核反應(yīng)堆壓力容器制造工藝及檢測(cè)方法論述

耿雪峰

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200333）

引言

核電廠項(xiàng)目在我國啟動(dòng)較晚，在當(dāng)時(shí)環(huán)境條件惡劣，與掌握先進(jìn)核技術(shù)國家交流缺乏，在多年艱苦工作后，我國核電項(xiàng)目迎來了利用核能技術(shù)的新紀(jì)元。

核電是利用核放熱過程產(chǎn)生熱能和電能，核電由于其消耗資源少、對(duì)環(huán)境影響小、發(fā)生事故的可能性較小，在低碳經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)呼聲高漲的今天，其相應(yīng)技術(shù)在使用過程中得到了推廣。而在核電的生產(chǎn)過程中，涉及到核生產(chǎn)的安全問題，核承壓設(shè)備作為核電生產(chǎn)過程中的主要生產(chǎn)裝置，其制造工藝及安全檢測(cè)則成為大家日益關(guān)注的問題之一［1］。

核承壓設(shè)備主要分為以下幾類：第一是壓力容器，它包括反應(yīng)堆壓力容器、穩(wěn)壓器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼體、交換器、蓄壓水箱、低壓安注水箱、容積控制箱、燃料池冷卻器等；第二是泵，包括反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)泵、噴淋泵、蒸汽發(fā)生器應(yīng)急輔助給水泵、化容系統(tǒng)泵、換料水系統(tǒng)泵、冷卻泵等；第三是閥門，包括噴淋閥、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)隔離閥、安全殼隔離系統(tǒng)閥門、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)閥門、乏燃料池冷卻系統(tǒng)閥門等；第四是管道，包括余熱排出系統(tǒng)管線、化容控制系統(tǒng)管線、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)管線、乏燃料冷卻系統(tǒng)管線等；其他結(jié)構(gòu)還包括堆壓力容器、蒸發(fā)器等支撐結(jié)構(gòu)及堆內(nèi)結(jié)構(gòu)［2－5］。本文主要對(duì)核承壓設(shè)備中反應(yīng)堆壓力容器的制造工藝及檢測(cè)方法進(jìn)行論述，在了解核反應(yīng)堆壓力容器制造工藝及檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上說明制造工藝及檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 核反應(yīng)堆壓力容器制造工藝概述

核反應(yīng)堆壓力容器是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于固定、支撐、包容堆芯和其他堆內(nèi)構(gòu)件，在核電廠壽期內(nèi)不能進(jìn)行更換。因此，核反應(yīng)堆壓力容器質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到核動(dòng)力系統(tǒng)能否正常、安全的運(yùn)行。

核電站使用的反應(yīng)堆有很多種形式，主要有壓水堆、沸水堆、氣冷堆、重水堆、快堆等。而在結(jié)構(gòu)形式上，因?yàn)閴毫θ萜餍枰莘磻?yīng)堆中的其他必須設(shè)備，因此結(jié)構(gòu)形式可能存在一些差別。但總體來說，核反應(yīng)堆壓力容器一般是圓筒形厚壁容器，呈立式，由法蘭螺栓聯(lián)接。有反應(yīng)堆容器、頂蓋、緊固密封件三個(gè)組成部分。反應(yīng)堆壓力容器法蘭和容器上封頭通過金屬密封環(huán)進(jìn)行密封，保證生產(chǎn)過程中核原料的密封性［6］。

在我國，核反應(yīng)堆壓力容器問世始于20世紀(jì)50年代初期，伴隨著第一批動(dòng)力反應(yīng)堆的問世而出現(xiàn)。核反應(yīng)堆壓力容器主要有鋼壓力容器和預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器兩大類，其應(yīng)用范圍根據(jù)核反應(yīng)堆的類型而有所區(qū)別。核反應(yīng)堆壓力容器的制造過程要求較高，因?yàn)閴毫θ萜餍枰獫M足大尺寸要求、保證壁厚、加工及裝配的精度要求，同時(shí)，在加工過程中還要進(jìn)行反復(fù)檢測(cè)以保證壓力容器能夠達(dá)到相關(guān)密封性等實(shí)際生產(chǎn)中的要求。

