秦山核電廠穩壓器接管600合金焊縫應力腐蝕及檢查

蔣申華

【摘 要】本文以秦山核電廠穩壓器接管600合金焊縫為研究對象，在分析600合金應力腐蝕風險及在役檢查管理現狀基礎上，電站成功開發出相控陣超聲檢驗技術，并在R16大修期間實施滲透、射線、相控陣超聲組合檢查。此外，本文通過深入分析三種檢驗方法特性并結合各方法的檢驗結果，探討600合金焊縫管理弱項，并提出針對性改進措施。

【關鍵詞】應力腐蝕；在役檢查；超聲相控陣；結果分析

0 前言

穩壓器作為一回路承壓邊界一部分，主要承擔一回路主系統壓力的建立及調節功能。秦山核電廠穩壓器接管安全端焊縫，接管材料為碳鋼A508-Ⅲ，安全端為321不銹鋼。焊接時先在接管側預堆Inconel-600鎳基材料（簡稱600合金），然后與安全端焊接。由于600合金具有一定的應力腐蝕傾向，人們對大量的泄漏事故進行研究后確認：600合金在工況惡劣的反應堆一回路介質環境下極易產生應力腐蝕裂紋（簡稱PWSCC），從而對電站的運行安全造成潛在的風險。因此，為確保電站的運行安全，針對該類焊縫采取合適的無損檢測手段進行跟蹤檢查就顯得非常關鍵。

1 600合金應力腐蝕

1.1 600合金應力腐蝕分析

600合金屬鎳基固溶強化合金系，該合金具有優秀的抗腐蝕及抗氧化性能，還具有良好的焊接性能及綜合力學性能[1]，自20世紀60年代起被廣泛應用于核電站主設備制造。然而在國外隨著核電站運行堆年增加，由于600合金應力腐蝕而引發的泄漏事故時有發生，尤其是電站運行20年后其主設備600合金部件發生PWSCC的風險更大。

根據國外經驗反饋，600合金產生PWSCC主要受合金含鎳量、焊縫應力水平影響，此外焊縫溫度及介質環境等因素對裂紋的生長也有一定的促進作用，具體分析如下：

1）應力水平

焊接時焊縫內會存在一定的焊接殘余應力，此外隨工況的變化，穩壓器須作出相應的動作調節，承受一定的冷熱沖擊，從而產生熱應力及疲勞應力。

2）鎳含量

600合金易產生晶間應力腐蝕（IGSCC），鎳含量超過70%時合金發生IGSCC風險很高。通過查閱制造文件[2]，穩壓器接管焊材中Ni含量約為72.6%，因此該焊材本身具有較強的IGSCC傾向。

3）溫度影響

溫度對裂紋生長有一定促進作用。國外研究發現，在343℃溫度下，IGSCC裂紋的生長速度甚至達到290℃時速度的13倍。穩壓器工作溫度為343℃，工作溫度很高，故一旦焊縫內產生裂紋，將會導致裂紋很快生長。

4）介質環境

根據反應堆運行需要，需向主系統中加入適量硼酸、LiOH、H2O2等物質調節反應性，此外，反應堆運行過程中會產生一定的腐蝕產物，在上述物質的共同作用下，能夠進一步促進裂紋的生長。

1.2 600合金應力腐蝕檢查導則

為解決600合金PWSCC問題， EPRI在大量實驗研究基礎上發布了《MRP-139》導則。作為對ASME規范的補充，該導則對600合金的檢驗要求、檢驗方法及頻度、缺陷評定及驗收標準、焊縫評價等方面進行強制性規定。

針對穩壓器600合金焊縫，該導則強調：電站必須在2007.12.31日前按照《MRP-139》導則要求，完成超聲檢驗工作（超聲檢驗工藝必須按照ASMEⅪ卷附錄8要求通過性能驗證），且在后續運行時必須對該類焊縫進行復檢及安全評估。受制于焊縫特殊的尺寸結構，部分電站無法按照《MRP-139》要求實施超聲檢驗，因此該類電站最終采用了690合金預防性堆焊的方法進行保守處理。

