壓水堆核電廠反應堆壓力容器頂蓋貫穿件在役檢查技術

摘 要：介紹了壓水堆核電廠反應堆壓力容器頂蓋貫穿件的結構及降質的經驗反饋，闡述了國外相關檢驗要求、檢驗技術及檢驗設備，提出了我國壓水堆反應堆壓力容器頂蓋貫穿件套管在役檢查的建議。

關鍵詞：壓水堆；核電廠；反應堆壓力容器頂蓋貫穿件；在役檢查

1 引言

壓水堆核電廠反應堆壓力容器頂蓋控制棒驅動機構貫穿件和熱電偶貫穿件（簡稱頂蓋貫穿件）是一回路冷卻劑系統承壓邊界的重要組成部分，對于核電廠的安全運行至關重要。頂蓋貫穿件通過冷裝工藝穿過頂蓋，從頂蓋內表面焊接，焊縫結構呈J型（簡稱J型焊縫）。典型的壓力容器頂蓋見圖1，頂蓋貫穿件結構見圖2。世界范圍內的大多數壓水堆核電廠頂蓋均采用該結構。

20世紀90年代以來，部分核電廠發現頂蓋貫穿件發生泄漏和裂紋，引起了行業重點關注。2002年，美國Davis-Besse 核電廠執行反應堆壓力容器上封頭控制棒驅動機構（CRDM）超聲波檢查，檢查發現3號CRDM貫穿件附件有腐蝕空洞，空洞從管座延伸18厘米，最寬部位約15厘米，壓力容器上封頭基體金屬腐蝕擴展至約1厘米厚的頂蓋內表面不銹鋼堆焊層，該部位由于頂蓋貫穿件裂紋貫穿導致硼酸泄漏后對頂蓋母材產生腐蝕。經研究，國際上發生的核電廠壓力容器頂蓋降質原因主要是因為貫穿件及貫穿件與頂蓋焊縫（J型焊縫）材質為Inconel 600合金（焊縫為INCONEL182/82），該種材質抗應力腐蝕裂紋（PWSCC）能力較差，容易產生腐蝕泄漏。截止2009年，法國已全部將反應堆壓力容器頂蓋貫穿件更換為Inconel 690合金材質，Inconel 690合金材質具有較強的耐腐蝕性，目前尚未有發生應力腐蝕泄漏的反饋。目前我國新建壓水堆核電廠反應堆壓力容器頂蓋貫穿件均為改進的Inconel 690合金材質。

2 反應堆壓力容器頂蓋貫穿件檢驗技術

美國核管會（NRC）發布管理指令 NRC Order EA-03-009要求在機組換料大修期間強制執行幾種檢查。每個電廠需要通過有效降質計算來進行設備的應力腐蝕裂紋（PWSCC）敏感性分級，根據分級（高、中、低）確定了電廠需要在每次換料大修期間執行檢驗的項目及頻度。

美國大多數壓水堆核電廠對于反應堆壓力容器頂蓋內部檢驗的范圍要求如下：

（1）反應堆壓力容器頂蓋外表面100%目視檢驗（包括每一根頂蓋貫穿件360°目視檢驗）；

（2）超聲和渦流檢驗：每一根貫穿件基體金屬至少在貫穿件底部到與頂蓋焊縫（J型焊縫）上部51mm范圍（見圖2）；

（3）每一個貫穿件與頂蓋的焊縫（J型焊縫）表面渦流或滲透檢驗；

2.1 反應堆壓力容器頂蓋貫穿件檢驗難點及技術要求

（1）由于電廠運行后，壓力容器頂蓋便成為高放射性設備，輻射劑量高，必須使用遠程自動化設備來實施檢驗；現場空間狹小，限制了設備活動范圍；

（2）自動檢驗裝置要求定位準確，不允許擦傷貫穿件下部喇叭口；

（3）照明能使攝像裝置在檢驗環境下分辨出18%本底反射率的灰度卡上至少0.8mm 的黑線；

（4）超聲檢驗需要用去離子水耦合，需要對耦合劑實施密封；

（5）焊縫材質、結構復雜，探頭研制困難；

2.2 反應堆壓力容器頂蓋貫穿件視頻檢查

目前國內反應堆壓力容器頂蓋內表面采用視頻檢查系統，從內側檢查反應堆頂蓋內壁堆焊層2、管座與頂蓋的焊縫3，見圖3。一旦發現裂紋、腐蝕等缺陷或發生圖4所示泄漏時，評估后認為會在頂蓋產生硼結晶時需增加頂蓋外表面內窺鏡檢查。

