控制棒驱动机构下部Ω焊缝及母材液体渗透显示分析的研究

凌礼恭，贾盼盼，孙海涛，董晓璐，盛朝阳，高晨，王俊红

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100088；2.北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083；3.华北科技学院，河北廊坊 065201）



控制棒驱动机构下部Ω焊缝及母材液体渗透显示分析的研究

凌礼恭1，2，贾盼盼1，*，孙海涛1，董晓璐1，盛朝阳1，高晨1，王俊红3

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100088；2.北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083；3.华北科技学院，河北廊坊 065201）

摘要：控制棒驱动机构（CRDM）下部Ω焊缝及母材显示在焊前、焊后、水压试验后的液体渗透检测（PT）中均有出现，其形态基本为小于1 mm的非线性显示，主要分布在焊缝两侧的弧段区。对显示的检测表明，原材料性能满足技术规格书的要求，同时存在C类、D类超尺寸夹杂物。PT显示部位可观察到非金属夹杂物及微裂纹。结合完工报告复核、材料复验、国外供货对比等分析认为显示与超尺寸非金属夹杂物相关。显示可采取有限打磨进行处理。建议提高原材料夹杂物采购技术要求，控制原材料中Al、Si、O的含量，在失效时可考虑覆盖堆焊（OVERLAY）、夹紧装置（CSCA）的维修方式以及进行适当的在役跟踪检查。

关键词：控制棒驱动机构；Ω焊缝；显示；非金属夹杂物；在役跟踪检查

随着国内核电技术引进消化再吸收路线的推进，国内核电大型装备基本实现了制造自主化，但是，在这一自主化的进程中也显现了一些制造经验方面的不足，值得去分析和改进。当前，国内在建二代加及其改进型核电机组在控制棒驱动机构（control rod drive mechanism，简称CRDM）耐压壳与管座焊接过程中，数次发现液体渗透（liquid permeation test，简称PT）显示。液体渗透显示宏观形态基本为小于1 mm的非线性显示。其出现的主要部位如图1、图2所示。机组液体渗透显示形态及部位统计见表1。据文献统计［1 -4］国内外均出现了一定数量的控制棒驱动机构下部Ω焊缝失效案例。

图1 管座的弧段母材显示位置Fig. 1 Displays position on adaptor

图2 耐压壳的弧段母材显示位Fig. 2 Displays position on Latch Housing

表1 各机组控制棒驱动机构下部Ω环显示统计Table 1 Displays statistics to CRDM lower Omega ring on each unit

1 显示检测

本研究对某机组未焊接的控制棒驱动机构管座、耐压壳以及Ω焊缝焊接见证件进行光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）进行了成分分析、夹杂物观察和显微金相观察。结果表明［5，6］（1）化学成分、晶粒度、非金属夹杂物级别满足规范要求，但材料中存在C类和D类大尺寸夹杂物（见表2）；（2）未焊接的部件（管座、耐压壳）PT显示区内存在露出表面的大尺寸非金属夹杂物，未见裂纹；（3）焊接件PT显示为大尺寸非金属夹杂物（如图3所示）处形成的表面微裂纹（如图4所示），金相观察到微裂纹的尺寸主要为40 μm～150 μm。

GB/ T10561 -2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法［7］规定将C类粗系夹杂物宽度超过12 μm，D类粗系夹杂物直径超过13 μm定义为超尺寸夹杂物。

表2 非金属夹杂物检测结果Table 2 Test results of non-metallic inclusions

图3 典型夹杂物EDS成分分析（氧化铝型）Fig.3 Analysis of typical inclusions of EDS components（Al2O3）

图4 典型夹杂物SEM形态和微裂纹Fig. 4 Typical inclusions of under SEM and crack

2 原因分析

2. 1 完工报告复核

本研究对出现PT显示部件的完工报告进行了复核，报告表明出现显示的相关炉批号的成品化学成分（浇包分析、产品分析）、力学性能试验（常温、高温拉伸，常温冲击，硬度）、金相试验（夹杂物、晶粒度）、晶间腐蚀、无损检验（超声检测、渗透检测）等理化检验结果满足技术要求，出厂质量合格。

但完工报告中部分夹杂物尺寸已达到技术要求上限值，具体详见下表3。

表3 夹杂物尺寸已达到技术要求上限值情况统计Table 3 Statistics to inclusions，the size of which close to the the upper limit value of technical requirements

