我國核電廠役前檢查異常情況匯總與典型案例分析

王 臣，張 鍇，劉 暢，馬若群，高 晨，*

（1.中機生產力促進中心，北京 100044；2.生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082）

根據生態環境部令第8號《核動力廠、研究堆、核燃料循環設施安全許可程序規定》要求，在核電廠首次裝料前，營運單位應向核安全監管機構提交役前檢查結果報告，由核安全監管機構對報告進行審查［1］。截至2020年底，我國運行核電機組有49臺［2］。每臺機組首次裝料前都按照在役檢查大綱和核安全法規標準的要求實施了役前檢查工作。役前檢查的主要目的是獲取機組初始狀態下的數據，為以后在役檢查建立比對基準［3］。盡管設備在制造安裝階段都已實施了無損檢查工作，但幾乎每臺機組役前檢查時仍會發現異常情況或超標缺陷。異常情況的產生原因分析、處理方案和后續跟蹤監督措施一直是核安全審評的關注重點。本文梳理了近年來我國核電廠役前檢查發現的異常情況，對典型案例進行了深入分析，為后續役前檢查活動的實施和核安全審評提供了經驗和建議。

1 役前檢查異常情況匯總

近十年來，我國有38臺核電機組按要求開展了役前檢查，其中包括嶺澳二期3-4號機組、秦山二期3-4號機組、紅沿河1-4號機組、寧德1-4號機組、陽江1-6號機組、防城港1-2號機組、方家山1-2號機組、福清1-5號機組、昌江1-2號機組、臺山1-2號機組、海陽1-2號機組、三門1-2號機組、田灣3-5號機組，相關異常情況見表1。

表1 近年來役前檢查發現的異常情況統計Table 1 Statistics of abnormal cases found in pre-service examination in recent years

上述統計結果表明，設備或管道支撐焊縫、管道環焊縫和插塞焊縫上的超標缺陷在役前檢查中檢出次數最多，31臺核電機組役前檢查出現了此類情況，約占檢出缺陷總次數的81.57%。盡管機械設備在制造安裝階段已按規范標準實施了無損檢測，但役前檢查仍能發現異常或超標缺陷，其原因主要有以下幾種。

（1）漏檢。在制造安裝階段，檢查程序不完善、檢驗人員操作不認真等原因導致未能有效地檢出超標缺陷，大部分超標缺陷屬于這類情況；

（2）設備運輸、保養不當。容器、管道焊縫上出現的劃傷、磕碰就屬于這類情況；

（3）制造廠和役前檢查單位對同一受檢對象所使用的檢查技術不同或對規范標準理解的不一致導致檢查結果的差異，某些機組的反應堆壓力容器焊縫的超標缺陷屬于這類情況。

針對不同原因做好經驗反饋工作有助于減少類似情況的重復發生。

2 典型案例分析

2.1 主蒸汽管道支撐焊縫存在裂紋類缺陷

某核電機組在役前檢查階段對主蒸汽管道支撐焊縫進行滲透檢查時發現7條焊縫存在超標線性顯示，最長一條線性顯示約726 mm。檢出的線性顯示長度遠遠超過以往工程實踐檢出的缺陷長度，且具有裂紋類缺陷的形貌特征，營運單位按照監管方要求深入分析了缺陷性質和產生原因。該支撐焊縫的結構形式較為獨特，如圖1所示，每個橫向支撐與管道之間有兩道環向全焊透角焊縫。

圖1 主蒸汽管道支撐焊縫結構形式Fig.1 Main steam pipeline support weld structure

2.1.1 缺陷性質

營運單位選取2個典型缺陷焊縫分別在母材、焊縫、裂紋和裂紋鄰近部位進行了覆膜金相檢驗，結果顯示，線性顯示為裂紋，裂紋位置集中在熱影響區粗晶區，裂紋宏觀形貌如圖2所示；在裂紋附近部位發現了淬硬性馬氏體組織、粗大的脆性板條馬氏體組織；表面致密的氧化物形貌特征，裂紋微觀形貌如圖3所示，這表明了該裂紋應產生于焊后熱處理前。

