核電Canopy密封焊縫失效分析及制造期間的預防

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核電Canopy密封焊縫失效分析及制造期間的預防

李開
（國核工程有限公司，上海200233）

摘要：本文主要通過國內電站Canopy密封焊縫硼酸泄漏事件，分析出泄漏原因為應力腐蝕導致的裂紋，并根據核電設備制造過程容易引入的應力腐蝕影響因素提出制造、運輸及安裝等各階段的預防措施。

關鍵詞：控制棒驅動機構；Canopy密封焊縫；應力腐蝕裂紋；預防措施

0. 前言

AP1000機組控制棒驅動機構（簡稱CRDM）的棒行程殼體和鉤爪殼體的Canopy密封焊縫分布在壓力邊界，對核電站的運行具有極為重要的作用。根據經驗反饋，控制棒驅動機構的Canopy密封焊縫發生泄漏的概率較高。已知的發生控制棒驅動機構CANOPY焊縫密封焊泄漏核電機組有法國、美國、比利時、瑞典、英國以及中國等。

1. 國內電站Canopy焊縫泄漏

2007年，國內電廠某機組檢修人員在進行目視檢查時發現控制棒驅動機構上部密封焊處有硼結晶。隨后進行的無損檢測檢查也發現了部分焊縫位置有缺陷信號，而通過對發現缺陷信號的螺紋區進行手動超聲檢查，未發現異常，可以判定這些缺陷均屬于密封性承壓邊界缺陷而非結構性承壓邊界缺陷。另據反饋，2005年，國內電廠另一機組換料大修時，發現部分CRDMCanopy密封焊縫收弧區內也存在硼泄漏點。

1.1原因分析

由于現有研究手段無法對有缺陷的CRDM進行實際解剖，故本文根據現場信息及外部經驗反饋進行分析。將多種可能的誘因逐一排除，最終確定缺陷原因應為應力腐蝕。具體分析如下：

1.1.1機加工產生初始裂紋

原材料及產品在制造過程中會經過諸多機加工工序，如鉆孔、擴孔、車外圓、加工坡口等，有產生初始裂紋的可能。但在鉆孔等粗加工工序后，進行了固溶處理，產生的殘余應力很小。在密封焊接前，還對密封焊坡口進行液體滲透檢查，出廠前還進行了超聲檢查，基本保證密封結構區域內外表面無缺陷。

1.1.2焊接過程中產生初始裂紋

因材料焊接性能良好，焊接工藝經過了嚴格的工藝評定，且設置了焊前模擬件及焊接見證件，焊后也經過了無損檢查，產生初始裂紋的可能性很小。

1.1.3由于疲勞原因產生初始裂紋

疲勞原因產生初始裂紋的可能性可由以下3點排除：（1）從CRDM的結構和運行條件判斷，假如有疲勞應力，應該是熱應力引起，CRDM在制造期間做過熱態試驗，同時，運行期間各部位溫度基本恒定，不存在溫度頻繁變化的情況。（2）從CRDM制造及安裝判斷，CRDM在運行期間不存在晃動或震動。況且CRDM每個部件的設計要求其應力在許用應力之下，疲勞使用系數有相應限值。而且，從設計冗余角度考慮，即使疲勞使用系數高于限值，也不會輕易出現疲勞裂紋。（3）電站運行時間較短，從設計角度考慮不會產生疲勞裂紋。

1.1.4由于應力腐蝕原因產生初始裂紋

如果由于某些原因導致氯離子、氟離子等鹵族元素聚集在Ω腔內部，可能產生點蝕坑，點蝕坑在應力的作用下產生裂紋，在機組啟停、運行瞬態等作用下加速裂紋的生長，最終導致貫穿泄漏。根據法國電站經驗反饋，其已發生四起密封焊縫泄漏事件，除一起原因不明外，其余三起經熱實驗室檢查都將原因判斷為鹵族元素引起的應力腐蝕。綜上所述，Canopy密封焊縫缺陷最大可能是應力腐蝕，而這種應力腐蝕可能與制造缺陷，制造、運輸或安裝階段氯污染及運行過程中局部化學條件惡化等因素有關。

2. 制造過程中的控制

需嚴格控制制造、運輸和安裝階段的質量，改變并完善CRDM的設計和焊接工藝。

2.1母材

（1）制造廠和材料供貨商應注意在任何階段注意減少材料的冷加工，對彎曲、冷成型、校直等冷加工操作過程進行硬度控制以防止產生過量的冷作硬化，并且在加工后進行固溶處理以及100%體積的超聲波檢查。（2）與CRDM接觸的工藝材料，包括清潔、螺紋潤滑劑等材料，其組成里應無有意添加的低熔點的金屬。暴露在高于環境溫度之前，應將所有表面尤其縫隙中的低熔點物質完全去除。

2.2焊接材料

（1）焊接材料的加工和制造應使材料敏化最小化，并且不影響材料的抗晶間腐蝕性能。（2）焊絲在使用前，必須清除表面的油脂和雜質，并用白綢（布）浸蘸丙酮擦洗干凈，每次焊接前都應剪掉焊絲頭，以防端部有污物帶入焊縫。（3）另外，焊縫填充金屬還用控制鐵素體含量，以防止產生熱裂紋。

2.3焊接的實施

（1）待焊坡口表面進行液體滲透檢驗。施焊前，可用丙酮擦凈待焊表面。待焊表面不應存在油脂等影響焊接質量的雜質。（2）對于焊縫的每一焊道，都應用不銹鋼絲刷仔細清理焊縫表面的氧化物，對影響下道焊接質量的缺陷予以去除。（3）密封焊焊耳需得到妥善保護，除非要與其他零部件組裝，不得取下焊耳保護裝置，并遮蓋保護好焊接區域，防止異物進入。Canopy密封焊縫對接前，應清理焊耳表面，不允許有鹵素及其他異物。（4）焊接過程注意控制層間溫度，以提高應力腐蝕抗力和殘余應力控制。

3. 清潔包裝、運輸過程中的控制

包裝的設計應避免運輸、裝卸和貯存期間引入鹵族元素等雜質。（1）包裝前應即時檢查控制棒驅動機構清潔度。如有雜質應去除；（2）惰性氣體填充保護防腐，以防止濕氣或腐蝕性氣氛與裸露的金屬表面及其他材料發生反應。（3）膠帶不應包含氯、氟等有害元素，以免引起應力腐蝕。清除膠帶時，應用不含鹵素的溶劑擦拭去除殘存的膠粘劑。（4）對于Canopy密封焊縫區域，標識材料的鹵素含量應得到嚴格控制，不得使用電化學蝕刻和電弧筆。（5）避免裝卸和貯存期間造成材料表面污染。若使用碳鋼鏈條、吊索、鋼絲繩或鉤具進行裝卸，應避免這些工具與控制棒驅動機構不銹鋼表面直接接觸。

綜上所述，為了盡可能減少控制棒驅動機構Canopy密封焊縫運行期間的失效幾率，需嚴格控制控制棒驅動機構制造、運輸和安裝階段的質量要求，用于控制棒驅動機構的制造、安裝和試驗的奧氏體不銹鋼材料應按照認可的、將可能導致應力腐蝕最小化的方法進行處理、保護、貯存和清潔。

參考文獻

［1］魯艷萍.AP1000設備控制棒驅動機構設備制造案例［J］.質量管理，2014（3）：62-64.

［2］王豐，沈秋平.控制棒驅動機構老化機理及影響分析［J］.機械工程師，2014（6）：94-97.

中圖分類號：TM623

文獻標識碼：A