我国核电厂役前检查异常情况汇总与典型案例分析

2021-07-08马若群

核安全 2021年3期

王臣，张锴，刘畅，马若群，高晨，*

（1.中机生产力促进中心，北京 100044；2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082）

根据生态环境部令第8号《核动力厂、研究堆、核燃料循环设施安全许可程序规定》要求，在核电厂首次装料前，营运单位应向核安全监管机构提交役前检查结果报告，由核安全监管机构对报告进行审查［1］。截至2020年底，我国运行核电机组有49台［2］。每台机组首次装料前都按照在役检查大纲和核安全法规标准的要求实施了役前检查工作。役前检查的主要目的是获取机组初始状态下的数据，为以后在役检查建立比对基准［3］。尽管设备在制造安装阶段都已实施了无损检查工作，但几乎每台机组役前检查时仍会发现异常情况或超标缺陷。异常情况的产生原因分析、处理方案和后续跟踪监督措施一直是核安全审评的关注重点。本文梳理了近年来我国核电厂役前检查发现的异常情况，对典型案例进行了深入分析，为后续役前检查活动的实施和核安全审评提供了经验和建议。

1 役前检查异常情况汇总

近十年来，我国有38台核电机组按要求开展了役前检查，其中包括岭澳二期3-4号机组、秦山二期3-4号机组、红沿河1-4号机组、宁德1-4号机组、阳江1-6号机组、防城港1-2号机组、方家山1-2号机组、福清1-5号机组、昌江1-2号机组、台山1-2号机组、海阳1-2号机组、三门1-2号机组、田湾3-5号机组，相关异常情况见表1。

表1 近年来役前检查发现的异常情况统计Table 1 Statistics of abnormal cases found in pre-service examination in recent years

上述统计结果表明，设备或管道支撑焊缝、管道环焊缝和插塞焊缝上的超标缺陷在役前检查中检出次数最多，31台核电机组役前检查出现了此类情况，约占检出缺陷总次数的81.57%。尽管机械设备在制造安装阶段已按规范标准实施了无损检测，但役前检查仍能发现异常或超标缺陷，其原因主要有以下几种。

（1）漏检。在制造安装阶段，检查程序不完善、检验人员操作不认真等原因导致未能有效地检出超标缺陷，大部分超标缺陷属于这类情况；

（2）设备运输、保养不当。容器、管道焊缝上出现的划伤、磕碰就属于这类情况；

（3）制造厂和役前检查单位对同一受检对象所使用的检查技术不同或对规范标准理解的不一致导致检查结果的差异，某些机组的反应堆压力容器焊缝的超标缺陷属于这类情况。

针对不同原因做好经验反馈工作有助于减少类似情况的重复发生。

2 典型案例分析

2.1 主蒸汽管道支撑焊缝存在裂纹类缺陷

某核电机组在役前检查阶段对主蒸汽管道支撑焊缝进行渗透检查时发现7条焊缝存在超标线性显示，最长一条线性显示约726 mm。检出的线性显示长度远远超过以往工程实践检出的缺陷长度，且具有裂纹类缺陷的形貌特征，营运单位按照监管方要求深入分析了缺陷性质和产生原因。该支撑焊缝的结构形式较为独特，如图1所示，每个横向支撑与管道之间有两道环向全焊透角焊缝。

图1 主蒸汽管道支撑焊缝结构形式Fig.1 Main steam pipeline support weld structure

2.1.1 缺陷性质

营运单位选取2个典型缺陷焊缝分别在母材、焊缝、裂纹和裂纹邻近部位进行了覆膜金相检验，结果显示，线性显示为裂纹，裂纹位置集中在热影响区粗晶区，裂纹宏观形貌如图2所示；在裂纹附近部位发现了淬硬性马氏体组织、粗大的脆性板条马氏体组织；表面致密的氧化物形貌特征，裂纹微观形貌如图3所示，这表明了该裂纹应产生于焊后热处理前。