視頻檢查系統包括機械單元、控制單元、攝錄單元。機械單元為攝像頭在水平、垂直及旋轉運動時提供足夠的自由度，確保按要求掃查到待檢部位。控制單元包括計算機、接口盒、控制柜、電源、光纜及控制軟件等。攝錄單元包括監視器、錄像機及攝像頭，顯示相應視頻信號。視頻檢驗中需控制掃查速度，一般攝像機觀察點在被檢表面移動速度要小于50mm/s，掃查最大直徑區域時要控制較低轉速。

2.3 反應堆壓力容器頂蓋貫穿件套管基體金屬超聲、渦流檢驗

超聲和渦流檢驗通過頂蓋貫穿件套管內表面檢驗表面缺陷或裂紋。超聲、渦流檢驗需要開發專用探頭，要求具有較高的靈敏度；需要制作參考試塊、標定樣管，標定試塊要與被檢部件材質相同，結構、大小、表面狀態要與被檢部件一樣；標定試塊上需要加工一定的人工傷，作為評定缺陷的基準。超聲參考試塊一般加工橫通孔或矩形槽，渦流標定樣管一般加工軸向條狀槽、周向條狀槽和模擬壁厚減薄的方形平底孔等形式的人工傷，最小深度為0.5mm。

國外開發了一個集渦流線圈、0°超聲探頭和一對測量周向和軸向裂紋的TOFD探頭于一體的綜合性探頭，該探頭還包括提供水耦合劑的軟管。見圖5。

該探頭通過專用工具來操作控制，專用工具見圖6。該設備可以定位渦流、超聲探頭位置并引導探頭進入CRDM貫穿管及熱電偶套管內部，并可控制探頭掃查內表面待檢區域。

2.4 反應堆壓力容器頂蓋貫穿件套管與頂蓋焊縫（J型焊縫）表面渦流檢驗

渦流檢驗可以發現J型焊縫頂蓋側存在的表面缺陷及定位貫穿管側缺陷可能的指示方向（周向、軸向或體積缺陷）。由于J型焊縫復雜的馬鞍形表面幾何結構，檢驗需應用兩種類型的探頭來確保能夠覆蓋全部的待檢區域（頂蓋側50mm，貫穿管側12.5mm）。第一種類型探頭見圖7，該探頭由16個渦流線圈組成的差分式渦流探頭陣列，該探頭對于不同方向的線性缺陷具有一致的檢驗靈敏度，根據被檢部件尺寸、型面進行探頭外形設計，可直接與被檢驗部件形成良好的電磁耦合。第二種類型的探頭（檢驗貫穿管側的焊縫區域）是由3個渦流線圈組成的探頭陣列，安裝在柔性探頭架上，能夠自動調節探頭與焊縫保持柔性接觸，避免了磨損焊縫表面。檢驗裝置見圖8。

3 結語

對反應堆壓力容器頂蓋貫穿件實施多種方法來監督其處于健康狀態是保障核電廠長期安全運行的手段之一。我國壓水堆核電廠主要遵循美國ASME及法國RSE-M標準，針對該部位主要實施目視檢驗。美國已有針對Inconel 600合金材質的頂蓋貫穿件實施檢驗的實例，并給出了檢驗范圍、檢驗方法等。國內秦山核電廠對頂蓋貫穿件（材質為Inconel 600合金）實施了超聲、渦流檢驗，結果達到了預期目的。目前法國已有對Inconel 690合金材質的頂蓋貫穿件進行渦流檢驗的實踐，隨著后續核電廠長期運行及在役檢驗要求的提高，國內對于反應堆壓力容器頂蓋貫穿件更高要求的檢驗需求也將會出現，對國內開發更為先進的檢驗設備、系統具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]NRC Order EA-003-009 United States of America Nuclear Regulatory Commission ，Office of Nuclear Regulation ，Washington，D.C.20555-0001，February20，2004 .