王慶田,胡朝威,李 燕,張 翼,李 浩,吳水潔,陳 忻

(中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室,四川 成都 610041)

堆內(nèi)構(gòu)件是指反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)除燃料組件及其相關(guān)組件、堆芯測量、輻照樣品監(jiān)督管和隔熱套組件以外的所有堆芯支承構(gòu)件和堆內(nèi)結(jié)構(gòu)件,安全等級為LS級,抗震類別為Ⅱ類,質(zhì)量保證分級為Q1級。堆內(nèi)構(gòu)件分為上部堆內(nèi)構(gòu)件(含控制棒導(dǎo)向筒,對于 “華龍一號”、歐洲先進(jìn)壓水堆EPR和AP1000堆型,還包括儀表套管組件)、下部堆內(nèi)構(gòu)件、壓緊彈簧和緊固件。堆內(nèi)構(gòu)件零部件多達(dá)上萬個,焊縫一萬三千余處,焊點(diǎn)近兩萬余處,現(xiàn)場焊點(diǎn)也多達(dá)兩千多處。由于緊固件多次在運(yùn)行過程中出現(xiàn)事故,因此其原材料設(shè)計、防松措施等一直備受關(guān)注,現(xiàn)在廣泛采用的鎖緊帽和鎖緊桿點(diǎn)焊防松措施效果良好。

陽江核電站2號機(jī)組在熱態(tài)功能試驗期間出現(xiàn)的螺栓斷裂事故,導(dǎo)致包括蒸汽發(fā)生器、壓力容器筒體與下封頭、三個主管道回路、主泵和堆內(nèi)構(gòu)件多個零部件在內(nèi)的一回路系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的劃痕、凹痕和磕碰損傷,其中蒸汽發(fā)生器一次側(cè)熱端水室出現(xiàn)大面積損傷,單點(diǎn)最大損傷深度為0.8 mm。此外,監(jiān)察還發(fā)現(xiàn)SG1一次側(cè)熱段水室約有80%的傳熱管口密封焊存在不同程度的損傷,SG3一次側(cè)熱段水室的4474根傳熱管口密封焊幾乎均存在不同程度的損傷。損傷返修和后續(xù)處理前后共經(jīng)歷半年之久,造成了較大的人力財力和物力損失。本文通過分析螺栓斷裂產(chǎn)生的原因,并從設(shè)計上和質(zhì)量保證等方面提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 螺栓斷裂及其造成的損傷

陽江核電站2號機(jī)組在熱態(tài)功能試驗期間,松動部件和振動監(jiān)測系統(tǒng) (KIR)先后監(jiān)測到3號和1號蒸汽發(fā)生器 (SG3/SG1)出現(xiàn)振動報警信號,于是終止了熱態(tài)試驗。經(jīng)過對3臺蒸汽發(fā)生器內(nèi)部檢查,在SG1、SG3一次側(cè)熱端水室分別發(fā)現(xiàn)3個異物和2個異物,同時發(fā)現(xiàn)SG1和SG3一次側(cè)熱端水室的分隔板、管板密封焊縫、水室下封頭內(nèi)表面堆焊層均有不同程度的撞擊痕跡。對壓力容器開蓋后的監(jiān)察發(fā)現(xiàn),下部堆內(nèi)構(gòu)件二次支承與儀表套管中L9位置I型儀表套管與小柵格板連接的4顆螺栓中缺失了2顆,位置為135°和225°方向,脫落的螺栓和鎖緊帽分別在蒸汽發(fā)生器熱端水室和控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)發(fā)現(xiàn)。其中,兩個螺栓已經(jīng)在螺紋頭部和螺桿部位斷裂,鎖緊帽也沿著鎖緊壁撕裂。

為了評估螺栓斷裂以及鎖緊帽撕裂脫落對一回路設(shè)備造成的影響,確保一回路設(shè)備的完好無損且不影響其正常使用功能,對一回路設(shè)備進(jìn)行了全面檢查,包括蒸汽發(fā)生器、壓力容器筒體與下封頭、三個主管道回路、主泵和堆內(nèi)構(gòu)件多個零部件在內(nèi)的設(shè)備受損,受損情況如下。

