吳紹炳，朱從斌，汪為慶，王宏印

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

?

EPR機組RCV系統(tǒng)熱交換器設備射線檢測的工藝應用

吳紹炳，朱從斌，汪為慶，王宏印

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

對法國供應商承制的第三代壓水堆核電站(EPR)的核島化學和容積控制系統(tǒng)(RCV)熱交換器射線檢測(RT)工藝的應用進行分析，識別出RCV熱交換器制造過程中射線檢測的難點及采取的措施，并總結了檢測中的注意事項，為后續(xù)其余類型設備的設計、檢測及質量監(jiān)督提供參考和借鑒。

RCV；射線檢測；暗盒；黑度

壓水堆核電站核島化學和容積控制系統(tǒng)(RCV)是反應堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)的一個主要的輔助系統(tǒng)。它在反應堆的啟動、停運及正常運行過程中都起著十分重要的作用——保證反應堆冷卻劑的水容積、化學特性的穩(wěn)定和控制反應性的變化。法國供應商承制的EPR第三代壓水堆核電站RCV系統(tǒng)熱交換器主要有Regenerative Heat Exchanger(RCV6220EX)及High Pressure Cooler(RCV1230EX、RCV1240EX),其按照RCCM 2007《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》進行設計制造。

1 EPR的RCV換熱器射線檢測工藝

EPR的三臺RCV設備(RCV6220、RCV1230及RCV1240)結構相同，如圖1所示。其封頭蓋板為法蘭連接，殼側尾部為內外彎頭裝焊而成;RCV設備除格架外，包括封頭、管板、換熱管及筒體和彎頭在內的主體材料皆為Z2CN18-10不銹鋼。

圖1 EPR的RCV設備結構示意

要分析射線(RT)檢測的難點，必須先從設備結構及焊縫形式進行分析。由于三臺RCV的結構形式相同，筆者以RCV6220作為主要的分析對象，圖2為RCV6220的焊縫形式示意。

表1為RCV6220需要進行RT檢測的焊縫明細，可以看出其殼體焊縫主要為全焊透的環(huán)縫和縱縫，材料均為不銹鋼。表面上看，比較理想的RT檢測工藝應為使用源Ir192對環(huán)焊縫進行周向曝光，對縱焊縫進行單壁透照，檢測工藝的選擇上并不會很難。

圖2 RCV6220的焊縫形式示意

焊縫代號裝焊部件焊縫類型材料厚度/mm尺寸/mmS0003/S0004上下管板和殼體全焊透環(huán)縫304L55?500S0005/S0006上下殼體和檢查殼體全焊透環(huán)縫304L55?500S0009/S0010上下封頭和管板全焊透環(huán)縫304L60?770S0011/S0013尾部內外彎頭全焊透縱縫304L55L=1600S0012/S0014檢查殼體和尾部彎頭全焊透環(huán)縫304L55?500S0018/S0019進出口接管和上下封頭全焊透環(huán)縫304L16?146S0020/S0021進出口接管和上下管板全焊透環(huán)縫304L16?114．3

然而，實際RT檢測執(zhí)行過程并非想象的那么簡單。由EPR RCV6220換熱器結構及焊縫形式簡圖可以看出，換熱器的最終縫為尾部外側彎頭與內側彎頭全焊透對接接頭的縱縫S0011、S0013，以及彎頭與殼側上、下筒體全焊透對接接頭環(huán)縫S0012、S0014，按照設計要求需要進行100%RT。而在完成RCV設備外側彎頭的最終裝配焊接后，要對最終環(huán)縫及縱縫實施RT檢測顯得尤為困難。

1.1 RCV6220最終縱縫及環(huán)縫RT檢測的實施為了解決彎頭在最終裝焊后，受設備結構限制而無法進行RT檢測的問題，供應商從設計源頭就預先在外部殼體和內側殼體之間設計了一個膠片暗盒導向槽，該導向槽處于焊縫的正下方，便于RT檢測時從圖2中箭頭所指的檢查孔引入膠片暗盒，圖3,4分別為RCV6220最終環(huán)縫及縱縫膠片暗盒導向槽結構形式，其中環(huán)縫底片導向槽的間隙為12 mm，縱縫底片導向槽間隙為15.7 mm。

