控制棒驅動機構下部Ω焊縫及母材液體滲透顯示分析的研究

凌禮恭，賈盼盼，孫海濤，董曉璐，盛朝陽，高晨，王俊紅

（1.環境保護部核與輻射安全中心，北京 100088；2.北京科技大學國家材料服役安全科學中心，北京 100083；3.華北科技學院，河北廊坊 065201）

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控制棒驅動機構下部Ω焊縫及母材液體滲透顯示分析的研究

凌禮恭1，2，賈盼盼1，*，孫海濤1，董曉璐1，盛朝陽1，高晨1，王俊紅3

（1.環境保護部核與輻射安全中心，北京 100088；2.北京科技大學國家材料服役安全科學中心，北京 100083；3.華北科技學院，河北廊坊 065201）

摘要：控制棒驅動機構（CRDM）下部Ω焊縫及母材顯示在焊前、焊后、水壓試驗后的液體滲透檢測（PT）中均有出現，其形態基本為小于1 mm的非線性顯示，主要分布在焊縫兩側的弧段區。對顯示的檢測表明，原材料性能滿足技術規格書的要求，同時存在C類、D類超尺寸夾雜物。PT顯示部位可觀察到非金屬夾雜物及微裂紋。結合完工報告復核、材料復驗、國外供貨對比等分析認為顯示與超尺寸非金屬夾雜物相關。顯示可采取有限打磨進行處理。建議提高原材料夾雜物采購技術要求，控制原材料中Al、Si、O的含量，在失效時可考慮覆蓋堆焊（OVERLAY）、夾緊裝置（CSCA）的維修方式以及進行適當的在役跟蹤檢查。

關鍵詞：控制棒驅動機構；Ω焊縫；顯示；非金屬夾雜物；在役跟蹤檢查

隨著國內核電技術引進消化再吸收路線的推進，國內核電大型裝備基本實現了制造自主化，但是，在這一自主化的進程中也顯現了一些制造經驗方面的不足，值得去分析和改進。當前，國內在建二代加及其改進型核電機組在控制棒驅動機構（control rod drive mechanism，簡稱CRDM）耐壓殼與管座焊接過程中，數次發現液體滲透（liquid permeation test，簡稱PT）顯示。液體滲透顯示宏觀形態基本為小于1 mm的非線性顯示。其出現的主要部位如圖1、圖2所示。機組液體滲透顯示形態及部位統計見表1。據文獻統計［1 -4］國內外均出現了一定數量的控制棒驅動機構下部Ω焊縫失效案例。

圖1 管座的弧段母材顯示位置Fig. 1 Displays position on adaptor

圖2 耐壓殼的弧段母材顯示位Fig. 2 Displays position on Latch Housing

表1 各機組控制棒驅動機構下部Ω環顯示統計Table 1 Displays statistics to CRDM lower Omega ring on each unit

1 顯示檢測

本研究對某機組未焊接的控制棒驅動機構管座、耐壓殼以及Ω焊縫焊接見證件進行光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）進行了成分分析、夾雜物觀察和顯微金相觀察。結果表明［5，6］（1）化學成分、晶粒度、非金屬夾雜物級別滿足規范要求，但材料中存在C類和D類大尺寸夾雜物（見表2）；（2）未焊接的部件（管座、耐壓殼）PT顯示區內存在露出表面的大尺寸非金屬夾雜物，未見裂紋；（3）焊接件PT顯示為大尺寸非金屬夾雜物（如圖3所示）處形成的表面微裂紋（如圖4所示），金相觀察到微裂紋的尺寸主要為40 μm～150 μm。

GB/ T10561 -2005鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法［7］規定將C類粗系夾雜物寬度超過12 μm，D類粗系夾雜物直徑超過13 μm定義為超尺寸夾雜物。

表2 非金屬夾雜物檢測結果Table 2 Test results of non-metallic inclusions

圖3 典型夾雜物EDS成分分析（氧化鋁型）Fig.3 Analysis of typical inclusions of EDS components（Al2O3）

