赫照

（西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安 710021）

核電站非能動(dòng)應(yīng)急余熱排出冷卻器主要功能是在電廠斷電事故疊加輔助給水系統(tǒng)汽動(dòng)給水泵啟動(dòng)失效的情況下，以一定的冷卻速率導(dǎo)出堆芯余熱及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)各設(shè)備的顯熱。應(yīng)急余熱排出冷卻器也構(gòu)成二回路壓力邊界的一部分，該系統(tǒng)被稱(chēng)為非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)PRS系統(tǒng)。當(dāng)PRS系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，應(yīng)急余熱排出冷卻器管程冷凝水在重力作用下流入蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，并在其中吸收堆芯余熱后變成蒸汽，蒸汽進(jìn)入應(yīng)急余熱排出冷卻器管程與事故冷卻水箱的冷卻水進(jìn)行熱量交換，形成冷凝水，冷凝水依靠應(yīng)急余熱排出冷卻器與蒸汽發(fā)生器高度差在重力作用下完成蒸汽-冷凝水的自然循環(huán)。應(yīng)急余熱排出冷卻器C形換熱管為核安全2級(jí)部件，是實(shí)現(xiàn)該設(shè)備主要功能的重要部件，如何保證該部件的質(zhì)量顯得尤為重要[1]。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

應(yīng)急余熱排出冷卻器主要包括上封頭組件、下封頭組件、管板組件、C形換熱管束、框架及管束支承等。其中C 形換熱管束由500根規(guī)格為φ20 mm×2.5 mm的換熱管組成，材料為Z2CN18-10，是一種符合法國(guó)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)的核級(jí)冷精整無(wú)縫奧氏體不銹鋼材質(zhì)。換熱管正方形排列，平均長(zhǎng)度約8 297 mm，最長(zhǎng)約11 297 mm，最短約5 297 mm。管內(nèi)介質(zhì)為混合蒸汽，管外介質(zhì)為事故冷卻水，設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure drawing for equipment

2 檢驗(yàn)方法

C形換熱管在材料生產(chǎn)過(guò)程中雖然進(jìn)行了在線(xiàn)100%超聲檢測(cè)，但超聲檢測(cè)存在一定的局限性，對(duì)于換熱管內(nèi)壁的點(diǎn)孔狀、腐蝕凹坑等微小缺陷無(wú)法準(zhǔn)確判定，致使外表面全部合格的換熱管也可能存在一定的內(nèi)部缺陷。如果換熱管內(nèi)壁存在劃痕、凹坑、斑點(diǎn)等無(wú)法通過(guò)超聲檢測(cè)暴露的缺陷會(huì)直接影響換熱管的質(zhì)量，給設(shè)備在役運(yùn)行造成很大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。為確保換熱管在全壽命周期內(nèi)能夠安全可靠地使用，對(duì)應(yīng)急余熱排出冷卻器成品C形換熱管采用更直觀、更可靠的手段進(jìn)一步檢驗(yàn)是非常必要的。經(jīng)過(guò)多年設(shè)備制造的經(jīng)驗(yàn)積累，我們形成了一套固化的換熱管內(nèi)壁檢驗(yàn)方法及缺陷分析的技術(shù)手段，并對(duì)上游換熱管制造提出了改進(jìn)措施的建議，以期最大限度地避免缺陷的產(chǎn)生，保證設(shè)備的安全運(yùn)行[2]。

設(shè)備制造前對(duì)成品管內(nèi)壁進(jìn)行逐根的內(nèi)窺鏡內(nèi)壁檢驗(yàn)，通過(guò)這種方法發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁可能存在的問(wèn)題。根據(jù)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求用于間接目視檢測(cè)的內(nèi)窺鏡最大放大倍數(shù)為6倍，選擇全視角鏡頭，調(diào)配最佳圖像分辨率和放大倍數(shù)，記錄深入長(zhǎng)度，逐一記錄缺陷位置，對(duì)換熱管進(jìn)行編號(hào)，做好具有追溯性的相關(guān)記錄。通過(guò)內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)部分換熱管內(nèi)壁確實(shí)存在白斑、黃斑和黑斑等現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后對(duì)同期生產(chǎn)的換熱管成品余料進(jìn)行排查取樣分析，所取樣管內(nèi)壁情況見(jiàn)圖2，與產(chǎn)品管內(nèi)窺鏡顯示一致，對(duì)該樣管進(jìn)行了解剖、目視和滲透檢測(cè)及金相組織分析，以便更準(zhǔn)確地判斷鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因，制定與之對(duì)應(yīng)的解決方案。