圖2 焊縫裂紋的宏觀形貌Fig.2 The macroscopic morphology of weld crack

圖3 焊縫裂紋的微觀形貌Fig.3 The microscopic morphology of weld crack

2.1.2 產生原因

營運單位通過追溯管道母材材質、橫向支撐鋼板材質、焊接材料以及焊接工藝等方面，基本判定裂紋是由于焊接及熱處理工藝控制不當導致熱影響區出現脆性馬氏體組織、焊后未能及時消除殘余應力而產生的。該支撐焊縫為工廠預制焊縫，焊接時間為10月下旬，當時焊接車間環境溫度較低，焊縫焊后冷卻速度較快，加之焊前預熱溫度不夠導致熱影響區存在較大的淬硬傾向，因此在焊縫熔合線附近的熱影響區形成了粗大的脆性板條狀馬氏體組織，且母管和限制件厚度較大，限制件本身結構拘束度較高，制造單位在焊接完成后間隔較長時間才進行整體消應力熱處理，錯過了消除裂紋傾向的最佳時機。

2.1.3 修復方案和后續監督

對該表面線性顯示的處理方案為：先對超標顯示部位進行打磨消缺，滲透檢查合格；再根據尺寸測量的結果（包括壁厚、焊角尺寸等），由設計方進行評估，如打磨后的尺寸不滿足設計要求，則進行補焊，補焊后進行滲透檢查，并將打磨區域的尺寸恢復至設計尺寸。

根據標準要求，該支撐焊縫在役期間每十年進行一次滲透檢查，但考慮到該支撐焊縫熱影響區仍存在一定數量的馬氏體組織，且該焊接結構自身拘束度大，應力較難松弛，運行后在各種工況的應力載荷及環境作用下，其他區域有產生役致裂紋風險［4，5］，且修復后局部微觀組織及應力狀態更加復雜，焊縫及鄰近區域的服役狀態存在一定的不確定性，監管方認為有必要提高該焊縫的檢查頻度，即第一個十年期間增加三次滲透跟蹤檢查。

2.2 主泵主法蘭螺栓磁粉檢驗超標顯示

某核電機組役前檢查階段對主泵主法蘭螺栓及備件螺栓進行磁粉檢查（共71根螺栓），發現23根螺栓的螺紋區存在多處線性顯示，缺陷微觀形貌如圖4所示，部分螺栓經兩次返修后仍有大量線性顯示，而以往工程實踐中螺栓出現的缺陷形式基本都是螺牙磕碰損傷。針對主泵螺栓出現的多處線性顯示，營運單位按照監管方要求深入分析了缺陷性質、缺陷產生原因以及這些線性顯示沒有在制造階段被檢查出的原因。

圖4 主泵法蘭螺栓上的線性顯示的微觀形貌Fig.4 The microstructure of linear indication on the flange bolt of the main pump

2.2.1 缺陷性質及產生原因

經詳細分析，營運單位認為：螺紋表面線性顯示為螺紋滾壓加工過程中產生的材料折疊裂紋，缺陷位于螺紋滾壓形變層內且呈閉合形態，滾壓工藝參數設置不當或設備精度不足可能是缺陷產生的主要原因。同時，營運單位核查了螺栓制造階段的無損檢驗結果，螺紋加工后的螺栓表面檢查未發現任何顯示，其主要原因為在螺紋加工后對螺栓表面的檢查方法是液體滲透檢驗，滲透檢查的局限性導致了無法檢出材料表面的未開口缺陷。

2.2.2 后續處理措施

考慮到裂紋類缺陷在服役狀態下具有擴展的危險特性，營運單位對23根出現線性顯示的螺栓采取了報廢處理，確保最后安裝在主泵上的所有螺栓均為磁粉檢查一次合格的產品。考慮到裂紋產生的原因為加工工藝的問題，則同批次的螺栓存在潛在裂紋未被檢出的可能性，且核電行業曾多次出現螺栓失效的案例［6，7］，監管方要求營運單位在機組第一次大修時對主泵螺栓再次進行磁粉檢查，若檢查再次發現裂紋顯示，則應更換同批次同螺紋加工方式的全部螺栓。

2.3 穩壓器筒體與下封頭環焊縫的超標超聲顯示

某核電機組在役前檢查階段對穩壓器筒體與下封頭焊縫進行了超聲檢查，檢查發現的穩壓器下封頭與筒體之間環焊縫存在5處體積性顯示。雖然每個單獨顯示都滿足驗收準則，但RCC-M規范MC 2638對間距較近的單個超聲顯示有包絡組合的規定，因此還需要評判這5處顯示的幅值、尺寸和位置是否滿足RCC-M MC 2638關于顯示的組合規定。

