2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆無縫管目視檢驗缺陷特征分析

王子赟 陶良海 張斌學 岳民杰

摘 ?要：釷基熔鹽堆核能系統（簡稱TMSR-LF1）熔鹽堆作為第四代先進反應堆的6個候選堆之一，具有釷高效利用、高溫制氫、無水冷卻、適合小型模塊化設計等優勢和潛力。簡單介紹2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆的特點，針對核燃料的特殊性質提出對反應堆材料的要求，介紹包括2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管在內的無縫管的制造工藝和設備功能，重點闡述在制造、運輸過程中目視檢驗發現的各種常見典型缺陷和各缺陷特征，分析產生這些缺陷的原因。

關鍵詞：釷基熔鹽實驗堆無縫管 ? 熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管 ? 目視檢驗 ? 缺陷特征分析

中圖分類號：TL411 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（c）-0049-03

Defect Characteristics Analysis of Seamless Tube Visual Inspection for 2MWt Liquid Fuel Thorium Based Molten

Salt Experimental Reactor

WANG Ziyun ? TAO Lianghai ? ZHANG Binxue ? YUE Minjie

（Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， Shanghai， 201800 ?China）

Abstract： Thorium based molten salt reactor nuclear power system （TMSR-LF1）， as one of the six candidates for the fourth generation advanced reactor， has the advantages and potential of high-efficiency utilization of thorium， high-temperature hydrogen production， anhydrous cooling and suitable for small modular design. This paper briefly introduces the characteristics of 2MWt liquid fuel thorium based molten salt experimental reactor， puts forward the requirements for reactor materials according to the special properties of nuclear fuel， and introduces the manufacturing process and equipment functions of seamless tubes including the heat transfer tube of molten salt molten salt heat exchanger of 2MWt liquid fuel thorium based molten salt experimental reactor， focusing on the manufacturing various common typical defects and defect characteristics found during visual inspection during transportation， and analyze the causes of these defects.

Key Words： Seamless tube of thorium based molten salt experimental reactor; Molten salt-heat transfer tube of molten salt heat exchanger; Visual inspection; Defect characteristic analysis

釷基熔鹽堆核能系統（簡稱TMSR-LF1）是中國科學院首批啟動實施的戰略性先導科技專項之一，作為一種利用熔融態混合鹽作為核燃料載體和冷卻劑的裂變型反應堆，具有高熱效率、固有安全性和可模塊化等諸多優勢[1]。

在2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆（TMSR-LF1）中采用熔融態氟化物混合鹽作為核燃料載體和冷卻劑，由于熔鹽熔點高、腐蝕性強，在TMSR-LF1普遍采用UNS N10003合金無縫管用于介質的運輸[2-3]。例如：熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管，熔鹽-熔鹽換熱器是反應堆最為關鍵的主要設備之一，該熔鹽-熔鹽換熱器依靠二次側進出口接管作為支承安裝于堆容器內，是TMSR-LF1系統中重要傳熱設備，其功能不僅是將堆芯產生的熱量通過一回路熔鹽傳遞給二回路熔鹽，同時該換熱器傳熱管還作為一回路熔鹽壓力邊界，起到包容放射性物質、耐高溫、抗腐蝕的作用。

1 ?目視檢驗定義

目視檢驗是指用人的眼睛或借助于某種目視輔助器材對被檢件進行的檢驗。檢測表面缺陷和異常的無損檢測方法，包括直接目視和間接目視兩種方法[4]。

熔鹽-熔鹽換熱器的直接目視法是直接使用人眼或借助6倍以下放大鏡進行檢驗，主要檢驗換熱管外表面、管端以及內表面目光可達處的缺陷。間接目視檢驗可以輔以各種反光鏡、內窺鏡、照相機或其他合適的儀器，這些系統的分辨能力應至少應和直接目視檢驗相當。熔鹽-熔鹽換熱器的間接目視法主要是借助內窺鏡對換熱管內表面進行檢驗[5-6]。

2 ?目視檢驗常見缺陷

在TMSR-LF1中無縫管的應用較為普遍，在此簡單列舉熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的制造工藝，熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管由鋼棒通過擠壓/穿孔的熱加工方式和冷軋/冷拔、熱處理、矯直、切管、酸洗等工序成為半成品，再由尺寸規格為Ф13.72×1.65mm的UNS N10003合金直管彎制而成，彎曲角度180°，設計溫度700 ℃，設計壓力 0.45 MPa，換熱管成U型。

TMSR-LF1無縫管在完成設計制造及出廠檢驗后需要經過長距離的運輸，設備受運輸條件影響較大，制造工藝的影響相對較小。目前在設備驗收及安裝過程中發現的缺陷主要分為七類，具體缺陷類型、特征、原因分析如下。

