蒙堆強(qiáng) 葉清 蔡國(guó)輝 王詩(shī)林

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

壓力容器作為核燃料發(fā)生核物理反應(yīng)的場(chǎng)所，是核電廠反應(yīng)堆一回路最為重要的設(shè)備，保證其質(zhì)量安全可靠是作為核安全的首要目標(biāo)。為了反應(yīng)堆堆芯和堆內(nèi)構(gòu)件的裝卸，壓力容器必須有一個(gè)可拆卸的頂蓋；為防止放射性物質(zhì)泄漏，要求密封結(jié)構(gòu)的安全可靠，所以通常采用雙道鍍銀C形環(huán)的密封結(jié)構(gòu)[1]。壓力容器主要部件材料為錳鎳鉬合金鋼（16MND5）。

1 背景簡(jiǎn)述

福清核電3號(hào)機(jī)組冷試結(jié)束后，將壓力容器頂蓋吊運(yùn)至頂蓋存放間期間，發(fā)現(xiàn)壓力容器頂蓋法蘭面位置出現(xiàn)一圈壓痕，用手觸摸略微感覺(jué)有毛刺突起。對(duì)有出現(xiàn)突起的地方用杠桿百分表測(cè)量，出現(xiàn)毛刺的地方高度約0.03-0.05mm。在熱試結(jié)束后，在壓力容器開(kāi)蓋階段吊運(yùn)壓力容器頂蓋時(shí)發(fā)現(xiàn)與冷試相同位置，壓痕毛刺高度約為0.03-0.04mm，觸摸有輕微粗糙感，無(wú)明顯毛刺現(xiàn)象。福清核電4號(hào)機(jī)組冷試和熱試結(jié)束壓力容器開(kāi)蓋過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)與3號(hào)機(jī)同樣的問(wèn)題。

2 壓痕分析

針對(duì)壓力容器頂蓋與堆內(nèi)構(gòu)件接觸地方出現(xiàn)的壓痕進(jìn)行了取樣和數(shù)據(jù)測(cè)量分析，通過(guò)取樣和數(shù)據(jù)測(cè)量分析結(jié)果總結(jié)壓痕行成的機(jī)理。

2.1 取樣分析

對(duì)壓力容器頂蓋法蘭密封面壓痕處進(jìn)行取樣分析。分析內(nèi)容包括宏觀形貌觀察、微光形貌觀察、能譜分析，采用的方法有：①目視或放大鏡檢查；②JB/T 6842-1993《掃面電子顯微鏡試驗(yàn)方法》；③GB/T17359-2012《微束分析 能譜法定量分析》。分析結(jié)果如下：

（1）壓力容器頂蓋法蘭端面的磨痕為局部接觸磨損損傷，磨損區(qū)環(huán)向分布，由若干不連續(xù)的磨損區(qū)域組成，磨損區(qū)域徑向?qū)挾葹?0-30mm，磨損區(qū)外邊緣距離壓力容器頂蓋法蘭端面與上部堆內(nèi)構(gòu)件上端面的接觸邊緣約10mm左右。用手觸摸磨損區(qū)表面，沒(méi)有明顯的突起感，沒(méi)有形成類似毛刺類型的突起。

（2）在掃描電鏡下觀察壓力容器頂蓋上壓痕處碎屑的形貌并進(jìn)行能譜分析。碎屑表面有明顯的擠壓變形和堆疊現(xiàn)象，通過(guò)能譜分析，碎屑成分組成與法蘭基體材料基本一致，根據(jù)形貌和成分判斷其為機(jī)械擦傷及磨損產(chǎn)生的碎屑[1]。

上述分析表明，壓力容器頂蓋法蘭下端面與上部堆內(nèi)構(gòu)件上法蘭靠近邊緣的表面發(fā)生徑向滑動(dòng)摩擦損傷，損傷區(qū)寬度較大，為局部面接觸損傷，壓緊彈簧上端面的損傷寬度較小，也為徑向方向上的局部面接觸損傷。損傷區(qū)獲取的碎屑成分均符合不銹鋼的成分組成，屬于機(jī)械損傷產(chǎn)生的碎屑。綜合3號(hào)機(jī)組冷態(tài)壓力試驗(yàn)后的環(huán)向線接觸磨損和本次局部面接觸磨損的特征可見(jiàn)，磨損區(qū)域是頂蓋法蘭下端面與上部堆內(nèi)構(gòu)件上端面首先發(fā)生接觸的區(qū)域，在后期的裝配或運(yùn)行過(guò)程中兩個(gè)端面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，形成表面損傷。

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量分析

在進(jìn)行磨損碎屑材質(zhì)分析的同時(shí)，還進(jìn)行了壓力容器安裝時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測(cè)量比對(duì)，為磨損產(chǎn)生的原因提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