一般情況下，壓力容器的制造工藝為：原材料驗(yàn)收—?jiǎng)澗€—切割—除銹—機(jī)加工—滾制—組對(duì)—焊接—無損檢測(cè)—開孔劃線—總檢—熱處理—壓力試驗(yàn)—防腐［7］。

在筒體下料過程中，需要將筒體與封頭對(duì)接后進(jìn)行焊接，需要保證兩者直徑一致。在一般情況下，先對(duì)封頭進(jìn)行加工，在根據(jù)加工好后的封頭中徑來確定所需的筒體展開尺寸。保證在制造過程中不出現(xiàn)筒體直徑大于封頭直徑從而帶來無法對(duì)接焊接的問題。在焊接的過程中，一般要先焊基層，經(jīng)過砂輪打磨后再進(jìn)行過渡層的焊接，最后再焊復(fù)層。而在焊接過渡層時(shí)，需要采用線能量較小的方式，防止基層中的金屬滲入到復(fù)層，使得焊縫產(chǎn)生缺陷。在筒體、管料、板料都下料、加工完成之后，進(jìn)行部件的裝配及焊接過程，在正式投入使用之前，還需要進(jìn)行焊縫的無損檢測(cè)過程，保證焊接的工藝達(dá)到反應(yīng)堆壓力容器的制造要求。經(jīng)過焊縫的無損檢測(cè)之后，進(jìn)行壓力容器的氣密性、水壓試驗(yàn)，這個(gè)過程主要是保證生產(chǎn)出來的壓力容器在實(shí)際使用過程中不會(huì)造成核泄漏，能夠在一定的壓力環(huán)境下工作。在以上各個(gè)階段都合格之后，對(duì)反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行表面處理，保證其光滑度、粗糙度達(dá)到生產(chǎn)使用的要求，經(jīng)過以上制造工藝之后，我們就能得到一個(gè)合格的核反應(yīng)堆壓力容器的成品。

2 核反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)方法概述

對(duì)任何一種反應(yīng)容器而言，壓力容器都處于一個(gè)很重要的地位。而反應(yīng)容器就有質(zhì)量安全性的強(qiáng)制性要求。除了常規(guī)性的要求之外，還應(yīng)該考慮當(dāng)前物理材料性質(zhì)的敏感性、可靠性等要求。

核反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)在核電生產(chǎn)過程中是一項(xiàng)很重要的任務(wù)。從很大程度上來說，針對(duì)鐵磁材料，材料結(jié)構(gòu)的降解與其磁性是聯(lián)系在一起的。作為核承壓設(shè)備中的關(guān)鍵部分，我們要求核反應(yīng)堆壓力容器有足夠的光滑性、滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)，在使用過程中不能產(chǎn)生裂紋或者讓反應(yīng)過程中的核物質(zhì)外泄。因此，我們需要對(duì)核反應(yīng)堆壓力容器的密封性、強(qiáng)度等性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

在核電站和核動(dòng)力裝置的檢驗(yàn)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中，明確指出對(duì)核反應(yīng)堆壓力容器的檢測(cè)方式主要采取無損檢測(cè)方式，而方法主要為超聲檢測(cè)技術(shù)和視頻檢測(cè)技術(shù)。但是，在實(shí)際檢測(cè)過程中，由于核反應(yīng)堆壓力容器體積比較大，而我們需要檢測(cè)的對(duì)象包括焊縫、交貫面、管道等類型多樣且復(fù)雜的對(duì)象，因此在檢測(cè)過程中應(yīng)該綜合考慮多種檢測(cè)技術(shù)，也要考慮檢測(cè)方法的可行性和局限性。平時(shí)較為常用的檢測(cè)方法主要有以下幾種［8］。

2.1 超聲檢測(cè)技術(shù)