2. 2 材料复验

本研究对某机组控制棒驱动机构出厂理化性能试验所用的试样进行了理化性能复验［8 -10］。复验结果表明：（1）对于管座材料的非金属夹杂物检查，送检的12个试样有1个试样的B类粗系达到2. 0级，不满足设计要求，另有4个试样的某一类非金属夹杂物虽存在超尺寸但仍满足设计要求，其余非金属夹杂物基本都在0. 5级左右；（2）对于管座材料的晶粒度检查，本次送检的12个试样有1个试样的平均晶粒度为1. 7，6个试样的平均晶粒度为2. 5 -2. 8（冲击试样），其余满足设计文件的要求；（3）对于耐压壳材料的复检，晶粒度大于5，夹杂物等级最高1. 5，满足设计院的要求。

后续继续对晶粒度超标和超大尺寸夹杂物的控制棒驱动机构Ω环管座母材进行了力学性能复验［10，11］。由于材料有限，采取试样重组技术分别从破断冲击试样和金相试样中截取冲击试样和拉伸试样的插入段，并采用同炉号的材料作为支撑段分别焊接重组成冲击试样和拉伸试样，实现控制棒驱动机构Ω环管座母材性能复验。重组试样的冲击和拉伸性能均符合采购技术规范要求，复验材料的冲击和拉伸性能合格。

2. 3 国外供货控制棒驱动机构夹杂物指标对比

国内某些机组的控制棒驱动机构锻件由奥地利BOHLER供货，其相应的完工报告显示锻件材料中无A、B、C类夹杂物，D类夹杂物等级（ASTM E45 -97等级）均不高于0. 5级，相应控制棒驱动机构无类似液体渗透显示问题的反馈。国外制造厂对于夹杂物的控制可能设置了更高的内控验收指标，以保证其产品的最终加工质量。

2. 4 原因分析小结

本研究发现存在显示部件相应炉批号材料力学性能满足技术要求；存在显示部件相应炉批号材料夹杂物等级存在接近或者达到技术要求的情况。

综合检测分析结论及完工报告复核、材料复验结果和国外采购同类型部件夹杂物数据，认为液体渗透显示的主要原因：锻件原材料中存在满足技术规格书（采购规范）夹杂物等级要求的大尺寸非金属夹杂物（氧化铝和硅酸盐）。诱发因素：（1）构件表面夹杂物与基体金属间的不协调塑性变形，在夹杂物周围形成微观缺陷，形成液体渗透显示；（2）焊接应力或水压试验应力作用下，在夹杂物周围诱发微观缺陷，形成液体渗透显示。

3 显示处理

M310及其改进型三环路百万千瓦级压水堆核电机组反应堆压力容器控制棒驱动机构耐压壳与管座间Ω环的应力分析中，采用的壁厚为1. 77mm，I、II、III、IV类工况和试验工况的计算结果均满足RCC -M规范的要求。而耐压壳与管座间Ω环的最小设计壁厚为1. 9mm。本文讨论的显示可考虑采取如下处理方式：经设计院认可修复方案后，打磨消缺并圆滑过渡，在满足设计应力计算壁厚的前提下，原样接受。

4 探讨

4. 1 材料采购技术要求优化

4. 1. 1 耐压壳不锈钢材料采购技术要求

密封壳用00Cr18Ni10N不锈钢锻棒的夹杂物、晶粒度要求具体见表4。00Cr18Ni10N为中国国标奥氏体钢牌号，等同于RCC-M M3301中法国NF奥氏体钢牌号Z2CN19 -10（控氮）。耐压壳技术要求中对00Cr18Ni10N提出的要求不低于RCC-M M3301，符合RCC-M M3301的要求。其中RCC - M M3301对于Z2CN19 - 10（控氮）的非金属夹杂物没有要求［12］。

4. 1. 2 管座法兰不锈钢材料技术要求

管座法兰用Z2CN19 -10（控氮）奥氏体不锈钢锻件的夹杂物、晶粒度要求相同，具体见表5。管座技术要求中对Z2CN19 -10（控氮）提出的要求不低于RCC-M M3301，符合RCC-M M3301的要求。其中RCC - M M3301对于Z2CN19 - 10（控氮）的非金属夹杂物没有要求［12］。

表4 耐压壳技术要求中对夹杂物和晶粒度的要求Table 4 Adaptor requirements for inclusion and grain size

表5 管座技术要求中对夹杂物和晶粒度的要求Table 5 Latch housing requirements for inclusion and grain size