圖3 RCV6220環(huán)縫底片導向槽結構形式

圖4 RCV6220縱縫底片導向槽結構形式

盡管設計考慮了制造過程中RT檢測的必要性，但實際檢測的執(zhí)行卻并非像設計預料的那樣順利。以環(huán)縫下面間隙12 mm的導向槽為例進行說明，主要原因有以下幾點：① 內部構件的自重導致某些位置間隙減小到10.4 mm。② RCCM允許容器柱形存在一定形位公差。在垂直于殼體中心線的任何橫截面上，最大與最小內徑之差允許存在(D+1 250) /200或D/100兩式中的較小值。此處D=390 mm，則形位公差允許值為3.9 mm(半徑方向為1.95 mm)。則最終環(huán)縫導向槽與殼體的間隙將變?yōu)?.45 mm。③ 殼體在完成環(huán)縫焊接后產生變形，而此變形量未知。④ 內部及外部殼體在裝配制造中產生一定量公差，而此公差也未知。

綜上，設計預留的12 mm間隙到裝焊結束后，間隙余量將大大減小。然而，對此壁厚為55 mm的不銹鋼焊縫,按照經過設計批準的檢測規(guī)程,使用Ir192執(zhí)行RCCM 2007,MC 3000《射線照相檢測》進行單壁透照，需要布置的暗盒如表2所示。暗盒的總厚度已達6 mm左右，根據實際情況，此厚度的暗盒很難引入預留的底片導向槽中。

表2 對壁厚55 mm的不銹鋼焊縫使用Ir192透照時需要布置的暗盒厚度

對于最終縱縫，其設計考慮的底片導向槽為15.7 mm，比環(huán)縫預留的12 mm要大。但由于在最終環(huán)縫與縱縫的交接三角部位(圖5圓圈中區(qū)域)，也由于環(huán)縫導向槽間隙過小的原因，無法使膠片暗盒從圖中箭頭的檢查孔導入至弧形縱縫位置。

圖5 RCV6220最終縱縫與環(huán)縫交接的三角區(qū)域

為了將暗盒順利導入到最終縱縫及環(huán)縫下面實現RT檢測，供應商不得不從檢測工藝上開始想辦法，其主要采取了以下措施來克服以上問題：

(1) 將射線源由Ir192改為X射線

供應商最初考慮使用Ir192作為射線源主要是考慮到相比X射線檢測機，其射線源尺寸更小，操作靈活方便。但表2所示的RCCM規(guī)范對Ir192射線源規(guī)定了暗盒系統(tǒng)的厚度。而按照RCCM的規(guī)定，使用X射線進行透照能夠降低增感屏的厚度為0.05/2×0.05/0.05 mm(前/中/后屏)，且不強制使用濾光板。因此，改變射線源可以有效地降低暗盒系統(tǒng)的厚度值，如表3所示。

表3 分別使用Ir192與X射線需要的暗盒厚度

(2) 降低增感屏及屏蔽鉛板的厚度

圖6 增感屏增感率與其材料及射線源的關系

如圖6所示，對于同一金屬增感屏材料，300 kVp的X射線的能量比Ir192低，但其增感系數比Ir192卻高(透照鋼板厚度為40 mm)[1]。因此，理論上使用X射線源可以適當降低增感屏的厚度，這一點在RCCM MC 3000中也得到了印證，如表3所示。但能否可以繼續(xù)基于圖6所示的原理，再在RCCM MC 3000對X射線要求的暗盒厚度基礎上繼續(xù)降低增感屏厚度；而對于屏蔽鉛板的使用，如果是暗盒背后近距離內沒有導致強烈散射的物體時，能否可以不使用背防護鉛板或者降低其厚度呢？