超聲檢測(cè)技術(shù)是利用聲波通過介質(zhì)的滲透性反映在示波器上的變化進(jìn)行檢測(cè)判定。由于超聲波在異質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，且不能通過氣體固體界面。當(dāng)超聲波傳播到金屬與缺陷處時(shí)，如果金屬中有氣孔、裂紋、分層等缺陷或夾雜，就會(huì)全部或部分反射。反射波被探頭接收，通過電路處理，在示波器上就顯示出不同高度和有一定間距的波形?？梢愿鶕?jù)波形的變化特征判斷缺陷在工件中的深度、位置和形狀。

超聲檢測(cè)技術(shù)所能夠檢測(cè)的厚度大且靈敏度高，能夠快速對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。該技術(shù)適用于厚度大于6mm的壓力容器殼體或大口徑接管與殼體的對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，較適合于厚度較大的零件檢驗(yàn)，能確定缺陷的位置和相對(duì)尺寸，如板材、復(fù)合板材、碳鋼、低合金鋼鍛件、管材、棒材、奧氏體不銹鋼鍛件等承壓設(shè)備原材料和零部件、對(duì)接焊接接頭、T型焊接接頭、角焊縫以及堆焊層等。但該方法無法檢測(cè)表面和近表面的延伸方向平行于表面的缺陷，探傷過程中易受影響，技術(shù)難度大而且探傷結(jié)果不便于保存，富有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員才能辨別缺陷種類。核電廠動(dòng)力裝置檢測(cè)，對(duì)于其壓力容器常使用超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 射線檢測(cè)技術(shù)

射線檢測(cè)利用X射線和γ射線穿過檢測(cè)物體時(shí)吸收強(qiáng)度的差異反應(yīng)在感光膠片上的不同來進(jìn)行判定，被檢測(cè)物如果有氣孔、金屬夾渣等缺陷部位，該部位對(duì)射線的吸收強(qiáng)度低于無缺陷部位，在感光膠片上會(huì)形成黑度較大的陰影，隨即確定其大小和位置。

射線檢測(cè)主要適用于金屬材料制承壓設(shè)備殼體或接管對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。射線檢測(cè)包含2種射線源，即X射線和γ射線，而γ射線包括了Se射線、Ir射線、Co射線，其中X射線根據(jù)射線源強(qiáng)度劃分，不同強(qiáng)度透照厚度存在差異。一般X射線（300kV）檢測(cè)厚度小于等于40mm，X射線（420kV）檢測(cè)厚度小于等于80mm，X射線（1～4MeV）檢測(cè)厚度范圍為30～200mm，X射線（＞4～12MeV）檢測(cè)厚度范圍為50～400mm，X射線（＞12MeV）檢測(cè)厚度大于等于80mm，Se－75檢測(cè)厚度范圍為10～40mm，Ir－192檢測(cè)厚度范圍為20～100mm，Co－60檢測(cè)厚度為40～200mm。射線檢測(cè)方法可獲得缺陷的直觀圖像，對(duì)長度、寬度尺寸的定量也比較準(zhǔn)確，檢測(cè)結(jié)果有底片，可以長期保存。但該方法存在缺點(diǎn)，對(duì)體積型缺陷（氣孔、夾渣）檢出率高，對(duì)體積型缺陷（如裂紋未熔合類），如果照相角度不適當(dāng)，容易漏檢，不適宜較厚的工件，不適用于鍛件、管材、棒材、T型焊接接頭、角焊縫以及堆焊層的檢測(cè)所，且檢測(cè)高、速度慢，同時(shí)對(duì)人體有害，需做特殊防護(hù)。

2.3 磁粉檢測(cè)技術(shù)