综上，耐压壳、管座法兰不锈钢材料的采购技术要求等级均低于国内早期建造机组从国外采购产品的等级，同时对于超尺寸夹杂物也没有相应的限定。虽然超尺寸夹杂物（A、B、C类夹杂物宽度方向尺寸偏大，D类夹杂物直径偏大）也会纳入到夹杂物等级的评定中，但其对材料不均匀性、不连续性的贡献大于一般夹杂物。且这些夹杂物均为硬脆相，脆性夹杂物尺寸越大棱角越尖锐应力集中越严重。当材料中应力水平较高时，这些应力集中部位常会首先发生界面分离。

同时，管座、耐压壳材料均对应RCC - M M3301中Z2CN19 - 10，但技术要求对夹杂物等级验收标准、验收要求不完全一致。

4. 2 非金属夹杂物控制

根据对PT显示处非金属夹杂物的分析［5、6］，接近或达到技术要求上限、超尺寸夹杂物的种类主要为氧化铝和硅酸盐（国标分类C类夹杂物（硅酸盐），D类夹杂物为球状氧化物），非金属夹杂物处Al、Si、O含量较高。表6为材料技术要求中对化学元素含量的限值。为避免夹杂物导致的显示产生，材料的夹杂物等级要求需要提高，同时应对超尺寸夹杂物进行限制。可通过加强原材料生产过程中Al、Si元素含量的控制以及冶炼过程中的除氧措施等方式达到该目的。

4. 3 显示的影响

根据相应的制造完工报告数据、材料复验数据和修复以后尺寸复核数据，综合判断：液体渗透显示进行打磨处理后，对Ω焊缝及母材机械性能、结构强度的影响可以接受。同时考虑到控制棒驱动机构下部Ω焊缝附近母材显示存在的实际情况及其产生的根本原因，不能排除在内表面存在类似显示的可能。根据国内外同类型核电厂服役期间控制棒驱动机构Ω焊缝熔敷金属和附近母材处出现应力腐蚀裂纹并导致冷却剂渗漏事件的经验反馈，Ω焊缝部位由于设计原因（冷却剂长期滞留并无法有效循环），易形成应力腐蚀的敏感环境［1，15，16］。而内表面裂纹特征缺陷会加剧应力腐蚀的倾向，因此应关注应力腐蚀对控制棒驱动机构下部Ω焊缝及母材服役性能的影响。

表6 材料技术要求中对化学元素含量限值Table 6 Limit value of chemical element content in material technical requirement

控制棒驱动机构耐压壳与管座通过螺纹连接，同时通过Ω焊缝进行密封焊接，其中螺纹承担一回路的载荷，Ω焊缝主要提供密封功能。密封焊缝的泄漏不会造成控制棒弹棒事件以及放射性物质大量释放事件的发生。国内外核电厂均有Ω焊缝发生泄漏的案例，可以通过覆盖堆焊（OVERLAY）方式［1，4，17］或焊缝夹紧装置（Canopy Seal Clamp Assembly，简称CSCA）［18］对泄漏焊缝进行修复，国内核电厂也有泄漏焊缝修复后继续安全运行的成功案例。

5 建议

5. 1 提高夹杂物技术等级

建议适当提高耐压壳不锈钢材料采购技术要求和管座法兰不锈钢材料技术要求中A、B、C、D类夹杂物等级，同时不允许存在等同于GB/ T10561 -2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法中定义的超尺寸夹杂物。

5. 2 后续监督措施

对于采取第4节方案进行显示处理的情况，建议役前一回路水压试验期间，抽取一定数量的控制棒驱动机构对下部Ω焊缝及相关弧段母材区域进行液体渗透检查；在役换料大修期间，除根据RSEM1997（2000）规范［19］要求对所有控制棒驱动机构下部Ω焊缝及附近母材实施目视检查外，同时抽取一定数量的控制棒驱动机构对下部Ω焊缝及相关弧段母材区域进行液体渗透检查，并对液体渗透检查结果进行评价，可适时考虑进行预防性和纠正性维修。

参考文献

［1］Structural Integrity Associates，Inc. Design and analysis of a weld overlay repair for the Watts Bar CRDM Lower Canopy seal Welds，SI Report No. SIR - 97 - 089［R］. California：StructuralIntegrity Associates，Inc.，1997.

［2］H. Barrault. L104 outage-CRDM（K14）EDFoperating experience，Memorandum-N°482，Revision 0［R］.Paris：EDF，2006.

［3］郑晓敏.岭澳核电厂L1号机组控制棒驱动机构泄漏问题［J］.核安全，2007（2）：25 -30.

［4］吴江涛.控制棒驱动机构密封焊缝缺陷修复技术研究［D］.上海：上海交通大学，2008.