圖2 內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)Fig 2 Endoscopic examination

3 缺陷分析

3.1 白斑原因分析

將試樣剖開(kāi)后，進(jìn)行了目視檢測(cè)并無(wú)可見(jiàn)缺陷，見(jiàn)圖3。對(duì)該試樣內(nèi)表面進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，內(nèi)表面也無(wú)明顯缺陷顯示，見(jiàn)圖4。因此推斷產(chǎn)生白斑的原因可能是鋼管內(nèi)壁表面狀態(tài)不一致，在內(nèi)窺鏡光線(xiàn)反光下呈現(xiàn)的現(xiàn)象。

圖3 切開(kāi)后的試樣Fig.3 Sample after cutting

圖4 滲透檢測(cè)Fig.4 Penetrant testing

對(duì)試樣管作進(jìn)一步的酸洗試驗(yàn)判斷。取白斑試樣進(jìn)行酸洗，將試樣置于5%氫氟酸+15%硝酸組成的水溶液中[3-4]，在50℃下加熱5 min后取出可見(jiàn)酸洗前后無(wú)明顯差異，見(jiàn)圖5所示。

在白斑處截取一段橫向試樣作金相組織分析，其組織顯示如圖6。由圖可見(jiàn)，換熱管金相組織正常，晶界無(wú)析出，晶粒度約為5.0級(jí)且內(nèi)壁完好，滿(mǎn)足RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中2級(jí)鋼管的要求，由此證明白斑部位組織正常[5]。

圖6 金相組織Fig.6 Metallographic structure

通過(guò)分析，可確認(rèn)白斑主要是因?yàn)閾Q熱管在冷加工后內(nèi)壁表面狀態(tài)不一致，直管經(jīng)固溶熱處理后，在內(nèi)窺鏡檢查時(shí)由光線(xiàn)反光造成的表面現(xiàn)象，而內(nèi)部組織完全正常。

3.2 黃斑原因分析

檢驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)管子靠近彎管消應(yīng)力熱處理區(qū)域附近內(nèi)壁存在局部的黃斑，對(duì)同期生產(chǎn)的成品余料進(jìn)行了解剖、目視、掃描電鏡及金相組織分析以便確定管子產(chǎn)生黃斑的原因。將試樣切開(kāi)后目視檢測(cè)可見(jiàn)，黃斑1、黃斑2均為點(diǎn)狀細(xì)小凹坑，如圖7所示。

圖7 切開(kāi)后的顯示Fig.7 Display after incision

借助檢測(cè)工具對(duì)換熱管內(nèi)壁的黃斑進(jìn)行掃描電鏡觀察，這是一種介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的微觀形貌觀察手段，可直接利用試樣表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像，并對(duì)其進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖8所示。從掃描電鏡結(jié)果可知，黃斑1和2區(qū)域成分與基體成分基本一致，僅發(fā)現(xiàn)成分中有微量氧元素，未發(fā)現(xiàn)其他異常元素，比如氯離子等鹵組元素或危害性腐蝕物，說(shuō)明黃斑只有輕微的氧化[6]。

圖8 黃斑1和黃斑2掃描電鏡及能譜分析Fig.8 Scanning electron microscope and energy spectrum analysis of macula1and 2

對(duì)黃斑作進(jìn)一步的金相組織分析來(lái)判斷黃斑產(chǎn)生的原因。根據(jù)金相組織圖片顯示，黃斑1為深度0.017 mm的小凹坑，黃斑2為深度0.034 mm的小凹坑，附近金相組織均正常，晶界無(wú)析出，無(wú)腐蝕現(xiàn)象，見(jiàn)圖9。