對(duì)上部堆內(nèi)構(gòu)件上支承法蘭外圓倒角進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件相關(guān)安裝數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，并與冷試、熱試期間進(jìn)行比較，未發(fā)現(xiàn)超出驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的范圍。同時(shí)對(duì)冷試和熱試壓力容器主螺栓拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析冷試壓力容器關(guān)蓋時(shí)主螺栓拉伸殘余拉伸量比熱試期間大0.21mm，拉伸最終壓力也高出近300bar,且冷試期間反應(yīng)堆一回路最大壓力為19Mpa，而熱試期間反應(yīng)堆一回路最大壓力為15.4Mpa。這些差異對(duì)壓力容器頂蓋法蘭面、上部堆內(nèi)構(gòu)件支撐法蘭面和壓緊彈簧上表面的冷試與熱試期間出現(xiàn)的壓痕差異有一定程度的影響。試驗(yàn)期間壓力容器長(zhǎng)期處于高預(yù)緊力、高溫高壓狀態(tài)下，壓力容器頂蓋密封面、上支承法蘭表面擦痕是由于堆內(nèi)構(gòu)件與壓力容器間的存在熱脹差，這對(duì)產(chǎn)生壓痕現(xiàn)象也有一定的影響。另外，上部堆內(nèi)構(gòu)件上支撐組件法蘭上端面處設(shè)計(jì)上為3±0.5×45°±2°倒斜角而非用圓角圓滑過(guò)渡，在壓力容器受內(nèi)壓變形時(shí)該處接觸應(yīng)力集中，進(jìn)一步促成了壓痕邊緣處產(chǎn)生毛刺。

3 處理過(guò)程及結(jié)果

對(duì)出現(xiàn)壓痕的端面進(jìn)行打磨修復(fù)處理，主要分為修復(fù)前的防護(hù)、打磨實(shí)施、修復(fù)結(jié)果驗(yàn)收三個(gè)階段。

在修復(fù)工作開(kāi)展前，需將密封面不需修復(fù)的部位進(jìn)行防護(hù)，尤其是密封槽等關(guān)鍵部位。用核級(jí)膠帶對(duì)內(nèi)、外C型密封環(huán)槽和固定螺釘槽處做好防異物保護(hù)。修復(fù)時(shí)用干凈的白布蘸酒精清洗壓痕部位；在清潔完成后用砂紙對(duì)壓痕和需要處理的地方進(jìn)行手工修磨，每修磨完一部分就做PT檢查，如不合格就再進(jìn)行修磨，直至完成整體修磨。整體修磨完成后使用百潔布和酒精對(duì)處理部位進(jìn)行拋光，使其滿足表面粗糙度和平面度的要求。在拋光過(guò)程中，由于表面精度提高，發(fā)現(xiàn)了不少在修磨時(shí)發(fā)現(xiàn)不了的小坑。將這些小坑進(jìn)行修磨并在周邊圓滑過(guò)渡，然后繼續(xù)進(jìn)行拋光至表面滿足要求；必要時(shí)可采用小型電動(dòng)工具進(jìn)行拋磨工作；拋磨后，對(duì)修復(fù)部位進(jìn)行清潔；修復(fù)后對(duì)修復(fù)部位進(jìn)行VT、PT檢查，并進(jìn)行平面度測(cè)量，測(cè)量驗(yàn)證合格后使用干凈的白布蘸酒精對(duì)密封面進(jìn)行全面清潔。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合對(duì)壓痕的取樣及數(shù)據(jù)測(cè)量分析，得出壓力容器關(guān)蓋后長(zhǎng)期處于高預(yù)緊力狀態(tài)下，壓力容器頂蓋密封面、上支承法蘭表面壓痕是由于堆內(nèi)構(gòu)件與壓力容器間的脹差造成，壓力容器在受到內(nèi)壓后會(huì)出現(xiàn)一定的變形，另外壓力容器與堆內(nèi)構(gòu)件材質(zhì)不一樣存在一定的熱脹差，導(dǎo)致壓力容器法蘭面形成少量毛刺，屬于正?，F(xiàn)象，不影響設(shè)備功能及正常使用[2-3]。

通過(guò)對(duì)此次壓力容器壓痕產(chǎn)生的機(jī)理分析，為后續(xù)堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)化有很好的借鑒意義，目前福清5、6號(hào)機(jī)組已對(duì)該處外圓倒角進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)上部堆內(nèi)構(gòu)件上支撐組件法蘭上端面的倒角變更為R3±0.5倒圓角，減輕上部堆內(nèi)構(gòu)件上支撐組件法蘭與頂蓋的應(yīng)力集中，預(yù)防產(chǎn)生毛刺。另外，此次成功分析和處理反應(yīng)堆壓力容器頂蓋壓痕對(duì)其他壓水堆核電廠反應(yīng)堆壓力容器頂蓋壓痕的處理具有良好的借鑒意義。