磁粉檢測(cè)技術(shù)是工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的無損檢測(cè)方法之一，磁粉檢測(cè)技術(shù)是通過金屬材料磁化后漏磁場(chǎng)吸收磁粉形成磁痕來顯示缺陷位置、大小和形狀，有缺陷的地方磁導(dǎo)率降低，磁阻增加，磁力線穿過表面暴露在空氣中形成漏磁場(chǎng)，缺陷越大，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，吸收磁粉越多，形成凸起即磁痕。用于核反應(yīng)堆壓力容器的檢測(cè)上，主要是將核反應(yīng)堆壓力容器置于一個(gè)磁場(chǎng)環(huán)境，使得壓力容器被磁化，若壓力容器表面存在裂紋等缺陷，磁力線不能通過，只能從缺陷周圍繞過，從而形成局部磁極，再通過在壓力容器表面撒上磁粉的方式，磁粉收到局部磁極的吸引，堆積在局部磁極周圍，就可以很容易看出壓力容器上的缺陷位置以及缺陷的形狀。

磁粉檢測(cè)技術(shù)用于檢測(cè)鐵磁性材料表面及近表面裂紋、折疊、夾層、夾渣等方面，如鐵磁性材料制板材、復(fù)合板材、管材、鍛件、鐵磁性材料對(duì)接焊接接頭、T型焊接接頭以及角焊縫。磁粉檢測(cè)能快速檢測(cè)缺陷且靈敏度高，可發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋及其他缺陷，但該檢測(cè)技術(shù)只適用于鐵磁性材料，而且工件的形狀和尺寸有時(shí)對(duì)探傷有影響。但是磁粉檢測(cè)的方式只能用于檢測(cè)壓力容器表面或是近表面的缺陷，在檢測(cè)壓力容器內(nèi)部缺陷時(shí)則應(yīng)選用其他檢測(cè)方式。

2.4 滲透檢測(cè)技術(shù)

滲透檢測(cè)利用滲透液和顯像劑，在缺陷處顯色來確定表面開口缺陷的未知數(shù)、尺寸和形狀。在零件表面噴涂含有熒光或紅色滲透液，液體滲入缺陷，去除后噴涂顯像劑，在光源照射下缺陷處會(huì)顯色從而得到檢測(cè)。

滲透檢測(cè)可有效用于除疏松多孔性材料外的任何種類的材料，如鋼鐵材料、有色金屬材料、陶瓷材料和塑料等材料的表面開口缺陷。隨著滲透檢測(cè)方法在壓力容器檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用，必須合理選擇滲透劑及檢測(cè)工藝、標(biāo)準(zhǔn)試塊及受檢壓力容器實(shí)際缺陷試塊，使用可行的滲透檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)等來提高滲透檢測(cè)的可靠性。該方法檢測(cè)靈敏度高，缺陷顯示直觀，可檢測(cè)的缺陷范圍廣，操作簡(jiǎn)單，對(duì)形狀復(fù)雜的部件一次操作就可大致做到全面檢測(cè)。適合大批量工件的檢測(cè)，但只能檢測(cè)出材料的表面開口缺陷，對(duì)埋藏或閉合的表面缺陷無法檢出，不適用于多孔性材料，對(duì)工件有污染，而且時(shí)間長了顯示痕跡會(huì)揮發(fā)。

2.5 渦流檢測(cè)技術(shù)

渦流檢測(cè)方法是工業(yè)上常用的另一種無損檢測(cè)方法，根據(jù)壓力容器的形狀和檢測(cè)的目的，可選用穿過式、探頭式、插入式三種線圈方式，渦流檢測(cè)技術(shù)基于電磁感應(yīng)基礎(chǔ)，利用電磁特性的變化，推算管道壁厚損失情況。該技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理，對(duì)工件施加交流磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，當(dāng)工件內(nèi)存在缺陷，缺陷處相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)等效電流源，在空間產(chǎn)生擾動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)生變化，渦流檢測(cè)儀根據(jù)阻抗變化識(shí)別缺陷。

