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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。