2.3.1 超聲顯示的組合

MC 2638規定如果同時符合下面兩個條件，則可將兩個單獨的超聲顯示組合在一起［8］。

（1）若干顯示的投影在掃查面上的相隔距離小于最小顯示長度的6倍；或者有一個顯示是點狀，與點狀顯示的間距小于20 mm；

（2）若干顯示的投影在焊縫橫截面上的間距小于或等于20 mm。

組合后顯示的波幅是所有單獨顯示中測得的最高波幅，其尺寸是相距最遠的缺陷兩端連線的長度。經分析，其中兩處相鄰顯示（D04、D05，具體信息如圖5所示）滿足MC 2638關于顯示組合的條件，組合后的缺陷波幅采用距離波幅曲線（Distance Amplitude Curve，簡稱DAC）表征，具體為DAC+1 dB、長度為44 mm。組合后的缺陷不滿足RCC-M規范S7714.4核一級焊縫超聲檢查驗收準則，因此，運營單位需對此組合顯示按照超標缺陷進行處理。

圖5 穩壓器筒體與下封頭環焊縫上兩處超聲顯示的相互關系Fig.5 The relationship between the two ultrasonic indications on the girth weld of the PRZ cylinder and the lower head

2.3.2 處理方案

對于該超標缺陷，考慮到現場返修難度和風險較大，營運單位委托設計方采用斷裂力學方法進行安全評價，該方法已廣泛應用于核電設備缺陷的可接受性評價［9］。分析過程主要為：將兩處顯示組合成一個缺陷后，依據RSE-M規范將缺陷假設為深埋橢圓平面缺陷（環向裂紋），缺陷尺寸根據超聲檢查結果并考慮超聲檢查尺寸測量的不確定性來確定；然后對含初始裂紋的結構進行裂紋擴展分析，并對壽期末最終裂紋的快速斷裂風險進行評定［10］，包括在第二、三類工況下對壽期末最終裂紋的不穩定擴展風險和延性撕裂起始風險進行評定，在第四類工況下對壽期末最終裂紋的不穩定擴展風險進行評定。計算結果顯示：壽期末（40年)疲勞裂紋深度和長度方向擴展量均小于0.1 mm，各類工況下的風險評定計算結果滿足規范要求。

2.3.3 后續跟蹤監督

對于經分析評價可接受的超標缺陷，核安全導則HAD 103/07規定，在隨后的檢查間隔內（一般為10年）進行3次跟蹤檢查，因此監管方要求營運單位在機組第1個10年運行期間對該焊縫進行3次超聲檢查，并判斷缺陷是否有顯著變化。

2.4 主管道焊縫的射線底片上異常顯示

某核電機組在役前檢查階段對反應堆壓力容器安全端與主管道連接焊縫、蒸汽發生器一次側安全端與主管道連接焊縫進行射線檢查，射線底片表明焊縫質量滿足驗收標準，但在焊縫評定區以外（即主管道母材上）發現多處異常顯示，這些異常顯示的缺陷性質多數為氣孔和夾渣。由于首次發現此異常情況，所以這些異常影像的可接受性需進一步評價。

2.4.1 驗收準則

RCC-M規范對核一級焊縫的射線檢查驗收準則為：氣孔≤4 mm、夾渣≤20 mm。如果對射線底片的所有區域即評定區和評定區外區域按照上述驗收準則進行評判，則大部分顯示都為超標缺陷。但根據RCC-M S7712和RSE-M A4230的規定，對焊縫進行射線檢查時檢查區域應包括焊縫熔敷金屬和焊縫兩側10 mm的區域（即射線底片上的評定區），同時規范中明確說明評定區以外發現的缺陷應按照零部件采購技術要求進行驗收，則評定區以外發現的顯示應該按照主管道母材采購技術要求RCC-MM3406進行驗收。

M3406對主管道母材射線檢查結果要求如下：缺陷類型應依據法國標準NF A04-160給出，并參照1級嚴重程度的標準射線底片來評定缺陷是否可接受；縮孔和裂紋類缺陷是不可接受的。值得注意的是，NF A04-160中規定壁厚在51—114 mm的鋼鑄件應按照ASTM E186規定的標準射線底片進行缺陷嚴重程度的判定［11］。因此，實際上主管道母材的射線檢查結果應按照ASTM E186進行評判，而且其評判內容與焊縫射線檢查結果的評判有較大不同，前者是通過對比射線底片與標準射線底片進行缺陷嚴重程度的判定，而后者是將缺陷顯示的尺寸大小直接與限值進行比較［12］。

