反应堆压力容器顶盖与上部堆内构件压痕分析

蒙堆强 叶清 蔡国辉 王诗林

福建福清核电有限公司 福建福清 350318

压力容器作为核燃料发生核物理反应的场所，是核电厂反应堆一回路最为重要的设备，保证其质量安全可靠是作为核安全的首要目标。为了反应堆堆芯和堆内构件的装卸，压力容器必须有一个可拆卸的顶盖；为防止放射性物质泄漏，要求密封结构的安全可靠，所以通常采用双道镀银C形环的密封结构[1]。压力容器主要部件材料为锰镍钼合金钢（16MND5）。

1 背景简述

福清核电3号机组冷试结束后，将压力容器顶盖吊运至顶盖存放间期间，发现压力容器顶盖法兰面位置出现一圈压痕，用手触摸略微感觉有毛刺突起。对有出现突起的地方用杠杆百分表测量，出现毛刺的地方高度约0.03-0.05mm。在热试结束后，在压力容器开盖阶段吊运压力容器顶盖时发现与冷试相同位置，压痕毛刺高度约为0.03-0.04mm，触摸有轻微粗糙感，无明显毛刺现象。福清核电4号机组冷试和热试结束压力容器开盖过程中，也发现与3号机同样的问题。

2 压痕分析

针对压力容器顶盖与堆内构件接触地方出现的压痕进行了取样和数据测量分析，通过取样和数据测量分析结果总结压痕行成的机理。

2.1 取样分析

对压力容器顶盖法兰密封面压痕处进行取样分析。分析内容包括宏观形貌观察、微光形貌观察、能谱分析，采用的方法有：①目视或放大镜检查；②JB/T 6842-1993《扫面电子显微镜试验方法》；③GB/T17359-2012《微束分析 能谱法定量分析》。分析结果如下：

（1）压力容器顶盖法兰端面的磨痕为局部接触磨损损伤，磨损区环向分布，由若干不连续的磨损区域组成，磨损区域径向宽度为20-30mm，磨损区外边缘距离压力容器顶盖法兰端面与上部堆内构件上端面的接触边缘约10mm左右。用手触摸磨损区表面，没有明显的突起感，没有形成类似毛刺类型的突起。

（2）在扫描电镜下观察压力容器顶盖上压痕处碎屑的形貌并进行能谱分析。碎屑表面有明显的挤压变形和堆叠现象，通过能谱分析，碎屑成分组成与法兰基体材料基本一致，根据形貌和成分判断其为机械擦伤及磨损产生的碎屑[1]。

上述分析表明，压力容器顶盖法兰下端面与上部堆内构件上法兰靠近边缘的表面发生径向滑动摩擦损伤，损伤区宽度较大，为局部面接触损伤，压紧弹簧上端面的损伤宽度较小，也为径向方向上的局部面接触损伤。损伤区获取的碎屑成分均符合不锈钢的成分组成，属于机械损伤产生的碎屑。综合3号机组冷态压力试验后的环向线接触磨损和本次局部面接触磨损的特征可见，磨损区域是顶盖法兰下端面与上部堆内构件上端面首先发生接触的区域，在后期的装配或运行过程中两个端面发生相对滑动，形成表面损伤。

2.2 数据测量分析

在进行磨损碎屑材质分析的同时，还进行了压力容器安装时各项数据的测量比对，为磨损产生的原因提供数据依据。

对上部堆内构件上支承法兰外圆倒角进行测量，测量结果满足设计要求。对堆内构件相关安装数据进行核查，并与冷试、热试期间进行比较，未发现超出验收标准的范围。同时对冷试和热试压力容器主螺栓拉伸数据进行比较分析冷试压力容器关盖时主螺栓拉伸残余拉伸量比热试期间大0.21mm，拉伸最终压力也高出近300bar,且冷试期间反应堆一回路最大压力为19Mpa，而热试期间反应堆一回路最大压力为15.4Mpa。这些差异对压力容器顶盖法兰面、上部堆内构件支撑法兰面和压紧弹簧上表面的冷试与热试期间出现的压痕差异有一定程度的影响。试验期间压力容器长期处于高预紧力、高温高压状态下，压力容器顶盖密封面、上支承法兰表面擦痕是由于堆内构件与压力容器间的存在热胀差，这对产生压痕现象也有一定的影响。另外，上部堆内构件上支撑组件法兰上端面处设计上为3±0.5×45°±2°倒斜角而非用圆角圆滑过渡，在压力容器受内压变形时该处接触应力集中，进一步促成了压痕边缘处产生毛刺。

3 处理过程及结果

对出现压痕的端面进行打磨修复处理，主要分为修复前的防护、打磨实施、修复结果验收三个阶段。

在修复工作开展前，需将密封面不需修复的部位进行防护，尤其是密封槽等关键部位。用核级胶带对内、外C型密封环槽和固定螺钉槽处做好防异物保护。修复时用干净的白布蘸酒精清洗压痕部位；在清洁完成后用砂纸对压痕和需要处理的地方进行手工修磨，每修磨完一部分就做PT检查，如不合格就再进行修磨，直至完成整体修磨。整体修磨完成后使用百洁布和酒精对处理部位进行抛光，使其满足表面粗糙度和平面度的要求。在抛光过程中，由于表面精度提高，发现了不少在修磨时发现不了的小坑。将这些小坑进行修磨并在周边圆滑过渡，然后继续进行抛光至表面满足要求；必要时可采用小型电动工具进行抛磨工作；抛磨后，对修复部位进行清洁；修复后对修复部位进行VT、PT检查，并进行平面度测量，测量验证合格后使用干净的白布蘸酒精对密封面进行全面清洁。

4 结语

综合对压痕的取样及数据测量分析，得出压力容器关盖后长期处于高预紧力状态下，压力容器顶盖密封面、上支承法兰表面压痕是由于堆内构件与压力容器间的胀差造成，压力容器在受到内压后会出现一定的变形，另外压力容器与堆内构件材质不一样存在一定的热胀差，导致压力容器法兰面形成少量毛刺，属于正常现象，不影响设备功能及正常使用[2-3]。

通过对此次压力容器压痕产生的机理分析，为后续堆内构件设计优化有很好的借鉴意义，目前福清5、6号机组已对该处外圆倒角进行相应优化改进，对上部堆内构件上支撑组件法兰上端面的倒角变更为R3±0.5倒圆角，减轻上部堆内构件上支撑组件法兰与顶盖的应力集中，预防产生毛刺。另外，此次成功分析和处理反应堆压力容器顶盖压痕对其他压水堆核电厂反应堆压力容器顶盖压痕的处理具有良好的借鉴意义。