王旭

中國核電江蘇核電有限公司技術(shù)支持處 江蘇連云港 222000

1 概述

俄羅斯對臺WWER-1000型核電機(jī)組大修期間在控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）耐壓殼頭部變徑區(qū)域發(fā)現(xiàn)存在穿透性裂紋，其控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)型號為俄羅斯水壓設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)制造的ShEM-3型。作為重要經(jīng)驗(yàn)反饋，結(jié)合缺陷產(chǎn)生原因分析，對同為WWER-1000型機(jī)組的國內(nèi)某核電站四臺機(jī)組耐壓殼同類型缺陷產(chǎn)生的可能性進(jìn)行分析，并對耐壓殼檢查方案進(jìn)行了研究。

2 ShEM-3型控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)介紹

ShEM-3型控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)主要包括電磁組件、移動組件、驅(qū)動桿、步長位置指示器和耐壓殼。其結(jié)構(gòu)分為單墊圈結(jié)構(gòu)和雙墊圈結(jié)構(gòu)兩種類型，區(qū)別主要在于結(jié)構(gòu)尺寸和密封形式上。單墊圈結(jié)構(gòu)的耐壓殼頭部與位置指示器連接并密封，密封墊圈位于耐壓殼頭部凸肩上方，如圖1所示；雙墊圈結(jié)構(gòu)的耐壓殼頭部與移動組件連接，上方的套筒對其壓緊并密封，移動組件頭部與位置指示器法蘭連接并密封，密封墊圈分別位于耐壓殼頭部凸肩和位置指示器法蘭，如圖1所示。

圖1 單個墊圈的控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖

耐壓殼由法蘭段（下部）、直管段（中部）和套筒（上部）三段焊接組成，套筒材料為ХН35ВТ-ВД合金（類似于我國的1Cr15Ni36W3Ti），直管段和法蘭段的材料為08Cr18Ni10Ti不銹鋼。兩種類型的耐壓殼結(jié)構(gòu)尺寸也存在差異，單墊圈型的耐壓殼頭部內(nèi)徑為兩段式（φ107-φ97mm），而雙墊圈型的耐壓殼頭部內(nèi)徑則改為三段式（φ107-φ101-φ97mm）。俄羅斯發(fā)現(xiàn)存在裂紋顯示的耐壓殼均為單墊圈型ShEM-3型CRDM。

3 缺陷描述及原因分析

3.1 缺陷描述

耐壓殼缺陷產(chǎn)生的大部分位置在頭部套筒內(nèi)部φ97-φ107mm的變徑區(qū)域，曲率半徑為R0.4mm的圓弧過渡段，還有少數(shù)發(fā)生在筒體內(nèi)表面，如圖2所示。該部位處于一回路壓力邊界以內(nèi)，它的失效直接導(dǎo)致了一回路冷卻劑的泄漏。

圖2 耐壓殼頭部缺陷產(chǎn)生位置示意圖

3.2 缺陷原因分析

對耐壓殼缺陷區(qū)域進(jìn)行金相觀察發(fā)現(xiàn)，缺陷主要起源于與套筒凸臺相對的較大壁厚的圓弧過渡段，之后向較小壁厚的圓弧過渡段擴(kuò)展，同時沿壁厚擴(kuò)展，最終形成穿透裂紋。裂紋擴(kuò)展途徑為沿晶開裂，如圖3所示。

圖3 耐壓殼缺陷擴(kuò)展形態(tài)

耐壓殼屬于一回路壓力邊界，直接與一回路冷卻劑接觸，運(yùn)行溫度約270°，運(yùn)行壓力為15.7MPa。在一回路壓力的作用下，耐壓殼頭部R=0.4mm的過渡區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)力集中；另外，高硬度的XG35BT-BД合金在機(jī)械加工過程中，在變徑區(qū)域容易產(chǎn)生微觀表面缺陷，導(dǎo)致附加的微觀應(yīng)力集中。

