2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆无缝管目视检验缺陷特征分析

王子赟 陶良海 张斌学 岳民杰

摘  要：钍基熔盐堆核能系统（简称TMSR-LF1）熔盐堆作为第四代先进反应堆的6个候选堆之一，具有钍高效利用、高温制氢、无水冷却、适合小型模块化设计等优势和潜力。简单介绍2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆的特点，针对核燃料的特殊性质提出对反应堆材料的要求，介绍包括2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆熔盐-熔盐换热器传热管在内的无缝管的制造工艺和设备功能，重点阐述在制造、运输过程中目视检验发现的各种常见典型缺陷和各缺陷特征，分析产生这些缺陷的原因。

关键词：钍基熔盐实验堆无缝管   熔盐-熔盐换热器传热管   目视检验   缺陷特征分析

中图分类号：TL411                         文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（c）-0049-03

Defect Characteristics Analysis of Seamless Tube Visual Inspection for 2MWt Liquid Fuel Thorium Based Molten

Salt Experimental Reactor

WANG Ziyun   TAO Lianghai   ZHANG Binxue   YUE Minjie

（Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， Shanghai， 201800  China）

Abstract： Thorium based molten salt reactor nuclear power system （TMSR-LF1）， as one of the six candidates for the fourth generation advanced reactor， has the advantages and potential of high-efficiency utilization of thorium， high-temperature hydrogen production， anhydrous cooling and suitable for small modular design. This paper briefly introduces the characteristics of 2MWt liquid fuel thorium based molten salt experimental reactor， puts forward the requirements for reactor materials according to the special properties of nuclear fuel， and introduces the manufacturing process and equipment functions of seamless tubes including the heat transfer tube of molten salt molten salt heat exchanger of 2MWt liquid fuel thorium based molten salt experimental reactor， focusing on the manufacturing various common typical defects and defect characteristics found during visual inspection during transportation， and analyze the causes of these defects.

Key Words： Seamless tube of thorium based molten salt experimental reactor; Molten salt-heat transfer tube of molten salt heat exchanger; Visual inspection; Defect characteristic analysis

釷基熔盐堆核能系统（简称TMSR-LF1）是中国科学院首批启动实施的战略性先导科技专项之一，作为一种利用熔融态混合盐作为核燃料载体和冷却剂的裂变型反应堆，具有高热效率、固有安全性和可模块化等诸多优势[1]。

在2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆（TMSR-LF1）中采用熔融态氟化物混合盐作为核燃料载体和冷却剂，由于熔盐熔点高、腐蚀性强，在TMSR-LF1普遍采用UNS N10003合金无缝管用于介质的运输[2-3]。例如：熔盐-熔盐换热器传热管，熔盐-熔盐换热器是反应堆最为关键的主要设备之一，该熔盐-熔盐换热器依靠二次侧进出口接管作为支承安装于堆容器内，是TMSR-LF1系统中重要传热设备，其功能不仅是将堆芯产生的热量通过一回路熔盐传递给二回路熔盐，同时该换热器传热管还作为一回路熔盐压力边界，起到包容放射性物质、耐高温、抗腐蚀的作用。

1  目视检验定义

目视检验是指用人的眼睛或借助于某种目视辅助器材对被检件进行的检验。检测表面缺陷和异常的无损检测方法，包括直接目视和间接目视两种方法[4]。

熔盐-熔盐换热器的直接目视法是直接使用人眼或借助6倍以下放大镜进行检验，主要检验换热管外表面、管端以及内表面目光可达处的缺陷。间接目视检验可以辅以各种反光镜、内窥镜、照相机或其他合适的仪器，这些系统的分辨能力应至少应和直接目视检验相当。熔盐-熔盐换热器的间接目视法主要是借助内窥镜对换热管内表面进行检验[5-6]。

2  目视检验常见缺陷

在TMSR-LF1中无缝管的应用较为普遍，在此简单列举熔盐-熔盐换热器传热管的制造工艺，熔盐-熔盐换热器传热管由钢棒通过挤压/穿孔的热加工方式和冷轧/冷拔、热处理、矫直、切管、酸洗等工序成为半成品，再由尺寸规格为Ф13.72×1.65mm的UNS N10003合金直管弯制而成，弯曲角度180°，设计温度700 ℃，设计压力 0.45 MPa，换热管成U型。

TMSR-LF1无缝管在完成设计制造及出厂检验后需要经过长距离的运输，设备受运输条件影响较大，制造工艺的影响相对较小。目前在设备验收及安装过程中发现的缺陷主要分为七类，具体缺陷类型、特征、原因分析如下。