1)蒸汽發(fā)生器的受損情況較為嚴(yán)重,如表1所示。

表1 蒸汽發(fā)生器損傷情況Table 1 Damage of SG

2)RPV頂蓋和穩(wěn)壓器未發(fā)現(xiàn)損傷。

3)反應(yīng)堆壓力容器 (簡稱RPV)筒體發(fā)現(xiàn)12處凹痕或劃痕,凹痕最大深度約為0.2 mm,劃痕長度最長約為200 mm;RPV下封頭發(fā)現(xiàn)19處凹痕或劃痕,凹痕最大深度約為0.4 mm,劃痕長度最長約為650 mm。

4)主管道和主泵的受損情況見表2。

表2 主管道和主泵損傷情況Table 2 Damage of Primary Pipe and Pump

5)堆內(nèi)構(gòu)件筒體管嘴部位、二次支承與儀表套管組件,出現(xiàn)多處的劃痕和磕碰。

針對各一回路設(shè)備的受損情況,進(jìn)行了全面評估,包括采取拋磨或者拋光處理,以去除劃痕或凹坑,之后進(jìn)行尺寸檢查、目視和液體滲透檢驗,以及必要的超聲波側(cè)厚,以確保堆焊層厚度是否滿足要求,不滿足要求的部位進(jìn)行評估或焊接返修等。針對蒸汽發(fā)生器傳熱管管口密封焊縫受損較嚴(yán)重的,進(jìn)行重新焊接。部分受損嚴(yán)重的傳熱管,進(jìn)行焊接堵管。由于堆內(nèi)構(gòu)件二次支承與儀表套管組件受損較為嚴(yán)重,進(jìn)行了整體更換、重新組裝。后期的排查發(fā)現(xiàn),控制棒導(dǎo)向筒現(xiàn)場鎖緊帽的焊接存在問題,61個控制棒導(dǎo)向筒,拆除了50個控制棒導(dǎo)向筒,鎖緊帽進(jìn)行了重新焊接。整個返修和處理過程達(dá)半年之久。

2 螺栓斷裂原因分析

在陽江核電站2號機(jī)組之前,紅沿河核電站、嶺澳二期核電站以及陽江1號機(jī)組均已經(jīng)安全運(yùn)行,且未發(fā)生螺栓斷裂事故。在設(shè)計要求和制造單位均相同的情況下,為何陽江2號機(jī)組出現(xiàn)了螺栓斷裂事故,從設(shè)計、制造、安裝和熱試等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了排查。

2.1 螺紋緊固件的現(xiàn)場安裝焊接的難點(diǎn)

M310堆型堆內(nèi)構(gòu)件現(xiàn)場焊縫共涉及13種焊接接頭,2500多處焊點(diǎn),很多都是防松點(diǎn)焊。由于現(xiàn)場工作條件以及操作空間限制,空間狹窄到焊槍不能自由移動。再加上接頭形式復(fù)雜,環(huán)境條件如通風(fēng)不暢,粉塵較大,施工環(huán)境較為惡劣,質(zhì)保監(jiān)察也容易出現(xiàn)疏忽。前期的核電站也曾經(jīng)出現(xiàn)過鎖緊帽和鎖緊墊片的焊接,由于焊接工藝參數(shù)選擇不合理、操作空間限制或者引弧和熄弧控制不恰當(dāng),導(dǎo)致了鎖緊墊片焊接后的熔化、卷邊,鎖緊帽焊接后出現(xiàn)未熔合、焊穿、咬邊、焊瘤、焊縫尺寸不足、焊點(diǎn)數(shù)不滿足設(shè)計要求、焊點(diǎn)分布不均、母材弧傷等缺陷。如國內(nèi)某核電站控制棒導(dǎo)向筒M22鎖緊帽現(xiàn)場焊接后,檢查發(fā)現(xiàn)超過一半的鎖緊帽焊接質(zhì)量不合格,見表3。秦山一期300 MW核電站第4次大修期間,發(fā)現(xiàn)堆內(nèi)構(gòu)件儀表套管螺母防松焊點(diǎn)斷裂,螺母脫落,導(dǎo)致指套管斷裂、燃料棒包殼管被磨穿。