耐壓殼頭部區(qū)域?yàn)椴馁|(zhì)XG35BT-BД屬于高鎳合金。高鎳合金較容易產(chǎn)生的位錯橫向滑移使得位錯可以越過整個晶粒到達(dá)晶界，而晶界是位錯運(yùn)動的障礙。因此，位錯在晶界處不斷的聚集塞積，導(dǎo)致應(yīng)力集中進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋。

高鎳合金在水溶液中形成可溶化合物（Cr,Fe）（OH）2+和活性的六價Cr，替代惰性的低溶解型的（Cr,Fe）（OH）2+，在裂紋邊緣形成活性通道，水溶液與外部介質(zhì)形成質(zhì)量交換，帶走溶解的金屬，導(dǎo)致裂紋的加速擴(kuò)展。同時，水中的溶解氧降低了金屬融入溶液的電勢差，促進(jìn)了裂紋縫隙內(nèi)金屬的溶解，也促進(jìn)了腐蝕裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。

綜上分析可知：在IGSCC敏感材質(zhì)、拉應(yīng)力（包括工作應(yīng)力以及殘余應(yīng)力）、一回路水化學(xué)環(huán)境以及溶解氧等多重因素的綜合影響下，耐壓殼頭部區(qū)域產(chǎn)生了晶間應(yīng)力腐蝕，并造成腐蝕裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，最終形成貫穿性裂紋。

4 國內(nèi)同類型機(jī)組耐壓殼應(yīng)力腐蝕開裂的可能性分析

4.1 雙墊圈型CRDM耐壓殼結(jié)構(gòu)分析

國內(nèi)某兩臺同類型機(jī)組采用了雙墊圈型CRDM，如圖4所示。雙墊圈型耐壓殼與單墊圈型的差異主要有以下幾個方面：

圖4 帶雙墊圈的控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖

耐壓殼頭部區(qū)域采用三段式設(shè)計(jì)，即：φ97mm-φ101mmφ107mm；

第一處密封墊圈直接位于φ101mm-φ107mm的臺階上；

耐壓殼頭部的環(huán)形空間沿軸向的長度較短；

以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變化所產(chǎn)生的結(jié)果是：雙墊圈型耐壓殼頭部圓弧過渡區(qū)域只存在較低的拉應(yīng)力；環(huán)形空間長度的縮短致使在該區(qū)域所聚集的空氣總量明顯降低；同時，由于密封墊圈直接位于φ101-φ107mm的臺階上，因此一回路冷卻劑基本無法與該圓滑過渡段直接接觸。

因此，雙墊圈型CRDM耐壓殼結(jié)構(gòu)對拉應(yīng)力、水化學(xué)、溶解氧等因素都得到了有效的制約，從缺陷產(chǎn)生機(jī)理上來看，發(fā)生IGSCC的可能性很小。

4.2 改進(jìn)型單墊圈CRDM耐壓殼結(jié)構(gòu)分析

國內(nèi)另外兩臺同類型機(jī)組耐壓殼在設(shè)計(jì)時，為了減小機(jī)組運(yùn)行過程中的泄漏概率以及縮短解體工期，仍采用了單墊圈密封的形式。但耐壓殼頭部區(qū)域采用了08Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼材料作為替代，該種材料對晶間應(yīng)力腐蝕的敏感性很低。另外，耐壓殼頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，φ97mm-φ107mm變徑區(qū)域采用了R=4mm的圓滑過渡，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有效降低了應(yīng)力集中。

因此，改進(jìn)型單墊圈耐壓殼從設(shè)計(jì)上解決了材質(zhì)對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性以及應(yīng)力集中的問題，發(fā)生IGSCC的可能性很小，這一點(diǎn)也被國外同類型機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)。

5 耐壓殼渦流陣列檢查方法研究

為了更好的監(jiān)督耐壓殼應(yīng)力腐蝕開裂情況，提高無損檢驗(yàn)的可靠性，國內(nèi)同類型核電機(jī)組除了對耐壓器頭部實(shí)施目視和液體滲透檢驗(yàn)外，還研究采用渦流陣列技術(shù)對耐壓殼頭部區(qū)域?qū)嵤z驗(yàn)。