（1）划痕：是指在包装、运输及机加工过程中的机械损伤。TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管的划痕缺陷在内窥镜图像中表征受反射光线与观察角度的不同主要表现为沿管路纵向亮线或暗线。TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管划痕缺陷产生的主要原因为运输过程中设备与硬质金属块受力而使管表面产生缺陷，缺陷形式如图1所示。

（2）凹坑：是指由于轧制过程杂质或氧化皮剥落等原因出现低于材料表面的地方，严重低于材料规定厚度的负公差。TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管的凹坑缺陷目视检验中的表征为形状不规则，轮廓清晰，表面低于母材本体，且有一定的深度。间接目视内窥镜图像中凸起多呈现白色反光，凹陷呈现深色，仔细观察有明显深度感。TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管的凹坑缺陷产生的主要原因为管与硬金属介质发生碰撞或者挤压。缺陷形式如图2所示。

（3）裂纹：产生的原因与材料特性、制造温度、轧制时过度形变等工艺选择不当有关，也可能是多种因素共同作用的结果。裂纹一般呈不规则细线，端部尖，无明显开口，有些有深度感。TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管的裂纹缺陷在内窥镜图像中多呈现为一种断续的暗线或亮线。

（4）腐蚀：酸洗时间长，酸液浓度过高都有可能产生腐蚀缺陷。表面出现明显腐蚀产物，多突出于产品表面，并呈现出明显凹凸不平，清除后表面一般留有腐蚀坑。TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管的腐蚀缺陷在内窥镜图像中呈现面积状酸蚀。

（5）锈斑：是指水压试验后，未及时清除残留水，被铁离子污染后形成的铁锈，酸洗除去后锈迹消失，表面无明显损伤。TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管的锈斑缺陷表征主要为形状不规则，表面粗糙且发黄成片聚集。

（6）折叠：是指管材拉制时产生的裂纹或擦伤等缺陷，后续的轧制中被翻折到金属表面压平以后形成。TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管的折叠缺陷在内窥镜图像中表征为亮暗交错的一条直线，明显有一层金属折叠在表面。

（7）异物：异物多为金属加工屑等，当管道内残留有油等液体时，金属加工产生的碎屑会大量残留。异物一般存在于管道内部的弯曲、死角处，位置不固定，有时会随着产品移动，对产品工作性能有害。TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管的异物缺陷在内窥镜图像中多为大小不一的白色反光亮点。

3  常见缺陷的处理方式

在TMSR-LF1熔盐-熔盐换热器传热管的目视检验中，对发现的以上表面缺陷在下述情况下应采用非焊接方法进行修整。

（1）当划痕、凹坑类缺陷可以通过机械加工方法消除且不影响最终尺寸时，可以对管件重新进行机加工;（2）当裂纹、折叠类缺陷位于坡口表面，在滿足尺寸公差的情况下，可以采用打磨的方法去除;（3）当腐蚀、锈斑类缺陷程度较轻时，可以在不影响最终尺寸的前提下，采用局部碱洗、酸洗的方法去除;（4）异物类缺陷可以通过管道吹扫或使用不掉毛的洁净软布进行清理。

采用非焊接方法修整的缺陷，最终整修部分应该圆滑，与周围表面相接应无棱角，接合斜率最大为0.25。

4  结语

由于2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆的特殊性，使熔盐-熔盐换热器传热管的要求较高。传热管制造过程复杂，管材壁厚较小，可能产生的缺陷种类较多，各种缺陷特征不尽相同。所以，在设置目视检验点时应合理安排，尽量将目视检验置于易产生缺陷的工序之后，检验人员在掌握各种缺陷的特征和验收等级的同时应考虑目视检验的局限性，除工件表面的宏观缺陷外，还应使用渗透检验、涡流检验在附以超声波检验等方法覆盖部分表面细小缺陷及内部缺陷。

参考文献

[1] 徐洪杰，戴志敏，蔡翔舟，等.钍基熔盐堆和核能综合利用[J].现代物理知识，2018，30（4）：25-34.

[2] 李炳营，刘烨，黄国庆，等.2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆仪控系统纵深防御设计与分析[J].核安全，2021，20（3）：91-97.

[3] 钱进，孔巧玲，张宏武，等.熔盐-气体换热器传热性能的实验研究[J].太阳能学报，2017，38（11）：3012-3017.

[4] 陈胜宇，肖镇官，曾玉华，等.核电厂 SG传热管涡流检验内壁显示浅析[J].科技视界，2020（7）：217-221.

[5] 肖韵菲，唐涌涛，苏应斌，等.钍基熔盐堆回路系统总体布置初步研究[J].科技视界，2021（3）：19-21.

[6]蔡翔舟，戴志敏，徐洪杰，等.钍基熔盐堆核能系统[J].物理，2016，49（9）：578-590.

作者简介：王子赟（1992—），男，本科，工程师，研究方向为钍基熔盐实验堆操作运行。