在檢測(cè)過程中，渦流線圈不需要直接與壓力容器接觸，檢測(cè)過程速度快，自動(dòng)化程度高。渦流檢測(cè)適用于檢測(cè)各種導(dǎo)電金屬材料制承壓設(shè)備表面和非金屬材料的表面及近表面缺陷，能確定表面及近表面缺陷的位置和相對(duì)尺寸。但是，渦流檢測(cè)的缺點(diǎn)在于，它無法檢測(cè)埋藏較深的缺陷，不適合形狀復(fù)雜的工件檢測(cè)，不能顯示圖形，無法判斷缺陷形狀，且檢測(cè)結(jié)果可能會(huì)受到材料本身或是周圍環(huán)境等其他因素的干擾。渦流檢測(cè)主要用于換熱器換熱管的腐蝕狀態(tài)檢測(cè)和焊縫表面裂紋檢測(cè)。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)對(duì)于碳鋼、不銹鋼和鎳合金等鐵磁材料非常有效。

2.6 磁性自適應(yīng)檢測(cè)技術(shù)

磁性自適應(yīng)檢測(cè)是近年推出的一種穩(wěn)健的檢測(cè)方法，具有多參數(shù)、高靈敏度。磁性自適應(yīng)檢測(cè)的主要優(yōu)缺點(diǎn)在于該方法基于測(cè)量的小型磁滯回線，通過計(jì)算，用于表征樣品的磁性描述符。和機(jī)械測(cè)量可能帶來的破壞性以及渦流測(cè)量的結(jié)果不一樣，非破壞性的磁性自適應(yīng)檢測(cè)可以得到線性的、低散射值的敏感的相關(guān)性。通過對(duì)磁性自適應(yīng)檢測(cè)參數(shù)的選用，所得的測(cè)量結(jié)果可能與渦流測(cè)量的結(jié)果有一些區(qū)別。在非破壞性的反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)問題上，使用磁性自適應(yīng)檢測(cè)方法檢測(cè)鑄鐵或其他磁性物質(zhì)的破壞是一種很有前景的檢測(cè)方式。

3 核反應(yīng)堆壓力容器制造工藝及檢測(cè)方法存在的問題

針對(duì)以上幾個(gè)研究方向的一些研究成果而言，在核反應(yīng)堆壓力容器制造工藝的研究中，由于影響因素較多，不同研究考慮的因素各有側(cè)重，今后的研究應(yīng)多考慮各個(gè)因素的影響，綜合實(shí)際生產(chǎn)中的各個(gè)問題，是制造工藝更加符合實(shí)際應(yīng)用的需求；而在核反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)方法的研究上，由于檢測(cè)方法的多樣性，除了對(duì)檢測(cè)方法的選擇之外，也應(yīng)該充分考慮實(shí)際生產(chǎn)的要求，從而保證檢測(cè)的效果。

從制造工藝和檢測(cè)方法需求產(chǎn)生以來的實(shí)踐表明，制造工藝的分析和檢測(cè)方法的不斷豐富都為核反應(yīng)堆容器的發(fā)展起到了促進(jìn)作用，但由于制造工藝和檢測(cè)方法的多樣性，也顯示出在某些方面存在的局限性。如何得到一種更為合適、全面覆蓋的制造工藝及檢測(cè)分析方法都將是我們今后研究的課題。

4 結(jié)語

核反應(yīng)堆壓力容器的制造工藝和檢測(cè)方法的正確性和有效性通常需要經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行驗(yàn)證?，F(xiàn)有的核反應(yīng)堆壓力容器制造工藝能夠滿足現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)的需求。而從檢測(cè)方法上看，不同的檢測(cè)方式在核反應(yīng)堆壓力容器的檢測(cè)上都有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。但我們還應(yīng)該充分考慮實(shí)際生產(chǎn)中的眾多影響因素，從而找出更加合適、更能滿足生產(chǎn)需求的檢測(cè)方法。

經(jīng)過四十多年的發(fā)展，核承壓設(shè)備的制造工藝和檢測(cè)方法都有了很大的進(jìn)步，各個(gè)檢測(cè)方式也更加成熟。實(shí)踐證明，在分析核承壓設(shè)備中的核反應(yīng)堆壓力容器問題上，以上檢測(cè)方法有著一定的優(yōu)越性。但是，不可否認(rèn)，它們也存在一些局限，這些都需要在以后的研究工作中不斷改進(jìn)。

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