核电厂围板螺栓裂纹的失效分析与超声检测

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(1.大亚湾核电运营管理有限责任公司，深圳 518124； 2.哈尔滨工业大学(威海)，威海 264200)

2010年10月，国外某电厂在堆芯下栅格板的检查中发现几个位置存在碎片，经过查找，确定这些碎片来自围板螺栓防松插销和围板螺栓头部位，围板螺栓是围板和成型板的紧固件，是堆芯吊篮下部内部构件的一部分(见图1)。

图1 堆芯吊篮下部内部构件结构示意

图2 围板螺栓结构示意

该反应堆压力容器的围板螺栓为347不锈钢围板连接螺栓，其螺栓头为内六边形，点焊了紧固销作为防松部件(见图2)。在2009年3月进行的换料大修期间，对所有的围板螺栓进行了VT-3(结构完整性检查)，发现没有异常显示。在紧接下来的燃料循环检查周期中，发现了松动部件和燃料泄漏。在反应堆270°方位的大型围板附近发现了一组外围的燃料组件泄漏。在移出堆内构件后的目视检查中发现，在堆芯下栅格板上有围板螺栓和插销碎片，于是后续进行了局部围板螺栓的替换。

Cook Unit 2(4环路压水堆核电站)在处理围板螺栓缺陷的过程中，主要使用的无损检测方法为水下电视检查，即通过目视检查表面情况，确定需要更换螺栓的范围和数量，用316不锈钢冷加工的螺栓替换有缺陷的螺栓，新安装的螺栓在防松结构上进行了改进。

1 失效原因分析

反应堆围板螺栓作为堆芯内连接围板和辐板的关键紧固件，在长期接受堆芯辐照和应力载荷的情况下容易产生裂纹，最终形成螺栓断裂，螺栓头掉落及紧固销焊缝裂纹外观如图3所示。失效的根本原因主要有：辐照产生的应力腐蚀；失去预紧力；热脆化和辐射脆化导致的螺栓材料退化；高周疲劳、过载；穿过围板的稳态压力梯度。

在压水堆(PWR)中，堆芯部件围板连接螺栓的材料是奥氏体不锈钢，其长期处于强中子辐照区域。当辐照超过一定限值后，应力水平很低，但由于辐照过程中的缺陷、相转变、晶界偏析以及应力变化等因素的影响，材料的塑性逐步消失，辐照促进了应力腐蚀裂纹的发生[1]。

图3 螺栓头掉落及紧固销焊缝裂纹外观

2 国内机组反馈比较与分析

Cook Unit 2的额定功率为1 020 MW，于1975年开始商运，围板螺栓失效事件发生在2010年。大亚湾、岭澳及岭澳二期核电站均为3环路百万千瓦级压水堆核电站，最早于1994年开始商运，目前围板螺栓没有出现过反馈事件中的失效案例。

Cook Unit 2的材料为347不锈钢，大亚湾核电站围板螺栓使用的Z6CND17-12(成分相当于316不锈钢)对比347不锈钢和316不锈钢，同属于奥氏体不锈钢，均存在辐照应力腐蚀开裂的老化机理;相比347不锈钢，316不锈钢在成分中提高了钼、镍元素的含量，从而提高了金属的抗腐蚀性能。

同时，应力分析报告中计算的6台机组围板螺栓的累计疲劳使用因子(CUF)大于1(正常值应小于1)，建议定期进行检查。

Cook Unit 2电站在换料大修期间执行的预防性检查为目视检查。大亚湾核电站在10年换料大修期间，对围板螺栓进行了目视检查。

截至目前，围板螺栓的目视检查没有发现异常，但据反馈，在2009年3月，Cook Unit 2换料大修期间，同样对围板螺栓进行的目视检查也没有发现任何显示；在2010年10月，发现了围板螺栓的断裂。反馈信息说明，目视检查只能观察到围板螺栓、紧固销及焊点的表面状况，而无法确定围板螺栓内部是否有裂纹，所以对其进行超声波检测(UT)是必要的。

图4 围板螺栓失效部位示意

围板螺栓失效部位示意如图4所示。若螺栓或焊缝存在裂纹，则设备存在较大风险，需要及时更换或修复；若螺栓断裂、焊点良好、螺栓未整体分开，则螺栓已经失去紧固效果，围板在堆芯内受一回路流体作用、压差作用、振动等影响会加速其他螺栓的断裂速度，设备已经处于不可控状态；若螺栓断裂缺失，则螺栓缺失的部分受一回路冷却剂作用在一回路内运动，会发生燃料组件破损，一回路设备损坏等情况。

3 检查技术方案

3.1 总体思路

基于国外机组失效反馈，结合大亚湾电厂机组类型，充分分析了失效原因和失效点，提出采取以超声检测为主的技术方案，通过调研国内外检查技术和设备能力[2]，确定检查实施技术路线和水下检查设备类型[3]，经过设备+探头+分析系统的研发，最终在大亚湾电厂实施检查应用，取得了很大的安全效益。

3.2 技术方案

围板螺栓主要有以下几个特点：

(1) 围板螺栓无法从围板抽出，只能在线实时检查。

(2) 失效点主要为变径处出现的裂纹，而针对部件内部裂纹检查的有效方法为超声检测。

(3) 针对围板的结构特点，常规超声检测技术探头无法满足检查的需求，围板螺栓的端面结构使得超声波探头晶片的布置需特殊考虑。

(4) 承载检查装置的水下机器人，在选型时还充分考虑了可能的其他用途，如：搭载水下异物打捞装置、水下修复等。

目视检查是通过在潜艇机器人前端安置高清探头，对每个围板螺栓的销钉(焊接)和围板螺栓端面、状态进行检查；超声检测采用与围板螺栓结构相匹配的探头(分ABCD 4个探头，每个探头分别具有收发信息的功能，通过A→B→C→D→A的方式实现信号的串联，进而对螺栓内部的结构进行检查)进行检查。

3.3 技术参数

超声检测系统由“SUSI”水下操作系统及“Saphirplus”超声检测仪系统组成。超声检测探头通过同轴电缆连接在电气设备上。超声检测仪使用A型显示(A-scan)评估缺陷。目视检查系统由“SUSI”水下操作系统和摄像头组成。该摄像头是高分辨率黑白摄像头，应用于高放环境，检验流程如图5所示。

图5 围板螺栓超声检查流程

针对如图6所示的目标缺陷位置及特点，超声检查采用6°，5 MHz的纵波斜探头实施检验，灵敏度设置采取底波波幅满屏高度的80%。

图6 围板螺栓裂纹失效部位

3.4 检查结果

大亚湾核电厂利用机组大修窗口分别对2台机组实施了反馈检查，经过超声和目视检查，大亚湾核电厂机组围板螺栓设备状态良好，未发现缺陷显示。

4 结语

鉴于目前出现问题的都是法国、美国、比利时最早设计的压水堆围板螺栓，进行过改进的压水堆的检查结果均良好，建议大亚湾基地机组采取EDF(法国国家电力公司)的策略，在机组运行20～30 a时，开始抽样部分机组进行围板螺栓超声波检查和视频检查，以提前获取围板螺栓的设备状态，保证主设备和燃料组件的安全。

对在役核电机组某特种结构部件实施了反馈搜集→失效分析→被检部件结构特点分析→技术方案制定→检验工艺开发→检验系统集成→检验实施的全流程无损评价与分析的过程，为后续国内机组同类问题的反馈与分析提供了解决思路。