圖4 典型夾雜物SEM形態和微裂紋Fig. 4 Typical inclusions of under SEM and crack

2 原因分析

2. 1 完工報告復核

本研究對出現PT顯示部件的完工報告進行了復核，報告表明出現顯示的相關爐批號的成品化學成分（澆包分析、產品分析）、力學性能試驗（常溫、高溫拉伸，常溫沖擊，硬度）、金相試驗（夾雜物、晶粒度）、晶間腐蝕、無損檢驗（超聲檢測、滲透檢測）等理化檢驗結果滿足技術要求，出廠質量合格。

但完工報告中部分夾雜物尺寸已達到技術要求上限值，具體詳見下表3。

表3 夾雜物尺寸已達到技術要求上限值情況統計Table 3 Statistics to inclusions，the size of which close to the the upper limit value of technical requirements

2. 2 材料復驗

本研究對某機組控制棒驅動機構出廠理化性能試驗所用的試樣進行了理化性能復驗［8 -10］。復驗結果表明：（1）對于管座材料的非金屬夾雜物檢查，送檢的12個試樣有1個試樣的B類粗系達到2. 0級，不滿足設計要求，另有4個試樣的某一類非金屬夾雜物雖存在超尺寸但仍滿足設計要求，其余非金屬夾雜物基本都在0. 5級左右；（2）對于管座材料的晶粒度檢查，本次送檢的12個試樣有1個試樣的平均晶粒度為1. 7，6個試樣的平均晶粒度為2. 5 -2. 8（沖擊試樣），其余滿足設計文件的要求；（3）對于耐壓殼材料的復檢，晶粒度大于5，夾雜物等級最高1. 5，滿足設計院的要求。

后續繼續對晶粒度超標和超大尺寸夾雜物的控制棒驅動機構Ω環管座母材進行了力學性能復驗［10，11］。由于材料有限，采取試樣重組技術分別從破斷沖擊試樣和金相試樣中截取沖擊試樣和拉伸試樣的插入段，并采用同爐號的材料作為支撐段分別焊接重組成沖擊試樣和拉伸試樣，實現控制棒驅動機構Ω環管座母材性能復驗。重組試樣的沖擊和拉伸性能均符合采購技術規范要求，復驗材料的沖擊和拉伸性能合格。

2. 3 國外供貨控制棒驅動機構夾雜物指標對比

國內某些機組的控制棒驅動機構鍛件由奧地利BOHLER供貨，其相應的完工報告顯示鍛件材料中無A、B、C類夾雜物，D類夾雜物等級（ASTM E45 -97等級）均不高于0. 5級，相應控制棒驅動機構無類似液體滲透顯示問題的反饋。國外制造廠對于夾雜物的控制可能設置了更高的內控驗收指標，以保證其產品的最終加工質量。

2. 4 原因分析小結

本研究發現存在顯示部件相應爐批號材料力學性能滿足技術要求；存在顯示部件相應爐批號材料夾雜物等級存在接近或者達到技術要求的情況。

綜合檢測分析結論及完工報告復核、材料復驗結果和國外采購同類型部件夾雜物數據，認為液體滲透顯示的主要原因：鍛件原材料中存在滿足技術規格書（采購規范）夾雜物等級要求的大尺寸非金屬夾雜物（氧化鋁和硅酸鹽）。誘發因素：（1）構件表面夾雜物與基體金屬間的不協調塑性變形，在夾雜物周圍形成微觀缺陷，形成液體滲透顯示；（2）焊接應力或水壓試驗應力作用下，在夾雜物周圍誘發微觀缺陷，形成液體滲透顯示。