表3 焊接缺陷Table 3 Welding defect

2.2 現(xiàn)場安裝人因因素

螺栓斷裂松脫事故后,在對設(shè)計、制造、運(yùn)行等方面的因素排查分析后,認(rèn)為現(xiàn)場安裝存在人為疏忽和質(zhì)保監(jiān)察不到位的地方。

1)經(jīng)核查,安裝操作規(guī)程中沒有螺栓緊固的流程和方法,設(shè)計要求螺栓進(jìn)行二次擰緊,413個螺栓只有一份緊固力矩檢查記錄,無法保證所有螺栓均按順序進(jìn)行了二次擰緊過程;

2)鎖緊帽防松焊接過程,安裝公司沒有相應(yīng)的焊接操作、焊縫目視檢查和尺寸檢查記錄,無法有效證明焊接質(zhì)量?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)有部分鎖緊帽焊接不滿足設(shè)計要求,存在焊縫尺寸不夠、焊點(diǎn)數(shù)不足 (漏焊)、焊縫分布不均勻、未熔合等,焊工操作明顯存在不恰當(dāng)?shù)牡胤?

3)部分位置的鎖緊帽彎折后鎖邊不充分、鎖緊帽帽沿存在磕碰、部分儀表套管安裝位置與工廠預(yù)裝方位不一致等情況;

通過以上分析,現(xiàn)場螺栓緊固件和鎖緊帽安裝過程中,存在螺栓緊固順序不合理、安裝預(yù)緊不滿足要求、鎖緊帽彎折不到位、焊工操作不當(dāng)、質(zhì)保監(jiān)察不力等人因因素。進(jìn)一步的排查發(fā)現(xiàn),61組控制棒導(dǎo)向筒現(xiàn)場焊接的244個M22螺栓鎖緊帽,設(shè)計要求每個鎖緊帽焊接4段防松點(diǎn)焊,實(shí)際上所有控制棒導(dǎo)向筒組件鎖緊帽只焊接了3段防松點(diǎn)焊,明顯存在不滿足設(shè)計要求、隨意施工操作的現(xiàn)象。

另一方面,現(xiàn)場質(zhì)保監(jiān)察不到位,也是出現(xiàn)焊接缺陷一個不容忽視的重要原因。由于現(xiàn)場施工環(huán)境惡劣、施焊周期較長,現(xiàn)場監(jiān)察應(yīng)嚴(yán)格到位,不能剛開始焊接時大家重視,而隨著焊接施工周期的延長,后期的監(jiān)察往往流于形式,轉(zhuǎn)變?yōu)閷附佑涗浀膶彶?。這樣客觀上焊工也會產(chǎn)生松懈心理,施焊記錄也不按照要求,焊接后立即填寫,往往后期補(bǔ)齊,造成焊接質(zhì)量隱患。

2.3 螺栓斷口和鎖緊帽形貌分析

通過對螺紋頭部、螺桿的斷口擴(kuò)展區(qū)和心部區(qū)域以及鎖緊帽焊縫斷口的掃面電鏡分析以及低倍組織分析,如圖1～圖5所示。

1)螺栓擴(kuò)展區(qū)微觀特征為輝紋形貌,且擴(kuò)展區(qū)外環(huán)比內(nèi)環(huán)碰磨明顯更嚴(yán)重;

2)螺栓心部區(qū)微觀特征為韌窩形貌;

3)鎖緊帽焊縫斷口宏觀上沒有明顯的塑性變形,斷口啟裂位置位于帽沿側(cè)熔合線附近;

4)鎖緊帽焊縫斷裂擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)有輝紋形貌特征,終斷區(qū)為韌窩形貌特征;