2.4.2 處理方案

雖然主管道母材在制造階段已由制造方進行了全面的射線檢查且出廠檢查結果合格，但由于主管道的重要性且在射線底片上發現的顯示數量較多，出于保守考慮，營運單位根據監管方要求對主管道焊縫射線底片上評定區以外的缺陷顯示按照NF A04-160和ASTM E186的要求進行了復核評定，最終評定結果滿足驗收準則。

2.5 反應堆壓力容器超聲檢測超標/異常顯示

近年來，已有4臺機組在役前檢查階段對反應堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，簡稱RPV）進行超聲檢查時發現了超標或異常顯示，缺陷具體信息見表2。作為核電廠最核心設備，一旦RPV出現超標缺陷，缺陷產生原因以及處理方案將成為關注重點。

表2 國內若干機組RPV承壓邊界上異常缺陷信息Table 2 Abnormal defect information on RPV pressure boundary of several domestic units

2.5.1 原因分析

其中1臺機組RPV筒體外表面缺陷已被證實為混凝土附著物，其產生原因為堆腔結構土建施工階段灌漿原料通過保溫層間隙流到RPV筒體外表面；其他3臺機組RPV在制造階段未檢出但役前檢查發現超標缺陷的主要原因是役前檢查與制造階段采用的超聲檢查技術有差異［13,14］，役前檢查階段采用自動超聲檢查技術，制造階段多采用手動超聲檢查技術。

本文以某機組RPV接管焊縫的超標缺陷為例進行詳細說明。在制造階段制造商根據制造規范RCC-M MC2151采用半波法（-6 dB法）進行缺陷長度測量，在相同位置檢出兩個缺陷的尺寸分別為：DAC-3.7 dB/5 mm和DAC-9.1 dB/5 mm，兩個缺陷均滿足驗收準則；在役前檢查階段檢驗單位根據在役檢查規范RSE-M進行檢查，由于RSE-M中對超聲檢查技術的測長方法沒有明確要求，因此檢驗單位采用經過能力驗證的檢查技術以及噪聲法進行缺陷長度測量，在相同位置測得缺陷的尺寸大小為：DAC-2.3 dB/66.6 mm，該缺陷不滿足驗收準則。由此可見，測長方法的不同導致了最終結果的差異，為進一步弄清差異，役前檢查單位采用半波法對該缺陷進行了復驗，復驗測得缺陷的尺寸大小為：DAC-2.3 dB/51.3 mm，該缺陷滿足驗收準則。兩種測長方法的差異如圖6所示。

圖6 半波法和噪聲法對缺陷測長的差異Fig.6 The difference between the half-wave method and the noise method in measuring the length of defects

2.5.2 處理方案

對于RPV承壓邊界焊縫的超標缺陷，如果返修所帶來的風險較大，一般情況下采用斷裂力學方法進行安全評價；如果返修風險可控，優先推薦在役前階段清除缺陷以免給機組服役后帶來隱患，如某機組RPV接管焊縫的超標缺陷位于焊縫加強高部位，離筒體外表面較近，權衡利弊后，營運單位最終采取打磨將缺陷去除，去除缺陷后通過力學計算校核打磨后焊縫尺寸形狀，結果滿足設計要求，不需要補焊。根據該經驗反饋，一些營運單位考慮實施“預役前檢查”，即對于重要主設備在工廠制造階段，委托在役檢查單位使用役前檢查工藝、按照役前檢查標準對設備實施檢驗［15］。

3 總結

近十年來，我國38臺核電機組順利通過役前檢查，先后進入運行階段，并保持了良好的運行狀態。役前檢查起到了比較重要的作用。役前檢查檢出的劃傷、咬邊、未熔合、氣孔、裂紋等各類缺陷處理，尤其是典型缺陷的處理為后續類似情況的工程處理、核安全審評提供了相關參考經驗，也為在役檢查提供了重要的基礎。

此外，通過對5起典型案例的深入分析，本文給出以下建議：

（1）針對在役前檢查階段發現的線性顯示，應深入分析缺陷性質和產生原因，若確認為裂紋類缺陷，應即時消除，并加強后續在役監督；

（2）焊縫超聲檢測結果評判時應按標準要求分析超聲顯示信號的可組合性，避免漏評超標顯示；

（3）針對反應堆壓力容器等重要主設備，可考慮在制造階段采用役前檢查單位的超聲檢測工藝進行復核，避免由于檢測工藝差異導致超標缺陷漏檢。