压水堆核电厂反应堆压力容器顶盖贯穿件在役检查技术
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摘 要：介绍了压水堆核电厂反应堆压力容器顶盖贯穿件的结构及降质的经验反馈，阐述了国外相关检验要求、检验技术及检验设备，提出了我国压水堆反应堆压力容器顶盖贯穿件套管在役检查的建议。
关键词：压水堆；核电厂；反应堆压力容器顶盖贯穿件；在役检查
1 引言
压水堆核电厂反应堆压力容器顶盖控制棒驱动机构贯穿件和热电偶贯穿件（简称顶盖贯穿件）是一回路冷却剂系统承压边界的重要组成部分，对于核电厂的安全运行至关重要。顶盖贯穿件通过冷装工艺穿过顶盖，从顶盖内表面焊接，焊缝结构呈J型（简称J型焊缝）。典型的压力容器顶盖见图1，顶盖贯穿件结构见图2。世界范围内的大多数压水堆核电厂顶盖均采用该结构。
20世纪90年代以来，部分核电厂发现顶盖贯穿件发生泄漏和裂纹，引起了行业重点关注。2002年，美国Davis-Besse 核电厂执行反应堆压力容器上封头控制棒驱动机构（CRDM）超声波检查，检查发现3号CRDM贯穿件附件有腐蚀空洞，空洞从管座延伸18厘米，最宽部位约15厘米，压力容器上封头基体金属腐蚀扩展至约1厘米厚的顶盖内表面不锈钢堆焊层，该部位由于顶盖贯穿件裂纹贯穿导致硼酸泄漏后对顶盖母材产生腐蚀。经研究，国际上发生的核电厂压力容器顶盖降质原因主要是因为贯穿件及贯穿件与顶盖焊缝（J型焊缝）材质为Inconel 600合金（焊缝为INCONEL182/82），该种材质抗应力腐蚀裂纹（PWSCC）能力较差，容易产生腐蚀泄漏。截止2009年，法国已全部将反应堆压力容器顶盖贯穿件更换为Inconel 690合金材质，Inconel 690合金材质具有较强的耐腐蚀性，目前尚未有发生应力腐蚀泄漏的反馈。目前我国新建压水堆核电厂反应堆压力容器顶盖贯穿件均为改进的Inconel 690合金材质。
2 反应堆压力容器顶盖贯穿件检验技术
美国核管会（NRC）管理指令 NRC Order EA-03-009要求在机组换料大修期间强制执行几种检查。每个电厂需要通过有效降质计算来进行设备的应力腐蚀裂纹（PWSCC）敏感性分级，根据分级（高、中、低）确定了电厂需要在每次换料大修期间执行检验的项目及频度。
美国大多数压水堆核电厂对于反应堆压力容器顶盖内部检验的范围要求如下：
（1）反应堆压力容器顶盖外表面100%目视检验（包括每一根顶盖贯穿件360°目视检验）；
（2）超声和涡流检验：每一根贯穿件基体金属至少在贯穿件底部到与顶盖焊缝（J型焊缝）上部51mm范围（见图2）；
（3）每一个贯穿件与顶盖的焊缝（J型焊缝）表面涡流或渗透检验；
2.1 反应堆压力容器顶盖贯穿件检验难点及技术要求
（1）由于电厂运行后，压力容器顶盖便成为高放射性设备，辐射剂量高，必须使用远程自动化设备来实施检验；现场空间狭小，限制了设备活动范围；
（2）自动检验装置要求定位准确，不允许擦伤贯穿件下部喇叭口；
（3）照明能使摄像装置在检验环境下分辨出18%本底反射率的灰度卡上至少0.8mm 的黑线；
（4）超声检验需要用去离子水耦合，需要对耦合剂实施密封；
（5）焊缝材质、结构复杂，探头研制困难；
2.2 反应堆压力容器顶盖贯穿件视频检查
目前国内反应堆压力容器顶盖内表面采用视频检查系统，从内侧检查反应堆顶盖内壁堆焊层2、管座与顶盖的焊缝3，见图3。一旦发现裂纹、腐蚀等缺陷或发生图4所示泄漏时，评估后认为会在顶盖产生硼结晶时需增加顶盖外表面内窥镜检查。