5)鎖緊帽焊縫啟裂區(qū)位脆性斷裂特征,終端區(qū)位韌窩形貌特征。

圖1 螺紋頭斷口擴(kuò)展區(qū)微觀分析Fig.1 Micro-analysis of the fracture extension zone of the threaded head

圖2 螺紋頭斷口心部區(qū)微觀分析Fig.2 Micro-analysis of the fracture center section of the threaded head

圖3 螺桿斷口擴(kuò)展區(qū)微觀分析Fig.3 Micro-analysis of the fracture extension zone of the screw

圖4 螺桿斷口心部區(qū)微觀分析Fig.4 Micro analysis of the fracture center zone of screw

圖5 鎖緊帽焊縫低倍形貌和斷口微觀分析Fig.5 Micro-analysis of the weld cap low profile and the fracture surface

通過對螺栓和鎖緊帽焊縫斷裂區(qū)的宏觀和微觀進(jìn)行分析,斷口是從外邊緣多源啟裂,由外向內(nèi)疲勞擴(kuò)展,心部終斷,斷裂模式為疲勞斷裂。螺栓疲勞斷裂產(chǎn)生可能的原因包括螺栓強(qiáng)度不足和預(yù)緊力矩不夠。結(jié)合原因排查、現(xiàn)場檢查和相同設(shè)計機(jī)組的成功運(yùn)行經(jīng)驗,以及從材料、螺栓尺寸、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和運(yùn)行工況等方面的排查情況,認(rèn)為螺栓通孔與螺紋孔之間的對中偏差以及安裝過程中擰緊力矩不足是導(dǎo)致螺栓斷裂的主要因素。螺栓斷裂松脫的過程可解釋為:螺栓在安裝階段如果出現(xiàn)諸如咬死、預(yù)緊力不足、鎖緊帽彎折不到位等異常,在熱試運(yùn)行工況的流致振動作用下連接螺栓會出現(xiàn)松動,隨著時間增加,螺栓出現(xiàn)疲勞斷裂。螺栓松動后,會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)振動。螺栓頭和鎖緊帽發(fā)生往復(fù)摩擦和裝機(jī),鎖緊帽產(chǎn)生交變載荷。由于225°方位鎖緊帽焊縫存在局部未熔合,在外力載荷下出現(xiàn)疲勞斷裂。當(dāng)鎖緊帽發(fā)生斷裂后,斷裂的螺栓頭部和螺桿部分相繼出現(xiàn)脫落。225°方位螺栓松脫后,儀表套管的剛度出現(xiàn)變化,振動加劇,從而導(dǎo)致135°方位的螺栓和鎖緊帽出現(xiàn)疲勞斷裂和脫落。

3 經(jīng)驗反饋與改進(jìn)措施

陽江核電站2號機(jī)組二次支承與儀表套管組件M20螺栓與鎖緊帽斷裂脫落事故,雖然發(fā)生在熱態(tài)功能試驗階段,沒能造成影響范圍更大的核故事,但其產(chǎn)生的原因依然應(yīng)引起重視與思考。設(shè)計要求執(zhí)行不到位、擅自改變點(diǎn)焊焊縫數(shù)量,沒有按照設(shè)計要求在熱態(tài)功能試驗階段安裝過濾網(wǎng)組件,焊工和檢驗人員責(zé)任心不強(qiáng),安裝焊接程序設(shè)計不合理、不規(guī)范,監(jiān)管不到位等,存在一系列需要吸取經(jīng)驗并改進(jìn)的地方。