圖9 黃斑1和黃斑2金相組織Fig.9 Metallographic structure of macula 1 and 2

綜合以上分析，黃斑產(chǎn)生的主要原因是由于在成品前一道工序中，管端毛刺未完全清理干凈，在成品冷加工過(guò)程中將其壓入而留下了微小凹坑導(dǎo)致最終管子內(nèi)部不易清潔徹底，在換熱管彎管消應(yīng)力熱處理過(guò)程中，靠近消應(yīng)力區(qū)域附近，發(fā)生了輕微的氧化而顯示的黃斑。

3.3 黑斑原因分析

檢查過(guò)程發(fā)現(xiàn)管子直管段的內(nèi)壁存在局部的黑斑，對(duì)同期生產(chǎn)的成品余料進(jìn)行了解剖、目視、掃描電鏡及金相組織分析，判斷管子產(chǎn)生黑斑的主要原因。將試樣切開(kāi)后目視可見(jiàn)，黑斑為點(diǎn)狀細(xì)小凹坑，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。

圖10 切開(kāi)后的顯示Fig.10 Display after incision

借助檢測(cè)工具對(duì)換熱管內(nèi)壁的黑斑進(jìn)行掃描電鏡觀察，并對(duì)其進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖11所示。從掃描電鏡結(jié)果可知，黑斑成分與基體成分基本一致，未發(fā)現(xiàn)其他異常元素。

圖11 黑斑形貌掃描電鏡及能譜分析Fig.11 Scanning electron microscope and energy spectrum analysis of black spot

對(duì)黑斑作進(jìn)一步的金相組織分析，根據(jù)金相圖片可知，黑斑為深度0.032mm的小凹坑，附近金相組織正常，晶界無(wú)析出，無(wú)腐蝕現(xiàn)象，見(jiàn)圖12。

圖12 黑斑金相組織Fig.12 Metallographic structure of black spot

根據(jù)以上分析， 黑斑產(chǎn)生的主要原因與黃斑一致，均為換熱管成品前上道工序中管端毛刺未完全清理干凈，在成品冷加工過(guò)程中將其壓入而留下了微小凹坑導(dǎo)致清潔不徹底而產(chǎn)生的。

4 改進(jìn)措施

通過(guò)以上檢驗(yàn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)核級(jí)換熱管內(nèi)壁質(zhì)量的精準(zhǔn)檢驗(yàn)，為內(nèi)壁缺陷定性分析提供了判斷方法，同時(shí)針對(duì)上述換熱管檢驗(yàn)出的內(nèi)壁缺陷問(wèn)題給出后續(xù)改進(jìn)措施的建議。

（1）加強(qiáng)換熱管冷加工過(guò)程定頭等工模具的管控，采用手提式修磨機(jī)具代替手工打磨，以減少手工打磨的不均勻程度，防止修磨過(guò)程產(chǎn)生的小尖角或毛刺，影響后續(xù)工序中成品管的質(zhì)量[7]。

（2）在進(jìn)行內(nèi)壁清理、清潔度檢查及內(nèi)壁脫脂清理時(shí)，采用羊毛氈塞從管內(nèi)壁兩端進(jìn)行清理， 以最大限度地清理管內(nèi)殘留異物。

（3）水壓試驗(yàn)用水應(yīng)完全滿(mǎn)足RCC-M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的B級(jí)水的要求，嚴(yán)格控制水中氯、氟離子含量，試驗(yàn)后應(yīng)及時(shí)將殘留液體清理干凈，防止污染產(chǎn)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)C形換熱管內(nèi)壁的檢驗(yàn)方法做了詳細(xì)的闡述分析，該方法已成功應(yīng)用于多臺(tái)核電機(jī)組的類(lèi)似熱交換器換熱管的檢驗(yàn)中，可靠驗(yàn)證了換熱管的整體質(zhì)量。同時(shí)對(duì)上游供貨單位提出了改進(jìn)措施，最大可能地預(yù)防了缺陷的產(chǎn)生，為后續(xù)加工制造節(jié)約了時(shí)間，降低了成本避免返修的發(fā)生。文中總結(jié)的檢驗(yàn)分析方法及改進(jìn)措施不僅適合核級(jí)設(shè)備同時(shí)也可延伸應(yīng)用于其他同類(lèi)設(shè)備的管束制造，減少缺陷的產(chǎn)生，提升設(shè)備的可靠性，實(shí)踐證明該方法可推廣可復(fù)制。