基于以上兩點疑問，與RCCM相比較，供應商再次降低了增感屏厚度及屏蔽鉛板的厚度，如表4所示。

供應商使用相同的透照參數(X射線：300 kV,3 mA、900 W，焦點尺寸3 mm×3 mm，焦距755 mm)在模擬產品環(huán)縫及縱縫結構形式的試驗件上進行了對比試驗，其透照結果如表5所示。

由試驗結果可以看出：① RCCM要求的IQI需識別W9(0.5 mm絲徑)，而對比試驗底片像質計可以看到W10的絲，和使用RCCM所要求的暗盒得到的透照結果沒有明顯的區(qū)別。② 鉛字B在底片上不可見，說明降低背防護鉛板的厚度為1 mm，依然可以有效地防護背散射。③ 使用X射線，且提高了膠片等級的情況下，在底片上能夠觀察到W11(0.32 mm絲徑)，相比RCCM要求的IQI需識別W9(0.5 mm絲徑)，還獲得了更高的檢測靈敏度。

表4 供應商實際透照使用的暗盒

表5 供應商降低增感屏及屏蔽鉛板厚度后的透照結果

綜上，采用X射線，提高膠片等級，在降低增感屏及屏蔽鉛板厚度的情況下，依然能夠獲得滿足要求的成像質量。

(3) 與ISO 17636《焊縫的無損檢測 射線照相檢測》要求的類比

供應商采取的降低增感屏及屏蔽鉛板厚度的做法的可行性，不但從理論和對比試驗中得到了論證，基于ISO 17636射線檢測標準，也是有其合理性的。除了未按照ISO 17636規(guī)定使用濾光板外，供應商實際的透照工藝滿足ISO 17636射線檢測的要求(如表6)。因為濾光板作用是過濾工件中產生的低能散射線，常用于Ir192和Co60射線或高能X射線照相。那么對于RCV6220最終環(huán)縫和縱縫采用300 kV的X射線能量，取消濾光板是否對實際透照結果存在影響呢？同理，通過對比試驗進行論證，表7為取消濾光板的試驗參數，其試驗結果如表8所示。

表6 供應商實際透照與ISO 17636對暗盒的要求

表7 RCV6220有無濾光板的對比試驗參數

表8 RCV6220有無濾光板的試驗結果

經過對比試驗的論證可看出,取消濾光板的RT檢測工藝(試驗1)對成像質量沒有影響，且0.1 mm厚的濾光板會增加126 s(約12%)的曝光時間。

圖7 RCV6220設備殼體側剖視圖

1.2 RCV6220最終環(huán)縫特殊位置焦距的選擇RCV6220設備殼體側剖視圖如圖7所示，兩殼體內側距離只有500 mm，如果將射線源垂直于橘色區(qū)域(箭頭所指)焊縫放置，則其幾何不清晰度將為0.37 mm，將不滿足標準RCCM對焊接接頭小于0.3 mm的要求。因設備結構原因所限制，合理選擇焦距也比較關鍵。

為此，橘色區(qū)域及藍色區(qū)域的焦距分別取為1 055 mm和655 mm，而綠色區(qū)域的焦距取為755 mm。

最終環(huán)縫處不同焦距的試驗結果如表9所示，由此可以看出：① 3種焦距下曝光得到的底片能夠看到像質計W11，W10，W10的絲徑，比RCCM所要求的W9(0.5 mm)絲徑好1到2個絲徑。焦距1 055 mm下的成像質量較焦距655 mm及755 mm的差些，這是由于受設備結構限制，射線源偏離底片正中心，曝光未垂直于底片而導致的。② 鉛字B在三種焦距曝光條件下都不可見，滿足RCCM的要求。③ 根據三種焦距下的曝光寬容度，結合單片及雙片觀察，需保證有效的透照寬度范圍為焊縫金屬及母材區(qū)域10 mm。那么，最終確定焦距655 mm和755 mm透照條件下的有效透照長度為90 mm，焦距1 055 mm的有效透照長度為45 mm。