［5］马新朝.控制棒驱动机构见证件缺陷分析，钢测（Z）字第52号［R］.北京：国家钢铁材料测试中心，2013.

［6］马新朝.控制棒驱动机构上环、下环、焊接件缺陷分析，钢测（Z）字第57号［R］.北京：国家钢铁材料测试中心，2013.

［7］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/ T10561 -2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［8］周秀霞. 00Cr18Ni10N晶粒度、非金属夹杂物检验报告，钢质检（A）字第2295 -2302号［R］.北京：国家钢铁材料测试中心，2013.

［9］郭丽英. Z2CN19 -10（控氮）晶粒度、非金属夹杂物测试报告，钢测（W）字第949号［R］.北京：国家钢铁材料测试中心，2013.

［10］郭丽英. Z2CN19 -10（控氮）晶粒度、非金属夹杂物测试报告，钢测（C）字第17216号［R］.北京：国家钢铁材料测试中心，2013.

［11］苏州热工研究院有限公司. CRDM“焊缝”母材试样重组方案B版［R］.北京：苏州热工研究院有限公司，2013.

［12］步伟东，彭啸，黄平，等.试样重组技术在CRDM管座材料性能评估中的应用［J］.压力容器，2014，31（7）：1 -5.

［13］AFCEN. RCC-M 2002 edition and 2002 addenda. DESIGN AND CONSTRUCTION RULESFOR MECHANICAL COMPONENTS OF PWRNUCLEARISLANDS［S］. Paris：AFCEN，2002.

［14］ASTM. ASTM-E45 1997 edition and 2002addenda. Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel［S］. West Conshohocken：ASTM，1997.

［15］丁亚平，徐雪莲.压水堆核电厂长寿命化的腐蚀损伤问题［J］.腐蚀与防护，2001，22（11）：489 -497.

［16］Kiyoshi Takanabe，Takashi Miyake，Yasumi Nagura. Development of advanced CRDM without canopy seal welds ［J］. Nuclear Engineering and Design，2002，214：25 -34.

［17］刘青松，黄文有，孙英学.岭澳核电站控制棒驱动机构密封焊缝泄漏处理及缺陷评估［J］.核动力工程，2006 （10）：147 -152.

［18］Westinghouse. REPAIR OF LEAKING REACTORVESSEL HEAD LOWER CANOPY SEALWELDS，June［R］. Pittsburgh：Westinghouse，2013.

［19］AFCEN. RSE-M 1997 edition and 2000 addenda. In - Service inspection rules for the mechanical components of PWR nuclear islands［S］. Paris：AFCEN，2000.

Analysis About Penetrant Indications on CRDM Lower CSWs and the Base Metal

LING Ligong1，2，JIA Panpan1，*，SUN Haitao1，DONG Xiaolu1，SHENG Zhaoyang1，GAO Chen1，WANG Junhong3
（1. Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China，Beijing 100088，China；2. National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology，Beijing 100083，China；3. North China Institute of Science and Technology，Hebei 065201，China）

Abstract：The indications are detected by penetrant testing（PT）beforewelding，after welding and after hydraulic testing（HT）on the lower canopy seal welds（CSWs）and its adjacent base metal（BM）of control rod drive mechanism（CRDM）. The indications are almost nonlinearity display and less than 1mm，which are located in the area of arc section. Through testing the display，the performance of raw material scan meet the requirements of technical specification，meanwhile C class and D class oversize inclusion is detected. The PT display parts can observe inclusion and thin crack. With the End-of-manufacturing report（EOMR）review，material re-inspection，foreign supplier comparison and other analysis，it is concluded that the indication is related to the oversize inclusion. Indications canbe treated by limited polishing. This paper presents some suggestions such as improving procurement technical requirements on the raw material's inclusions，controlling the concentration of Al，Si，O in raw materials，performing overlay or CSCA maintenance in case of failure and appropriate in-service inspection.

Key words：CRDM；CSWs；indication；inclusion；in-service inspection

中图分类号：TB302. 5

文章标志码：B

文章编号：1672-5360（2016）02-0064-06

收稿日期：2016-01-23 修回日期：2016-03-07

基金项目：国家科技重大专项，项目编号 2011ZX06004 -010 -09；华北科技学院科技基金项目，项目编号 3142014046

作者简介：凌礼恭（1985—），男，湖北黄冈人，工程师，现主要从事核设备及材料的安全审评工作

*通讯作者：贾盼盼，E-mail：hitjiapanpan@163. com