图2 焊缝裂纹的宏观形貌Fig.2 The macroscopic morphology of weld crack

图3 焊缝裂纹的微观形貌Fig.3 The microscopic morphology of weld crack

2.1.2 产生原因

营运单位通过追溯管道母材材质、横向支撑钢板材质、焊接材料以及焊接工艺等方面，基本判定裂纹是由于焊接及热处理工艺控制不当导致热影响区出现脆性马氏体组织、焊后未能及时消除残余应力而产生的。该支撑焊缝为工厂预制焊缝，焊接时间为10月下旬，当时焊接车间环境温度较低，焊缝焊后冷却速度较快，加之焊前预热温度不够导致热影响区存在较大的淬硬倾向，因此在焊缝熔合线附近的热影响区形成了粗大的脆性板条状马氏体组织，且母管和限制件厚度较大，限制件本身结构拘束度较高，制造单位在焊接完成后间隔较长时间才进行整体消应力热处理，错过了消除裂纹倾向的最佳时机。

2.1.3 修复方案和后续监督

对该表面线性显示的处理方案为：先对超标显示部位进行打磨消缺，渗透检查合格；再根据尺寸测量的结果（包括壁厚、焊角尺寸等），由设计方进行评估，如打磨后的尺寸不满足设计要求，则进行补焊，补焊后进行渗透检查，并将打磨区域的尺寸恢复至设计尺寸。

根据标准要求，该支撑焊缝在役期间每十年进行一次渗透检查，但考虑到该支撑焊缝热影响区仍存在一定数量的马氏体组织，且该焊接结构自身拘束度大，应力较难松弛，运行后在各种工况的应力载荷及环境作用下，其他区域有产生役致裂纹风险［4，5］，且修复后局部微观组织及应力状态更加复杂，焊缝及邻近区域的服役状态存在一定的不确定性，监管方认为有必要提高该焊缝的检查频度，即第一个十年期间增加三次渗透跟踪检查。

2.2 主泵主法兰螺栓磁粉检验超标显示

某核电机组役前检查阶段对主泵主法兰螺栓及备件螺栓进行磁粉检查（共71根螺栓），发现23根螺栓的螺纹区存在多处线性显示，缺陷微观形貌如图4所示，部分螺栓经两次返修后仍有大量线性显示，而以往工程实践中螺栓出现的缺陷形式基本都是螺牙磕碰损伤。针对主泵螺栓出现的多处线性显示，营运单位按照监管方要求深入分析了缺陷性质、缺陷产生原因以及这些线性显示没有在制造阶段被检查出的原因。

图4 主泵法兰螺栓上的线性显示的微观形貌Fig.4 The microstructure of linear indication on the flange bolt of the main pump

2.2.1 缺陷性质及产生原因

经详细分析，营运单位认为：螺纹表面线性显示为螺纹滚压加工过程中产生的材料折叠裂纹，缺陷位于螺纹滚压形变层内且呈闭合形态，滚压工艺参数设置不当或设备精度不足可能是缺陷产生的主要原因。同时，营运单位核查了螺栓制造阶段的无损检验结果，螺纹加工后的螺栓表面检查未发现任何显示，其主要原因为在螺纹加工后对螺栓表面的检查方法是液体渗透检验，渗透检查的局限性导致了无法检出材料表面的未开口缺陷。

2.2.2 后续处理措施

考虑到裂纹类缺陷在服役状态下具有扩展的危险特性，营运单位对23根出现线性显示的螺栓采取了报废处理，确保最后安装在主泵上的所有螺栓均为磁粉检查一次合格的产品。考虑到裂纹产生的原因为加工工艺的问题，则同批次的螺栓存在潜在裂纹未被检出的可能性，且核电行业曾多次出现螺栓失效的案例［6，7］，监管方要求营运单位在机组第一次大修时对主泵螺栓再次进行磁粉检查，若检查再次发现裂纹显示，则应更换同批次同螺纹加工方式的全部螺栓。