2 秦山核電廠穩壓器600合金焊縫在役檢查

2.1 大綱在役檢查方法、頻度及結果

秦山核電廠設計、建造標準主要參照ASME規范，在役檢查主要依據ASME第Ⅺ卷。根據ASME第Ⅺ卷要求，電站在編制《秦山核電廠在役檢查大綱》時將600合金焊縫全部列入在役檢查監督范圍。根據ASME第Ⅺ卷 IWB-2500和IWB-240規定，其檢驗方法為射線、滲透，頻度10年一次。在役檢查科按照在役檢查大綱規定對相應焊縫組織檢查。

考慮到600合金存在較強PWSCC風險，為強化600合金焊縫監督，除大綱規定時機的檢查外，電廠在R13、R16期間對所有焊縫進行RT、PT追加檢查。

2.2 大綱在役檢查方法局限性分析

600合金PWSCC裂紋起源于管道內壁，沿焊縫往外壁擴展，且裂紋形成后其生長速度較快，一旦焊縫產生裂紋將很難保證在下一檢查周期內不發生泄漏事故。

RT檢驗主要用于檢測體積型缺陷，對形成較大局部厚度差的氣孔、夾渣等具有較高的檢出率，對裂紋類平面缺陷很難發現。尤其是在裂紋發展初期，由于裂紋本身結合比較緊密且尺寸較小，射線檢驗無法在底片上形成可辨識的黑度差，評片人員根本無法發現該類裂紋。

PT檢驗只能對表面開口缺陷進行檢驗，無法對表面以下的內部缺陷進行檢驗。受穩壓器結構影響，檢驗人員無法接近管道內壁，PT檢查只能從焊縫外壁實施，只有當缺陷貫穿整個焊縫到達外壁時，PT檢驗才能發現。因此， PT檢驗對PWSCC裂紋檢查無任何意義。

通過上述RT、PT檢驗方法的特性分析，歸納出兩種方法對PWSCC裂紋的檢出能力。由表1可知：RT、PT方法根本無法發現發展初期的PWSCC裂紋，也很難發現發展中期PWSCC裂紋。因此，即使本次檢驗中未發現裂紋，也不能確保焊縫不存在PWSCC裂紋，電廠無法據此對600合金焊縫內部狀況進行準確評估。

3 超聲波相控陣檢驗

超聲檢驗主要檢查平面型缺陷，對裂紋具有檢出率高、定位精確的優點，且對細微裂紋仍具有一定的檢出能力，能夠應用于異種金屬焊縫檢查。為規范超聲檢查工藝，確保檢查質量，ASME第Ⅺ卷附錄8明確規定了異種金屬焊縫超聲檢驗需通過性能驗證，并明確提出了性能驗證的相應技術指標。

與RT相比，UT檢驗技術更適合于對穩壓器600合金焊縫PWSCC裂紋的檢查。為準確評估穩壓器接管600合金焊縫安全狀況，電站在協作單位的支持下，參照ASME規范要求開展穩壓器接管600合金焊縫超聲檢驗技術開發。

3.1 超聲波相控陣檢驗技術研究

為開展超聲檢驗技術研究，電站對焊縫尺寸進行測繪發現：接管側超聲探頭掃查距離僅有15mm，常規超聲技術只能對焊縫進行部分掃查，無法有效覆蓋所有檢驗區。鑒于常規超聲技術對特殊結構焊縫無法掃查的現狀，電站決定參照ASME1998第Ⅴ/Ⅺ卷要求，開展超聲波相控陣檢驗技術研發。

