核電廠射線插塞焊縫失效研究與改進

方 江

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

射線插塞是為實現核電廠核級厚壁管道射線檢驗而在管道上增設的射線源通道，這些管道主要為高溫高壓核壓力邊界。近年來，國內核電廠已發生數起射線插塞焊縫失效事件，造成了巨大的經濟損失并對核安全構成一定影響。針對這一共模缺陷，從插塞結構設計、安裝工藝、焊接工藝、無損檢查技術等方面綜合分析射線插塞焊縫的失效原因；系統性提出改型優化射線插塞結構、改進安裝工藝、優化無損檢測策略，以解決射線插塞焊縫失效問題，提高核電廠管道系統完整性、可靠性，保障核安全。

1 射線插塞結構

射線插塞設計為可拆卸式結構（圖1）。射線插塞由管座和插塞兩部分組成，管座和插塞均采用鍛制棒料機加工制造，其中管座材料選用20HD，插塞材料選用16MnHD 或20HD。管座與母管采用細牙螺紋（M36×1.5）安裝連接后焊接角焊縫密封，插塞組件與管座組件采用粗牙非標螺紋（Rd28/8）連接后焊接密封焊縫。在對管道實施中心曝光射線探傷時，打磨去除插塞與管座的密封焊縫，拆除插塞后，放射源即可通過專用導源管導入管道中心實施射線探傷，探傷完成后按原安裝要求對射線插塞進行復裝。

圖1 插塞安裝結構

2 射線插塞焊縫缺陷宏觀特征

2018 年12 月，國內某核電機組正常滿功率運行期間發生主給水管道射線插塞密封焊縫泄漏導致機組非計劃停堆小修事件。泄漏部位在插塞管座與插塞裝配縫隙結合處，液體滲透檢測顯示缺陷呈線狀，長2.2 mm，且缺陷位置處密封焊縫厚度明顯低于焊縫其他部位（圖2）。國內其他核電機組發生的射線插塞焊縫缺陷與該缺陷特征類似。

3 射線插塞焊縫泄漏原因分析

3.1 結構

經查詢插塞組件標準設計圖紙，插塞管座外徑為Φ35 mm，插塞直徑為Φ29 mm，即管座待焊承載面為3 mm 寬，管座待焊面無坡口平面堆焊結構設計（圖3）。

3.2 安裝工藝

為便于插塞的正常開啟，防止螺紋咬死，插塞與管座螺紋設計為粗牙非標螺紋（Rd28/8），安裝技術要求插塞完全擰入插塞管座后要回退1/4 圈，再焊接密封焊。此安裝要求必然會導致插塞與管座螺紋配合不緊密，插塞實際處于松動狀態，機組運行期間密封焊縫將承受一定的交變載荷。

3.3 焊接工藝

插塞密封焊焊接施工工藝參數要求見表1，焊材采用Φ2.0 mm 的ER70S-6 焊絲，密封焊方法為氬弧焊，焊縫為平面密封焊縫，共焊接2 層，打底層控制在較小電流范圍內施焊，可能會導致未焊透、未熔合等缺陷。

3.4 無損檢測

根據設計規范要求，插塞密封焊縫焊后實施目視檢查（VT）和液體滲透檢查（PT），經檢查均未發現缺陷，符合NB/T 47013 的要求。然而目視檢查和液體滲透探傷檢測均是一種表面缺陷檢測方法，VT 只能對焊縫外觀成型、宏觀缺陷進行人眼級別的識別判斷，PT 也僅能檢測表面開口缺陷，無法有效檢出焊縫層間及根部缺陷。

3.5 運維情況

該插塞所屬主給水系統管道，系統正常運行壓力為8.5 MPa，至發生泄漏時，已經運行了7 個燃料循環，期間經歷了建安階段和在役期間兩次水壓試驗，試驗最高壓力達到10.2 MPa，為設計壓力的1.2 倍，保壓時間要求為30 min。

圖2 密封焊縫缺陷

圖3 插塞密封焊設計

該失效密封焊縫曾經過兩次在役PT，按照無損檢測技術要求，焊縫PT 前需要進行表面除漆/除銹打磨處理，無損檢測后不再進行焊縫補強，無損檢測前的打磨處理工作導致密封焊縫局部厚度發生減薄，降低了焊縫強度。

3.6 原因分析小結

綜上分析，插塞密封焊縫設計為無坡口平面堆焊，焊縫熔深淺，焊縫強度不足；插塞與管座螺紋配合不緊密，且安裝技術要求擰緊后回退1/4 圈，插塞實際處于松動狀態，密封焊承受一定的交變載荷；兩次表面打磨除銹進一步減小了焊縫厚度，降低了焊縫承壓強度，并經歷了長期運行和兩次水壓試驗，最終導致該密封焊縫局部發生泄漏。

表1 插塞密封焊焊接施工工藝參數

4 優化與改進

4.1 焊縫結構設計改型

針對插塞密封焊強度先天不足問題，提出了將射線插塞端部延長，將平面堆焊密封焊縫優化為角焊縫結構，以提高焊縫固有強度。此設計改型只需重新加工插塞組件，原設計插塞整體高度為40 mm，優化后插塞整體高度為47 mm，保證角焊縫焊腳高度為3×6 mm，插塞與管座螺紋區域高度保持不變。原堆焊形式的密封焊改進為角焊縫（圖4）。

圖4 密封焊改進為角焊縫對比

4.2 安裝工藝改進

將原安裝工藝“將插塞完全擰入管座中，然后將螺紋擰松1/4 圈”改進為“將插塞完全擰入到管座中，并檢查擰緊狀態”以減少安裝后插塞松動或晃動，緩解密封焊縫運行載荷。

調整焊接工藝卡電流參數，施焊電流保持90～110 A，以降低打底層未焊透風險，并增加打底層PT 的要求，進一步避免焊接缺欠。

4.3 無損檢測策略優化

近年來隨著超聲技術的發展，其檢測靈敏度和適用范圍越來越廣，如相控陣超聲、TOFD 超聲檢測技術等，超聲檢測完全能夠滿足對管道焊縫埋藏缺陷的探測要求，在役期間盡可能采用超聲檢測代替射線檢測，可有效減少射線插塞的使用需求，降低反復拆卸、焊接引起的插塞失效風險。

5 結語

對核電廠核級管道射線插塞結構設計、缺陷宏觀特征、安裝和焊接工藝、無損檢驗等的綜合分析，明確了射線插塞失效的原因并提出了相應的改進策略，主要結論如下：

射線插塞失效的主要原因為插塞焊縫設計為平面堆焊密封焊，且對焊縫厚度沒有明確要求，插塞安裝不正確和焊接工藝不當，焊縫PT 前的打磨使密封焊縫厚度減薄，局部承載能力減弱而發生的貫穿泄漏；

將平面堆焊密封焊結構改進為角接密封焊結構可有效保證密封焊縫厚度，結合安裝工藝、焊接工藝、無損檢驗等改進措施可有效提高射線插塞結構完整性。