2.3 稳压器筒体与下封头环焊缝的超标超声显示

某核电机组在役前检查阶段对稳压器筒体与下封头焊缝进行了超声检查，检查发现的稳压器下封头与筒体之间环焊缝存在5处体积性显示。虽然每个单独显示都满足验收准则，但RCC-M规范MC 2638对间距较近的单个超声显示有包络组合的规定，因此还需要评判这5处显示的幅值、尺寸和位置是否满足RCC-M MC 2638关于显示的组合规定。

2.3.1 超声显示的组合

MC 2638规定如果同时符合下面两个条件，则可将两个单独的超声显示组合在一起［8］。

（1）若干显示的投影在扫查面上的相隔距离小于最小显示长度的6倍；或者有一个显示是点状，与点状显示的间距小于20 mm；

（2）若干显示的投影在焊缝横截面上的间距小于或等于20 mm。

组合后显示的波幅是所有单独显示中测得的最高波幅，其尺寸是相距最远的缺陷两端连线的长度。经分析，其中两处相邻显示（D04、D05，具体信息如图5所示）满足MC 2638关于显示组合的条件，组合后的缺陷波幅采用距离波幅曲线（Distance Amplitude Curve，简称DAC）表征，具体为DAC+1 dB、长度为44 mm。组合后的缺陷不满足RCC-M规范S7714.4核一级焊缝超声检查验收准则，因此，运营单位需对此组合显示按照超标缺陷进行处理。

图5 稳压器筒体与下封头环焊缝上两处超声显示的相互关系Fig.5 The relationship between the two ultrasonic indications on the girth weld of the PRZ cylinder and the lower head

2.3.2 处理方案

对于该超标缺陷，考虑到现场返修难度和风险较大，营运单位委托设计方采用断裂力学方法进行安全评价，该方法已广泛应用于核电设备缺陷的可接受性评价［9］。分析过程主要为：将两处显示组合成一个缺陷后，依据RSE-M规范将缺陷假设为深埋椭圆平面缺陷（环向裂纹），缺陷尺寸根据超声检查结果并考虑超声检查尺寸测量的不确定性来确定；然后对含初始裂纹的结构进行裂纹扩展分析，并对寿期末最终裂纹的快速断裂风险进行评定［10］，包括在第二、三类工况下对寿期末最终裂纹的不稳定扩展风险和延性撕裂起始风险进行评定，在第四类工况下对寿期末最终裂纹的不稳定扩展风险进行评定。计算结果显示：寿期末（40年)疲劳裂纹深度和长度方向扩展量均小于0.1 mm，各类工况下的风险评定计算结果满足规范要求。

2.3.3 后续跟踪监督

对于经分析评价可接受的超标缺陷，核安全导则HAD 103/07规定，在随后的检查间隔内（一般为10年）进行3次跟踪检查，因此监管方要求营运单位在机组第1个10年运行期间对该焊缝进行3次超声检查，并判断缺陷是否有显著变化。

2.4 主管道焊缝的射线底片上异常显示

某核电机组在役前检查阶段对反应堆压力容器安全端与主管道连接焊缝、蒸汽发生器一次侧安全端与主管道连接焊缝进行射线检查，射线底片表明焊缝质量满足验收标准，但在焊缝评定区以外（即主管道母材上）发现多处异常显示，这些异常显示的缺陷性质多数为气孔和夹渣。由于首次发现此异常情况，所以这些异常影像的可接受性需进一步评价。

2.4.1 验收准则

RCC-M规范对核一级焊缝的射线检查验收准则为：气孔≤4 mm、夹渣≤20 mm。如果对射线底片的所有区域即评定区和评定区外区域按照上述验收准则进行评判，则大部分显示都为超标缺陷。但根据RCC-M S7712和RSE-M A4230的规定，对焊缝进行射线检查时检查区域应包括焊缝熔敷金属和焊缝两侧10 mm的区域（即射线底片上的评定区），同时规范中明确说明评定区以外发现的缺陷应按照零部件采购技术要求进行验收，则评定区以外发现的显示应该按照主管道母材采购技术要求RCC-MM3406进行验收。