视频检查系统包括机械单元、控制单元、摄录单元。机械单元为摄像头在水平、垂直及旋转运动时提供足够的自由度，确保按要求扫查到待检部位。控制单元包括计算机、接口盒、控制柜、电源、光缆及控制软件等。摄录单元包括监视器、录像机及摄像头，显示相应视频信号。视频检验中需控制扫查速度，一般摄像机观察点在被检表面移动速度要小于50mm/s，扫查最大直径区域时要控制较低转速。
2.3 反应堆压力容器顶盖贯穿件套管基体金属超声、涡流检验
超声和涡流检验通过顶盖贯穿件套管内表面检验表面缺陷或裂纹。超声、涡流检验需要开发专用探头，要求具有较高的灵敏度；需要制作参考试块、标定样管，标定试块要与被检部件材质相同，结构、大小、表面状态要与被检部件一样；标定试块上需要加工一定的人工伤，作为评定缺陷的基准。超声参考试块一般加工横通孔或矩形槽，涡流标定样管一般加工轴向条状槽、周向条状槽和模拟壁厚减薄的方形平底孔等形式的人工伤，最小深度为0.5mm。
国外开发了一个集涡流线圈、0°超声探头和一对测量周向和轴向裂纹的TOFD探头于一体的综合性探头，该探头还包括提供水耦合剂的软管。见图5。
该探头通过专用工具来操作控制，专用工具见图6。该设备可以定位涡流、超声探头位置并引导探头进入CRDM贯穿管及热电偶套管内部，并可控制探头扫查内表面待检区域。
2.4 反应堆压力容器顶盖贯穿件套管与顶盖焊缝（J型焊缝）表面涡流检验
涡流检验可以发现J型焊缝顶盖侧存在的表面缺陷及定位贯穿管侧缺陷可能的指示方向（周向、轴向或体积缺陷）。由于J型焊缝复杂的马鞍形表面几何结构，检验需应用两种类型的探头来确保能够覆盖全部的待检区域（顶盖侧50mm，贯穿管侧12.5mm）。第一种类型探头见图7，该探头由16个涡流线圈组成的差分式涡流探头阵列，该探头对于不同方向的线性缺陷具有一致的检验灵敏度，根据被检部件尺寸、型面进行探头外形设计，可直接与被检验部件形成良好的电磁耦合。第二种类型的探头（检验贯穿管侧的焊缝区域）是由3个涡流线圈组成的探头阵列，安装在柔性探头架上，能够自动调节探头与焊缝保持柔性接触，避免了磨损焊缝表面。检验装置见图8。
3 结语
对反应堆压力容器顶盖贯穿件实施多种方法来监督其处于健康状态是保障核电厂长期安全运行的手段之一。我国压水堆核电厂主要遵循美国ASME及法国RSE-M标准，针对该部位主要实施目视检验。美国已有针对Inconel 600合金材质的顶盖贯穿件实施检验的实例，并给出了检验范围、检验方法等。国内秦山核电厂对顶盖贯穿件（材质为Inconel 600合金）实施了超声、涡流检验，结果达到了预期目的。目前法国已有对Inconel 690合金材质的顶盖贯穿件进行涡流检验的实践，随着后续核电厂长期运行及在役检验要求的提高，国内对于反应堆压力容器顶盖贯穿件更高要求的检验需求也将会出现，对国内开发更为先进的检验设备、系统具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]NRC Order EA-003-009 United States of America Nuclear Regulatory Commission ，Office of Nuclear Regulation ，Washington，D.C.20555-0001，February20，2004 .