲透劑顏色無法正常地顯示，無法判定結果。

針對這兩種情況，為了滿足滲透檢測的先決條件，并且盡量避免浪費檢測時間，提出以下方法。

(1)在將余熱排出系統熱交換器二次側上部放置AC于廠房后，盡量不要將管板側與吊耳側放置在同一水平面上，應抬高其中一側。

(2)直接對U型管進行烘干處理的同時，爭取能夠將二次側存在的水分烘干，在先決條件完全滿足的情況下重新進行檢測，檢出類似圖6，7的缺陷。

6 滲透檢測的必要性

停堆后，經目視檢測筆者發現余熱排出熱交換器一次側和二次側存在泄漏，經探討該泄漏為U型管泄漏或管板焊縫泄漏或同時存在兩種泄漏。

通常僅需采用氦檢漏的方法對一次側和二次側進行查漏，但是管板焊縫可能存在較大的穿孔性缺陷(見圖6，7)，若直接用氦檢漏法易產生大量氦氣泄漏，造成環境污染。

滲透檢測具有快速、簡便、經濟和靈敏度高等優點，能夠排除較大的穿孔性缺陷。因此優先采用滲透檢測法排查管板焊縫，后采用氦檢漏法對余熱排出熱交換器進行全面檢查的方案很有必要。

7 結語

實踐證明，在對余熱排出熱交換器管板焊縫進行滲透檢測時，對焊縫及其附近區域以及焊縫對面進行徹底干燥處理很有必要，且將管板側與吊耳側傾斜放置對檢測也有一定的作用，經實地驗證，溶劑去除型著色滲透檢測法能夠滿足現場檢測的需求，但無法確定檢出的缺陷是否屬于貫穿性缺陷，因此此次采用的溶劑去除型著色滲透檢驗法未必是最優的方法，還需要在工作中不斷總結更優的方法。

結合余熱排出熱交換器管板焊縫的焊接工藝過程以及運行工況下容易產生的缺陷性質，確定出了最合適的滲透檢測工藝方法。在高劑量、易沾污區域工作時，通過合理的人員安排、檢測過程的合理分解來保證檢測的順利實施。可通過合理選用檢測方法，有望提高設備檢驗質量，提高核電設備的安全性，降低核電事故發生概率，為我國的核電安全保駕護航。