5.1 渦流探頭的選擇與設(shè)計(jì)

耐壓殼缺陷多發(fā)區(qū)域?yàn)轭^部變徑位置，該區(qū)域結(jié)構(gòu)所引起的邊緣效應(yīng)和提離效應(yīng)對常規(guī)點(diǎn)式渦流探頭信號影響較大，邊緣及提離信號會對缺陷信號產(chǎn)生干擾，甚至將缺陷信號淹沒在干擾信號中，導(dǎo)致無法對缺陷信號有效識別。

而渦流陣列探頭的激勵線圈與檢測線圈之間可以形成兩種方向垂直交互的電磁場傳遞，有利于發(fā)現(xiàn)不同取向的線性缺陷，且容易克服邊緣效應(yīng)和提離效應(yīng)的影響，因此采用陣列技術(shù)對耐壓殼頭部區(qū)域?qū)嵤z驗(yàn)是良好選擇。

根據(jù)耐壓殼頭部內(nèi)表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工了與檢查區(qū)域相配合的仿型陣列探頭，該陣列探頭由40個直徑為2.5mm、頻率50-800KHz的線圈分兩組縱向分布，可實(shí)現(xiàn)耐壓殼頭部兩個臺階區(qū)域以及臺階上下各10mm筒體內(nèi)表面的全覆蓋，如圖5所示。

圖5 渦流陣列探頭及檢驗(yàn)區(qū)域示意圖

5.2 陣列渦流檢測能力試驗(yàn)

參考ASME規(guī)范相關(guān)要求，對非磁性金屬板或弧面檢驗(yàn)對象的靈敏度要求為能檢出6mm長×0.25mm寬，深度最小為0.25mm的槽型人工缺陷。為了驗(yàn)證渦流陣列技術(shù)的檢測能力，制作了帶人工缺陷的驗(yàn)證試塊。試塊人工缺陷設(shè)置如下：

一個內(nèi)表面上覆蓋整個檢驗(yàn)區(qū)域的縱向槽，用于驗(yàn)證所有線圈信號的激勵和接收性能以及進(jìn)行標(biāo)定；

一個內(nèi)表面與軸向呈45°夾角覆蓋整個檢驗(yàn)區(qū)域的斜槽，用于驗(yàn)證各渦流線圈激發(fā)時序的正確性；

三組內(nèi)不同深度的軸向和周向槽，長6mm，寬0.25mm，最小深度為0.25mm，用于驗(yàn)證內(nèi)表面軸向和周向線性缺陷檢驗(yàn)?zāi)芰Γ?/p>

分別位于φ101mm-φ107mm和φ97mm-φ101mm臺階根部的周向槽，長6mm，寬0.25mm，深度為0.25mm，用于驗(yàn)證變徑區(qū)域裂紋性缺陷的檢驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

經(jīng)過對上述人工缺陷檢驗(yàn)，陣列渦流檢驗(yàn)技術(shù)對耐壓殼筒體內(nèi)表面、變徑區(qū)域的槽型人工缺陷均可有效檢出。

6 結(jié)語

①ShEM-3單墊圈型CRDM耐壓殼頭部區(qū)域缺陷產(chǎn)生原因是ХН35ВТ-ВД高鎳合金在一回路水化學(xué)環(huán)境、溶解氧以及拉應(yīng)力等多重因素的綜合作用下，在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生的晶間應(yīng)力腐蝕開裂。②采用雙墊圈型CRDM的耐壓殼可對IGSCC產(chǎn)生誘因進(jìn)行有效制約，而改進(jìn)型的單墊圈CRDM耐壓殼則從設(shè)計(jì)上解決了材質(zhì)對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性以及應(yīng)力集中的問題。因此其發(fā)生IGSCC的可能性很小。③渦流陣列檢驗(yàn)對耐壓殼裂紋性缺陷具有較高的檢出靈敏度，該技術(shù)的開發(fā)及現(xiàn)場應(yīng)用可進(jìn)一步提高檢驗(yàn)的可靠性。