表9 RCV6220最終環(huán)縫處不同焦距的試驗結果

1.3 RCV1230及RCV1240最終環(huán)縫及縱縫的檢測

RCV1230/1240的結構形式與RCV6220相同，最終環(huán)縫及縱縫RT采用了類似的射線檢測工藝，即RT檢測執(zhí)行過程中基于標準ISO 17636要求，采用X射線、提高膠片等級、降低增感屏及屏蔽鉛板厚度，通過對比試驗進行論證，可以達到RCCM規(guī)范對底片質量的要求。

但RCV1230/1240設備與RCV6220設備的不同之處在于，其殼體壁厚較小，只有10 mm，而按照RCCM要求，此設備焊縫的正面余高最大可為2.3 mm，背面余高最大可為1 mm，也就是說10 mm殼體焊接后熔敷金屬與母材的厚度差的最大值將達到3.3 mm，如圖8所示。

圖8 RCV1230/RCV1240殼體焊接后熔敷金屬與母材的厚度差

為此，對于RCV1230/1240的最終環(huán)縫和縱縫，由于焊縫與母材厚度差的影響，如單次透照會導致底片上焊縫區(qū)域黑度和母材黑度差別較大，焊縫區(qū)域黑度低，最低處1.8左右，而母材區(qū)域黑度高，高處有4.0左右，這樣就超出了RCCM要求的單片觀察黑度不低于2.0的要求。為解決此問題，供應商又使用單片進行了第二次曝光，調整曝光參數使其焊縫區(qū)域黑度滿足要求，但此時母材區(qū)域的黑度又不符合要求了，超出了4.5。

最終，供應商通過此兩次曝光的兩張單片綜合評定此處焊接接頭，即第一次曝光底片的有效評定區(qū)域是母材部分，第二次曝光底片的有效評定區(qū)域是焊縫部分?？梢姡瑸榱吮苊饴z，焊接接頭檢測區(qū)域在底片上需要做到完全覆蓋，在質量監(jiān)督過程中尤其需要注意。

2 結論

(1) 受設備結構所限而難以實現制造過程射線檢測的焊縫，可以在設計階段考慮為后續(xù)檢測階段提供便利，實現RT的可操作性，但需要考慮到設備制造過程產生的累計偏差，并留有足夠的設計余量。

(2) RT檢測工藝的合理選擇和優(yōu)化，需要借鑒類似標準的要求，加上充足的論證試驗進行對比分析，才能較好地解決檢測執(zhí)行過程違反標準規(guī)范的問題，最終使結果達到合同約定的標準規(guī)范。

(3) 盡管供應商最終實現了最終環(huán)縫及縱縫的RT檢測，但對于產品焊縫底片的符合性仍需要加強關注和監(jiān)督，如底片黑度、像質計、有效的檢測范圍及檢測覆蓋性等問題。

[1] 強天鵬. 射線檢測 [M].北京:中國勞動社會保障出版社, 2007.

Applications and Examples of Radio Graphic Examination Technology on ERP RCV System Heat Exchangers

WU Shao-bing, ZHU Cong-bin, WANG Wei-qing, WANG Hong-yin

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

The applications of radiographic examination on the third-generation PWR (EPR) nuclear island chemical and volume control system (RCV) heat exchangers which manufactured by French supplier was analyzed. The difficulties of radiographic examination during RCV manufacturing process were identified. Methods to overcome these difficulties were introduced and considerations were summarized in the purpose for the reference of future work in the subsequent design, testing and quality supervision.

RCV; Radiographic examination; Cassette; Density

2016-06-22

吳紹炳(1986-)，本科,工程師,主要從事核電設備制造質量監(jiān)督工作。

吳紹炳，E-mail:wushaobing@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201612004

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0015-05