3 顯示處理

M310及其改進型三環路百萬千瓦級壓水堆核電機組反應堆壓力容器控制棒驅動機構耐壓殼與管座間Ω環的應力分析中，采用的壁厚為1. 77mm，I、II、III、IV類工況和試驗工況的計算結果均滿足RCC -M規范的要求。而耐壓殼與管座間Ω環的最小設計壁厚為1. 9mm。本文討論的顯示可考慮采取如下處理方式：經設計院認可修復方案后，打磨消缺并圓滑過渡，在滿足設計應力計算壁厚的前提下，原樣接受。

4 探討

4. 1 材料采購技術要求優化

4. 1. 1 耐壓殼不銹鋼材料采購技術要求

密封殼用00Cr18Ni10N不銹鋼鍛棒的夾雜物、晶粒度要求具體見表4。00Cr18Ni10N為中國國標奧氏體鋼牌號，等同于RCC-M M3301中法國NF奧氏體鋼牌號Z2CN19 -10（控氮）。耐壓殼技術要求中對00Cr18Ni10N提出的要求不低于RCC-M M3301，符合RCC-M M3301的要求。其中RCC - M M3301對于Z2CN19 - 10（控氮）的非金屬夾雜物沒有要求［12］。

4. 1. 2 管座法蘭不銹鋼材料技術要求

管座法蘭用Z2CN19 -10（控氮）奧氏體不銹鋼鍛件的夾雜物、晶粒度要求相同，具體見表5。管座技術要求中對Z2CN19 -10（控氮）提出的要求不低于RCC-M M3301，符合RCC-M M3301的要求。其中RCC - M M3301對于Z2CN19 - 10（控氮）的非金屬夾雜物沒有要求［12］。

表4 耐壓殼技術要求中對夾雜物和晶粒度的要求Table 4 Adaptor requirements for inclusion and grain size

表5 管座技術要求中對夾雜物和晶粒度的要求Table 5 Latch housing requirements for inclusion and grain size

綜上，耐壓殼、管座法蘭不銹鋼材料的采購技術要求等級均低于國內早期建造機組從國外采購產品的等級，同時對于超尺寸夾雜物也沒有相應的限定。雖然超尺寸夾雜物（A、B、C類夾雜物寬度方向尺寸偏大，D類夾雜物直徑偏大）也會納入到夾雜物等級的評定中，但其對材料不均勻性、不連續性的貢獻大于一般夾雜物。且這些夾雜物均為硬脆相，脆性夾雜物尺寸越大棱角越尖銳應力集中越嚴重。當材料中應力水平較高時，這些應力集中部位常會首先發生界面分離。

同時，管座、耐壓殼材料均對應RCC - M M3301中Z2CN19 - 10，但技術要求對夾雜物等級驗收標準、驗收要求不完全一致。

4. 2 非金屬夾雜物控制

根據對PT顯示處非金屬夾雜物的分析［5、6］，接近或達到技術要求上限、超尺寸夾雜物的種類主要為氧化鋁和硅酸鹽（國標分類C類夾雜物（硅酸鹽），D類夾雜物為球狀氧化物），非金屬夾雜物處Al、Si、O含量較高。表6為材料技術要求中對化學元素含量的限值。為避免夾雜物導致的顯示產生，材料的夾雜物等級要求需要提高，同時應對超尺寸夾雜物進行限制?？赏ㄟ^加強原材料生產過程中Al、Si元素含量的控制以及冶煉過程中的除氧措施等方式達到該目的。

4. 3 顯示的影響

根據相應的制造完工報告數據、材料復驗數據和修復以后尺寸復核數據，綜合判斷：液體滲透顯示進行打磨處理后，對Ω焊縫及母材機械性能、結構強度的影響可以接受。同時考慮到控制棒驅動機構下部Ω焊縫附近母材顯示存在的實際情況及其產生的根本原因，不能排除在內表面存在類似顯示的可能。根據國內外同類型核電廠服役期間控制棒驅動機構Ω焊縫熔敷金屬和附近母材處出現應力腐蝕裂紋并導致冷卻劑滲漏事件的經驗反饋，Ω焊縫部位由于設計原因（冷卻劑長期滯留并無法有效循環），易形成應力腐蝕的敏感環境［1，15，16］。而內表面裂紋特征缺陷會加劇應力腐蝕的傾向，因此應關注應力腐蝕對控制棒驅動機構下部Ω焊縫及母材服役性能的影響。