M3406对主管道母材射线检查结果要求如下：缺陷类型应依据法国标准NF A04-160给出，并参照1级严重程度的标准射线底片来评定缺陷是否可接受；缩孔和裂纹类缺陷是不可接受的。值得注意的是，NF A04-160中规定壁厚在51—114 mm的钢铸件应按照ASTM E186规定的标准射线底片进行缺陷严重程度的判定［11］。因此，实际上主管道母材的射线检查结果应按照ASTM E186进行评判，而且其评判内容与焊缝射线检查结果的评判有较大不同，前者是通过对比射线底片与标准射线底片进行缺陷严重程度的判定，而后者是将缺陷显示的尺寸大小直接与限值进行比较［12］。

2.4.2 处理方案

虽然主管道母材在制造阶段已由制造方进行了全面的射线检查且出厂检查结果合格，但由于主管道的重要性且在射线底片上发现的显示数量较多，出于保守考虑，营运单位根据监管方要求对主管道焊缝射线底片上评定区以外的缺陷显示按照NF A04-160和ASTM E186的要求进行了复核评定，最终评定结果满足验收准则。

2.5 反应堆压力容器超声检测超标/异常显示

近年来，已有4台机组在役前检查阶段对反应堆压力容器（Reactor Pressure Vessel，简称RPV）进行超声检查时发现了超标或异常显示，缺陷具体信息见表2。作为核电厂最核心设备，一旦RPV出现超标缺陷，缺陷产生原因以及处理方案将成为关注重点。

表2 国内若干机组RPV承压边界上异常缺陷信息Table 2 Abnormal defect information on RPV pressure boundary of several domestic units

2.5.1 原因分析

其中1台机组RPV筒体外表面缺陷已被证实为混凝土附着物，其产生原因为堆腔结构土建施工阶段灌浆原料通过保温层间隙流到RPV筒体外表面；其他3台机组RPV在制造阶段未检出但役前检查发现超标缺陷的主要原因是役前检查与制造阶段采用的超声检查技术有差异［13,14］，役前检查阶段采用自动超声检查技术，制造阶段多采用手动超声检查技术。

本文以某机组RPV接管焊缝的超标缺陷为例进行详细说明。在制造阶段制造商根据制造规范RCC-M MC2151采用半波法（-6 dB法）进行缺陷长度测量，在相同位置检出两个缺陷的尺寸分别为：DAC-3.7 dB/5 mm和DAC-9.1 dB/5 mm，两个缺陷均满足验收准则；在役前检查阶段检验单位根据在役检查规范RSE-M进行检查，由于RSE-M中对超声检查技术的测长方法没有明确要求，因此检验单位采用经过能力验证的检查技术以及噪声法进行缺陷长度测量，在相同位置测得缺陷的尺寸大小为：DAC-2.3 dB/66.6 mm，该缺陷不满足验收准则。由此可见，测长方法的不同导致了最终结果的差异，为进一步弄清差异，役前检查单位采用半波法对该缺陷进行了复验，复验测得缺陷的尺寸大小为：DAC-2.3 dB/51.3 mm，该缺陷满足验收准则。两种测长方法的差异如图6所示。

图6 半波法和噪声法对缺陷测长的差异Fig.6 The difference between the half-wave method and the noise method in measuring the length of defects

2.5.2 处理方案

对于RPV承压边界焊缝的超标缺陷，如果返修所带来的风险较大，一般情况下采用断裂力学方法进行安全评价；如果返修风险可控，优先推荐在役前阶段清除缺陷以免给机组服役后带来隐患，如某机组RPV接管焊缝的超标缺陷位于焊缝加强高部位，离筒体外表面较近，权衡利弊后，营运单位最终采取打磨将缺陷去除，去除缺陷后通过力学计算校核打磨后焊缝尺寸形状，结果满足设计要求，不需要补焊。根据该经验反馈，一些营运单位考虑实施“预役前检查”，即对于重要主设备在工厂制造阶段，委托在役检查单位使用役前检查工艺、按照役前检查标准对设备实施检验［15］。