核电厂射线插塞焊缝失效研究与改进

2020-07-19方江

设备管理与维修 2020年13期

方江

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

射线插塞是为实现核电厂核级厚壁管道射线检验而在管道上增设的射线源通道，这些管道主要为高温高压核压力边界。近年来，国内核电厂已发生数起射线插塞焊缝失效事件，造成了巨大的经济损失并对核安全构成一定影响。针对这一共模缺陷，从插塞结构设计、安装工艺、焊接工艺、无损检查技术等方面综合分析射线插塞焊缝的失效原因；系统性提出改型优化射线插塞结构、改进安装工艺、优化无损检测策略，以解决射线插塞焊缝失效问题，提高核电厂管道系统完整性、可靠性，保障核安全。

1 射线插塞结构

射线插塞设计为可拆卸式结构（图1）。射线插塞由管座和插塞两部分组成，管座和插塞均采用锻制棒料机加工制造，其中管座材料选用20HD，插塞材料选用16MnHD 或20HD。管座与母管采用细牙螺纹（M36×1.5）安装连接后焊接角焊缝密封，插塞组件与管座组件采用粗牙非标螺纹（Rd28/8）连接后焊接密封焊缝。在对管道实施中心曝光射线探伤时，打磨去除插塞与管座的密封焊缝，拆除插塞后，放射源即可通过专用导源管导入管道中心实施射线探伤，探伤完成后按原安装要求对射线插塞进行复装。

图1 插塞安装结构

2 射线插塞焊缝缺陷宏观特征

2018 年12 月，国内某核电机组正常满功率运行期间发生主给水管道射线插塞密封焊缝泄漏导致机组非计划停堆小修事件。泄漏部位在插塞管座与插塞装配缝隙结合处，液体渗透检测显示缺陷呈线状，长2.2 mm，且缺陷位置处密封焊缝厚度明显低于焊缝其他部位（图2）。国内其他核电机组发生的射线插塞焊缝缺陷与该缺陷特征类似。

3 射线插塞焊缝泄漏原因分析

3.1 结构

经查询插塞组件标准设计图纸，插塞管座外径为Φ35 mm，插塞直径为Φ29 mm，即管座待焊承载面为3 mm 宽，管座待焊面无坡口平面堆焊结构设计（图3）。

3.2 安装工艺

为便于插塞的正常开启，防止螺纹咬死，插塞与管座螺纹设计为粗牙非标螺纹（Rd28/8），安装技术要求插塞完全拧入插塞管座后要回退1/4 圈，再焊接密封焊。此安装要求必然会导致插塞与管座螺纹配合不紧密，插塞实际处于松动状态，机组运行期间密封焊缝将承受一定的交变载荷。

3.3 焊接工艺

插塞密封焊焊接施工工艺参数要求见表1，焊材采用Φ2.0 mm 的ER70S-6 焊丝，密封焊方法为氩弧焊，焊缝为平面密封焊缝，共焊接2 层，打底层控制在较小电流范围内施焊，可能会导致未焊透、未熔合等缺陷。

3.4 无损检测

根据设计规范要求，插塞密封焊缝焊后实施目视检查（VT）和液体渗透检查（PT），经检查均未发现缺陷，符合NB/T 47013 的要求。然而目视检查和液体渗透探伤检测均是一种表面缺陷检测方法，VT 只能对焊缝外观成型、宏观缺陷进行人眼级别的识别判断，PT 也仅能检测表面开口缺陷，无法有效检出焊缝层间及根部缺陷。

3.5 运维情况

该插塞所属主给水系统管道，系统正常运行压力为8.5 MPa，至发生泄漏时，已经运行了7 个燃料循环，期间经历了建安阶段和在役期间两次水压试验，试验最高压力达到10.2 MPa，为设计压力的1.2 倍，保压时间要求为30 min。

图2 密封焊缝缺陷

图3 插塞密封焊设计

该失效密封焊缝曾经过两次在役PT，按照无损检测技术要求，焊缝PT 前需要进行表面除漆/除锈打磨处理，无损检测后不再进行焊缝补强，无损检测前的打磨处理工作导致密封焊缝局部厚度发生减薄，降低了焊缝强度。

3.6 原因分析小结

综上分析，插塞密封焊缝设计为无坡口平面堆焊，焊缝熔深浅，焊缝强度不足；插塞与管座螺纹配合不紧密，且安装技术要求拧紧后回退1/4 圈，插塞实际处于松动状态，密封焊承受一定的交变载荷；两次表面打磨除锈进一步减小了焊缝厚度，降低了焊缝承压强度，并经历了长期运行和两次水压试验，最终导致该密封焊缝局部发生泄漏。

表1 插塞密封焊焊接施工工艺参数

4 优化与改进

4.1 焊缝结构设计改型

针对插塞密封焊强度先天不足问题，提出了将射线插塞端部延长，将平面堆焊密封焊缝优化为角焊缝结构，以提高焊缝固有强度。此设计改型只需重新加工插塞组件，原设计插塞整体高度为40 mm，优化后插塞整体高度为47 mm，保证角焊缝焊脚高度为3×6 mm，插塞与管座螺纹区域高度保持不变。原堆焊形式的密封焊改进为角焊缝（图4）。