表6 材料技術要求中對化學元素含量限值Table 6 Limit value of chemical element content in material technical requirement

控制棒驅動機構耐壓殼與管座通過螺紋連接，同時通過Ω焊縫進行密封焊接，其中螺紋承擔一回路的載荷，Ω焊縫主要提供密封功能。密封焊縫的泄漏不會造成控制棒彈棒事件以及放射性物質大量釋放事件的發生。國內外核電廠均有Ω焊縫發生泄漏的案例，可以通過覆蓋堆焊（OVERLAY）方式［1，4，17］或焊縫夾緊裝置（Canopy Seal Clamp Assembly，簡稱CSCA）［18］對泄漏焊縫進行修復，國內核電廠也有泄漏焊縫修復后繼續安全運行的成功案例。

5 建議

5. 1 提高夾雜物技術等級

建議適當提高耐壓殼不銹鋼材料采購技術要求和管座法蘭不銹鋼材料技術要求中A、B、C、D類夾雜物等級，同時不允許存在等同于GB/ T10561 -2005鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法中定義的超尺寸夾雜物。

5. 2 后續監督措施

對于采取第4節方案進行顯示處理的情況，建議役前一回路水壓試驗期間，抽取一定數量的控制棒驅動機構對下部Ω焊縫及相關弧段母材區域進行液體滲透檢查；在役換料大修期間，除根據RSEM1997（2000）規范［19］要求對所有控制棒驅動機構下部Ω焊縫及附近母材實施目視檢查外，同時抽取一定數量的控制棒驅動機構對下部Ω焊縫及相關弧段母材區域進行液體滲透檢查，并對液體滲透檢查結果進行評價，可適時考慮進行預防性和糾正性維修。

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Analysis About Penetrant Indications on CRDM Lower CSWs and the Base Metal

LING Ligong1，2，JIA Panpan1，*，SUN Haitao1，DONG Xiaolu1，SHENG Zhaoyang1，GAO Chen1，WANG Junhong3
（1. Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China，Beijing 100088，China；2. National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology，Beijing 100083，China；3. North China Institute of Science and Technology，Hebei 065201，China）

Abstract：The indications are detected by penetrant testing（PT）beforewelding，after welding and after hydraulic testing（HT）on the lower canopy seal welds（CSWs）and its adjacent base metal（BM）of control rod drive mechanism（CRDM）. The indications are almost nonlinearity display and less than 1mm，which are located in the area of arc section. Through testing the display，the performance of raw material scan meet the requirements of technical specification，meanwhile C class and D class oversize inclusion is detected. The PT display parts can observe inclusion and thin crack. With the End-of-manufacturing report（EOMR）review，material re-inspection，foreign supplier comparison and other analysis，it is concluded that the indication is related to the oversize inclusion. Indications canbe treated by limited polishing. This paper presents some suggestions such as improving procurement technical requirements on the raw material's inclusions，controlling the concentration of Al，Si，O in raw materials，performing overlay or CSCA maintenance in case of failure and appropriate in-service inspection.

Key words：CRDM；CSWs；indication；inclusion；in-service inspection

中圖分類號：TB302. 5

文章標志碼：B

文章編號：1672-5360（2016）02-0064-06

收稿日期：2016-01-23 修回日期：2016-03-07

基金項目：國家科技重大專項，項目編號 2011ZX06004 -010 -09；華北科技學院科技基金項目，項目編號 3142014046

作者簡介：凌禮恭（1985—），男，湖北黃岡人，工程師，現主要從事核設備及材料的安全審評工作

*通訊作者：賈盼盼，E-mail：hitjiapanpan@163. com