反應堆壓力容器頂蓋與上部堆內構件壓痕分析

蒙堆強 葉清 蔡國輝 王詩林

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

壓力容器作為核燃料發生核物理反應的場所，是核電廠反應堆一回路最為重要的設備，保證其質量安全可靠是作為核安全的首要目標。為了反應堆堆芯和堆內構件的裝卸，壓力容器必須有一個可拆卸的頂蓋；為防止放射性物質泄漏，要求密封結構的安全可靠，所以通常采用雙道鍍銀C形環的密封結構[1]。壓力容器主要部件材料為錳鎳鉬合金鋼（16MND5）。

1 背景簡述

福清核電3號機組冷試結束后，將壓力容器頂蓋吊運至頂蓋存放間期間，發現壓力容器頂蓋法蘭面位置出現一圈壓痕，用手觸摸略微感覺有毛刺突起。對有出現突起的地方用杠桿百分表測量，出現毛刺的地方高度約0.03-0.05mm。在熱試結束后，在壓力容器開蓋階段吊運壓力容器頂蓋時發現與冷試相同位置，壓痕毛刺高度約為0.03-0.04mm，觸摸有輕微粗糙感，無明顯毛刺現象。福清核電4號機組冷試和熱試結束壓力容器開蓋過程中，也發現與3號機同樣的問題。

2 壓痕分析

針對壓力容器頂蓋與堆內構件接觸地方出現的壓痕進行了取樣和數據測量分析，通過取樣和數據測量分析結果總結壓痕行成的機理。

2.1 取樣分析

對壓力容器頂蓋法蘭密封面壓痕處進行取樣分析。分析內容包括宏觀形貌觀察、微光形貌觀察、能譜分析，采用的方法有：①目視或放大鏡檢查；②JB/T 6842-1993《掃面電子顯微鏡試驗方法》；③GB/T17359-2012《微束分析 能譜法定量分析》。分析結果如下：

（1）壓力容器頂蓋法蘭端面的磨痕為局部接觸磨損損傷，磨損區環向分布，由若干不連續的磨損區域組成，磨損區域徑向寬度為20-30mm，磨損區外邊緣距離壓力容器頂蓋法蘭端面與上部堆內構件上端面的接觸邊緣約10mm左右。用手觸摸磨損區表面，沒有明顯的突起感，沒有形成類似毛刺類型的突起。

（2）在掃描電鏡下觀察壓力容器頂蓋上壓痕處碎屑的形貌并進行能譜分析。碎屑表面有明顯的擠壓變形和堆疊現象，通過能譜分析，碎屑成分組成與法蘭基體材料基本一致，根據形貌和成分判斷其為機械擦傷及磨損產生的碎屑[1]。

上述分析表明，壓力容器頂蓋法蘭下端面與上部堆內構件上法蘭靠近邊緣的表面發生徑向滑動摩擦損傷，損傷區寬度較大，為局部面接觸損傷，壓緊彈簧上端面的損傷寬度較小，也為徑向方向上的局部面接觸損傷。損傷區獲取的碎屑成分均符合不銹鋼的成分組成，屬于機械損傷產生的碎屑。綜合3號機組冷態壓力試驗后的環向線接觸磨損和本次局部面接觸磨損的特征可見，磨損區域是頂蓋法蘭下端面與上部堆內構件上端面首先發生接觸的區域，在后期的裝配或運行過程中兩個端面發生相對滑動，形成表面損傷。

2.2 數據測量分析

在進行磨損碎屑材質分析的同時，還進行了壓力容器安裝時各項數據的測量比對，為磨損產生的原因提供數據依據。

對上部堆內構件上支承法蘭外圓倒角進行測量，測量結果滿足設計要求。對堆內構件相關安裝數據進行核查，并與冷試、熱試期間進行比較，未發現超出驗收標準的范圍。同時對冷試和熱試壓力容器主螺栓拉伸數據進行比較分析冷試壓力容器關蓋時主螺栓拉伸殘余拉伸量比熱試期間大0.21mm，拉伸最終壓力也高出近300bar,且冷試期間反應堆一回路最大壓力為19Mpa，而熱試期間反應堆一回路最大壓力為15.4Mpa。這些差異對壓力容器頂蓋法蘭面、上部堆內構件支撐法蘭面和壓緊彈簧上表面的冷試與熱試期間出現的壓痕差異有一定程度的影響。試驗期間壓力容器長期處于高預緊力、高溫高壓狀態下，壓力容器頂蓋密封面、上支承法蘭表面擦痕是由于堆內構件與壓力容器間的存在熱脹差，這對產生壓痕現象也有一定的影響。另外，上部堆內構件上支撐組件法蘭上端面處設計上為3±0.5×45°±2°倒斜角而非用圓角圓滑過渡，在壓力容器受內壓變形時該處接觸應力集中，進一步促成了壓痕邊緣處產生毛刺。

3 處理過程及結果

對出現壓痕的端面進行打磨修復處理，主要分為修復前的防護、打磨實施、修復結果驗收三個階段。

在修復工作開展前，需將密封面不需修復的部位進行防護，尤其是密封槽等關鍵部位。用核級膠帶對內、外C型密封環槽和固定螺釘槽處做好防異物保護。修復時用干凈的白布蘸酒精清洗壓痕部位；在清潔完成后用砂紙對壓痕和需要處理的地方進行手工修磨，每修磨完一部分就做PT檢查，如不合格就再進行修磨，直至完成整體修磨。整體修磨完成后使用百潔布和酒精對處理部位進行拋光，使其滿足表面粗糙度和平面度的要求。在拋光過程中，由于表面精度提高，發現了不少在修磨時發現不了的小坑。將這些小坑進行修磨并在周邊圓滑過渡，然后繼續進行拋光至表面滿足要求；必要時可采用小型電動工具進行拋磨工作；拋磨后，對修復部位進行清潔；修復后對修復部位進行VT、PT檢查，并進行平面度測量，測量驗證合格后使用干凈的白布蘸酒精對密封面進行全面清潔。

4 結語

綜合對壓痕的取樣及數據測量分析，得出壓力容器關蓋后長期處于高預緊力狀態下，壓力容器頂蓋密封面、上支承法蘭表面壓痕是由于堆內構件與壓力容器間的脹差造成，壓力容器在受到內壓后會出現一定的變形，另外壓力容器與堆內構件材質不一樣存在一定的熱脹差，導致壓力容器法蘭面形成少量毛刺，屬于正常現象，不影響設備功能及正常使用[2-3]。

通過對此次壓力容器壓痕產生的機理分析，為后續堆內構件設計優化有很好的借鑒意義，目前福清5、6號機組已對該處外圓倒角進行相應優化改進，對上部堆內構件上支撐組件法蘭上端面的倒角變更為R3±0.5倒圓角，減輕上部堆內構件上支撐組件法蘭與頂蓋的應力集中，預防產生毛刺。另外，此次成功分析和處理反應堆壓力容器頂蓋壓痕對其他壓水堆核電廠反應堆壓力容器頂蓋壓痕的處理具有良好的借鑒意義。