3.1.1 超聲波相控陣檢驗技術指標

1）對比試塊設計、加工滿足ASME第Ⅴ卷要求；

2）缺陷試塊設計、加工滿足ASME第Ⅺ卷附錄8要求；

3）相控陣超聲檢驗必須完全覆蓋焊縫及熱影響區；

4）在有效覆蓋范圍的人工反射體信噪比大于12dB；

5）能有效檢測出起始于焊縫內壁，高度大于3mm的裂紋。

3.1.2 超聲波相控陣檢驗技術路線

1）設計、制作符合ASME第Ⅴ卷及Ⅺ卷附錄8要求的對比試塊及缺陷試塊；

2）根據焊縫結構及超聲波聲束衰減情況，完成探頭參數試驗及探頭制造；

3）進行聚焦法則研究，確定最佳探頭角度、扇掃角度范圍以及動態聚焦法則設定等；

4）形成成套的穩壓器接管600合金焊縫相控陣超聲檢驗系統；

5）編制完成穩壓器接管焊縫相控陣超聲檢驗規程。

經過專項組長達兩年的不懈努力，終于完成穩壓器接管600合金焊縫超聲波相控陣檢驗技術研發工作，該技術最終通過業內專家組評審。

3.2 超聲波相控陣現場實施

鑒于RT、PT檢驗方法對PWSCC裂紋檢驗很不敏感，且相控陣超聲檢驗方法已經開發成熟，電廠決定在R16大修時除了進行RT、PT檢驗外，還追加相控陣超聲檢驗。在超聲檢驗過程中，發現3道焊縫存在4處記錄性體積缺陷，所有顯示均滿足超聲檢驗驗收標準，具體缺陷特征參數見表2。根據焊縫的結構尺寸，并結合缺陷坐標及定位誤差，確認所有缺陷均位于接管預堆邊與焊縫熔合線附近。

4 在役檢查結果分析

R16大修期間，電廠組織專業檢測人員對5條600合金焊縫進行PT、RT、UT（相控陣）檢驗。通過對三種檢驗結果進行對比分析發現：

1）I-S01-E3A-26 RT檢驗發現3處體積缺陷，其中2處通過UT檢驗能夠發現（考慮到缺陷定位、定量誤差，確認為同一缺陷）；

2）I-S01-E3A-26 RT發現的第3處缺陷在射線底片上影像比較模糊（從保守角度考慮，進行記錄），超聲檢驗發現該處信號非常微弱（未記錄）；

3）由于缺陷尺寸較小， UT檢驗發現的另外2處缺陷，RT檢驗均未能檢出；

4）由于所有缺陷顯示均處于焊縫內部，未發展至焊縫外壁，所以PT檢驗未發現任何記錄顯示。

通過綜合分析R16大修PT、RT、UT檢驗方法的最終檢驗結果，并結合600合金焊縫的PWSCC傾向，發現對600合金PWSCC裂紋最有效的檢驗手段應該采用相控陣超聲檢驗+射線檢驗方法組合，通過UT、RT方法相互驗證。

5 結論及建議

為應對穩壓器接管600合金焊縫PWSCC風險，電站在RT、PT檢驗手段的基礎上，依據ASME規范開發了相控陣超聲檢驗方法，并在R16大修中成功實施。雖然此次檢查焊縫內未發現PWSCC裂紋，但為了加強穩壓器600合金焊縫的質量跟蹤，保證機組的安全穩定運行，提出以下三點改進建議：

1）針對600合金焊縫，后續在役檢查應采用RT、UT的結合方式，通過UT、RT方法進行相互驗證，從而加強對該類焊縫的檢查跟蹤；

2）優化600合金焊縫的檢驗周期，建議在每次換料停堆期間進行跟蹤檢查；

3）盡快完善穩壓器600合金焊縫的維修技術準備工作，如果發現PWSCC缺陷，電廠應能即時啟動維修工作。

【參考文獻】

[1]韓紅梅.Inconel 600合金材料的焊接工藝[J].焊接，2008，2.

[2]穩壓器產品質量證明書合格證、技術規范—主要焊接材料檢驗及復驗結果.

[責任編輯：田吉捷]