3.1 增強(qiáng)人員核安全意識、改善現(xiàn)場環(huán)境、加強(qiáng)質(zhì)保監(jiān)察

陽江核電站2號機(jī)組二次支承與儀表套管組件M20螺栓與鎖緊帽斷裂脫落事故,最后原因分析排查的主要因素歸結(jié)于現(xiàn)場安裝焊接存在不按設(shè)計要求執(zhí)行、操作不規(guī)范、記錄不完整、焊工操作不當(dāng)以及質(zhì)保監(jiān)察不到位等方面,應(yīng)該說部分人員責(zé)任心不強(qiáng),應(yīng)加強(qiáng)再教育,尤其是樹立核安全文化意識,充分考慮核事故發(fā)生可能造成的嚴(yán)重后果,端正態(tài)度,增強(qiáng)責(zé)任感。正式安裝前,制定合理可行的安裝操作規(guī)程,細(xì)化每一個操作工序。另一方面,核電站現(xiàn)場安裝階段工作環(huán)境惡劣,安全殼內(nèi)的粉塵污染、通風(fēng)和施工條件不佳等方面也需要改善。施焊前,應(yīng)確保操作環(huán)境的通風(fēng),采用烘干機(jī)、除濕機(jī)控制環(huán)境濕度,并確保待焊表面無水、氧化皮、銹跡、油污等。炎熱環(huán)境下,應(yīng)對焊工提供充足的防暑降溫用品,選擇優(yōu)秀的有責(zé)任心的焊工、檢驗和質(zhì)保監(jiān)察人員進(jìn)行施焊、檢驗和監(jiān)督。

加強(qiáng)現(xiàn)場質(zhì)保監(jiān)察,并貫穿現(xiàn)場安裝和焊接的整個過程。嚴(yán)格按照操作規(guī)程和焊接工藝施工卡的要求進(jìn)行安裝、焊接,詳細(xì)、如實(shí)、實(shí)時的記錄各種施工作業(yè)和焊接工藝參數(shù),杜絕事后補(bǔ)齊的象限發(fā)生,并建立必要的獎懲制度和措施。

3.2 設(shè)計改進(jìn)措施

通過陽江核電站2號機(jī)組二次支承與儀表套管組件M20螺栓與鎖緊帽斷裂脫落事故故障樹排查,可以排除設(shè)計存在問題的可能性,因為相同的設(shè)計已經(jīng)成功運(yùn)用在其他核電站并可靠運(yùn)行多年。但從源頭改善現(xiàn)場施焊的難度,確保焊工工藝參數(shù)的正確性,迫使焊工提高施焊水平與技能,約束現(xiàn)場焊接質(zhì)量等方面,設(shè)計上依然存在空間。

首先,現(xiàn)場鎖緊帽防松點(diǎn)焊較容易出現(xiàn)問題,除了現(xiàn)場施工環(huán)境不佳、空間狹窄的客觀因素外,鎖緊帽的結(jié)構(gòu)設(shè)計也可以進(jìn)一步優(yōu)化。目前設(shè)計的鎖緊帽杯底厚度為2 mm,焊縫的尺寸為1.6 mm,若操作不當(dāng),焊接起弧和引弧較容易出現(xiàn)問題。設(shè)計上,適當(dāng)增加鎖緊帽杯底厚度,起弧和引弧等相對較為方便,可有效改善焊接咬邊、焊穿等缺陷的發(fā)生。

堆內(nèi)構(gòu)件現(xiàn)場防松點(diǎn)焊涉及的鎖緊帽多達(dá)661個,涉及M22、M20和M12三種規(guī)格的螺栓鎖緊帽。在正式施焊前,針對三種規(guī)格的鎖緊帽,根據(jù)產(chǎn)品焊接的實(shí)際焊接位置,制定焊接工藝評定技術(shù)要求,以確保焊接工藝參數(shù)的正確性。此外,為了驗證鎖緊帽現(xiàn)場焊接質(zhì)量的一致性,并保證實(shí)際產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)與制定的焊接工藝評定參數(shù)相一致,設(shè)計上應(yīng)在鎖緊帽焊接之前、焊接過程中以及焊接結(jié)束施分別增加焊接見證件,確保鎖緊帽的焊接質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