（1）劃痕：是指在包裝、運輸及機加工過程中的機械損傷。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的劃痕缺陷在內窺鏡圖像中表征受反射光線與觀察角度的不同主要表現為沿管路縱向亮線或暗線。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管劃痕缺陷產生的主要原因為運輸過程中設備與硬質金屬塊受力而使管表面產生缺陷，缺陷形式如圖1所示。

（2）凹坑：是指由于軋制過程雜質或氧化皮剝落等原因出現低于材料表面的地方，嚴重低于材料規定厚度的負公差。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的凹坑缺陷目視檢驗中的表征為形狀不規則，輪廓清晰，表面低于母材本體，且有一定的深度。間接目視內窺鏡圖像中凸起多呈現白色反光，凹陷呈現深色，仔細觀察有明顯深度感。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的凹坑缺陷產生的主要原因為管與硬金屬介質發生碰撞或者擠壓。缺陷形式如圖2所示。

（3）裂紋：產生的原因與材料特性、制造溫度、軋制時過度形變等工藝選擇不當有關，也可能是多種因素共同作用的結果。裂紋一般呈不規則細線，端部尖，無明顯開口，有些有深度感。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的裂紋缺陷在內窺鏡圖像中多呈現為一種斷續的暗線或亮線。

（4）腐蝕：酸洗時間長，酸液濃度過高都有可能產生腐蝕缺陷。表面出現明顯腐蝕產物，多突出于產品表面，并呈現出明顯凹凸不平，清除后表面一般留有腐蝕坑。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的腐蝕缺陷在內窺鏡圖像中呈現面積狀酸蝕。

（5）銹斑：是指水壓試驗后，未及時清除殘留水，被鐵離子污染后形成的鐵銹，酸洗除去后銹跡消失，表面無明顯損傷。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的銹斑缺陷表征主要為形狀不規則，表面粗糙且發黃成片聚集。

（6）折疊：是指管材拉制時產生的裂紋或擦傷等缺陷，后續的軋制中被翻折到金屬表面壓平以后形成。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的折疊缺陷在內窺鏡圖像中表征為亮暗交錯的一條直線，明顯有一層金屬折疊在表面。

（7）異物：異物多為金屬加工屑等，當管道內殘留有油等液體時，金屬加工產生的碎屑會大量殘留。異物一般存在于管道內部的彎曲、死角處，位置不固定，有時會隨著產品移動，對產品工作性能有害。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的異物缺陷在內窺鏡圖像中多為大小不一的白色反光亮點。

3 ?常見缺陷的處理方式

在TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的目視檢驗中，對發現的以上表面缺陷在下述情況下應采用非焊接方法進行修整。

（1）當劃痕、凹坑類缺陷可以通過機械加工方法消除且不影響最終尺寸時，可以對管件重新進行機加工;（2）當裂紋、折疊類缺陷位于坡口表面，在滿足尺寸公差的情況下，可以采用打磨的方法去除;（3）當腐蝕、銹斑類缺陷程度較輕時，可以在不影響最終尺寸的前提下，采用局部堿洗、酸洗的方法去除;（4）異物類缺陷可以通過管道吹掃或使用不掉毛的潔凈軟布進行清理。

采用非焊接方法修整的缺陷，最終整修部分應該圓滑，與周圍表面相接應無棱角，接合斜率最大為0.25。

4 ?結語

由于2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆的特殊性，使熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的要求較高。傳熱管制造過程復雜，管材壁厚較小，可能產生的缺陷種類較多，各種缺陷特征不盡相同。所以，在設置目視檢驗點時應合理安排，盡量將目視檢驗置于易產生缺陷的工序之后，檢驗人員在掌握各種缺陷的特征和驗收等級的同時應考慮目視檢驗的局限性，除工件表面的宏觀缺陷外，還應使用滲透檢驗、渦流檢驗在附以超聲波檢驗等方法覆蓋部分表面細小缺陷及內部缺陷。

參考文獻

[1] 徐洪杰，戴志敏，蔡翔舟，等.釷基熔鹽堆和核能綜合利用[J].現代物理知識，2018，30（4）：25-34.

[2] 李炳營，劉燁，黃國慶，等.2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆儀控系統縱深防御設計與分析[J].核安全，2021，20（3）：91-97.

[3] 錢進，孔巧玲，張宏武，等.熔鹽-氣體換熱器傳熱性能的實驗研究[J].太陽能學報，2017，38（11）：3012-3017.

[4] 陳勝宇，肖鎮官，曾玉華，等.核電廠 SG傳熱管渦流檢驗內壁顯示淺析[J].科技視界，2020（7）：217-221.

[5] 肖韻菲，唐涌濤，蘇應斌，等.釷基熔鹽堆回路系統總體布置初步研究[J].科技視界，2021（3）：19-21.

[6]蔡翔舟，戴志敏，徐洪杰，等.釷基熔鹽堆核能系統[J].物理，2016，49（9）：578-590.

作者簡介：王子赟（1992—），男，本科，工程師，研究方向為釷基熔鹽實驗堆操作運行。