螺栓緊固件在運(yùn)行過程中多次出現(xiàn)斷裂和松動事件,如1972年意大利某壓水堆核電站在預(yù)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)多達(dá)21件儀表管嘴和4件儀表管嘴發(fā)生脫落和破裂;1988年秦山一期下部堆內(nèi)構(gòu)件二次支承與儀表套管組件出現(xiàn)了數(shù)根儀表套管斷裂,多根儀表套管與格架板及堆芯支承板間連接螺釘松脫和斷裂的現(xiàn)象,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)儀表柱頂部與雙頭螺母的鎖緊焊縫為虛焊,根部有裂紋未焊透的現(xiàn)象。1998年,巴基斯坦C1項目熱態(tài)功能試驗后,發(fā)現(xiàn)堆內(nèi)構(gòu)件吊籃上有5顆螺栓出現(xiàn)松脫現(xiàn)象[1-2]。鑒于螺栓緊固件多次出現(xiàn)斷裂事故,因此在堆內(nèi)構(gòu)件下部流量分配結(jié)構(gòu)設(shè)計上選擇更可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計,以減少或取消緊固件的應(yīng)用,如采用球形結(jié)構(gòu)、流量分配裙結(jié)構(gòu)等,是之中值得探索的方向。

3.3 制定合理的操作規(guī)范和施工程序文件

針對現(xiàn)場焊接出現(xiàn)的螺栓預(yù)緊順序、儀表套管安裝方位與預(yù)裝不一致以及螺栓與螺栓孔對中偏差等問題,應(yīng)制定更為合理和詳細(xì)的操作規(guī)范和程序文件。針對未熔合、焊縫尺寸不夠等焊接問題,應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚧胧3-5]。未熔合產(chǎn)生的原因包括運(yùn)絲速度過快,焊槍角度不當(dāng),焊接電流過小,電弧太長,待焊面存在銹跡等因素。焊縫尺寸不夠,也與焊接工藝參數(shù)偏小以及運(yùn)絲速度過快有關(guān)。

為了防止現(xiàn)場焊接缺陷的產(chǎn)生,焊接之前應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定,并選擇合適的焊接工藝參數(shù)?，F(xiàn)場施焊過程中,嚴(yán)格按照焊接工藝卡確定的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接,避免由于焊縫數(shù)量過多導(dǎo)致的運(yùn)絲速度過快,加強(qiáng)焊縫尺寸檢查和目視檢查。焊接前,用丙酮清晰待焊表面,擦除銹跡等。焊工施焊時,盡可能選擇恰當(dāng)?shù)氖┖肝恢?正確操作,必要時,可探討開展有限空間的焊接工藝評定。

4 結(jié)束語

陽江核電站2號機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件二次支承與儀表套管組件螺栓與鎖緊帽斷裂松脫事故,對一回路主設(shè)備造成了不同程度的損傷,事故原因分析、設(shè)備損傷檢查和評估、設(shè)備更換和修復(fù)花費(fèi)了大量的人力財力和物力,且導(dǎo)致陽江核電站2號機(jī)組滿功率運(yùn)行時間滯后達(dá)半年以上。本文通過對螺栓及鎖緊帽斷裂松脫事故的原因分析,提出了如下措施:

1)增強(qiáng)人員核安全意識、改善現(xiàn)場環(huán)境、加強(qiáng)質(zhì)保監(jiān)察:包括現(xiàn)場操作人員和監(jiān)管人員的核安全意識需要加強(qiáng),開展必要的核安全知識培訓(xùn)等;現(xiàn)場的清潔度控制、必要的通風(fēng)和除濕措施;貫穿整個過程的質(zhì)量管理和質(zhì)保監(jiān)察措施等。

2)設(shè)計改進(jìn)措施:探討改變堆內(nèi)構(gòu)件下部流量分配結(jié)構(gòu),以減少緊固件的數(shù)量;改進(jìn)鎖緊帽的結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加鎖緊帽的焊接工藝評定要求、增加現(xiàn)場安裝焊接整個過程的焊接見證件要求等;

3)制定合理的操作規(guī)范和施工程序文件:制定合理且詳細(xì)的操作規(guī)范和程序文件,選取合理的焊接工藝參數(shù),并確保待焊表面的清潔度;焊接后加強(qiáng)目視和尺寸檢查。

以上經(jīng)驗反饋與設(shè)計改進(jìn)已經(jīng)應(yīng)用到福清核電站5、6號機(jī)組、巴基斯坦K2、K3核電站項目中,效果較為理想。