1、Science&Technology Vision科技视界DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.31.18钠冷快堆蒸发器管板角焊缝射线检验技术探析徐亚晓牛犇贾钧森（中核霞浦核电有限公司，福建 宁德352000）【摘要】蒸 汽 发生 器作 为快 堆核电 机组 二回路 钠 介 质 和 三 回 路 水 介 质 的 热 交 换 边 界，在 快 堆 运 行 过 程 中，起 着 至关 重 要的 作 用。为 保障 蒸汽发 生器 的 运行 安 全和 使 用寿 命，尽 早 发 现 制 造缺 陷和 役 致 缺 陷，核 电 厂 一 般 要 对 蒸 汽 发 生器 实 施 役 前 和在
2、役 检查。本 文 根据 役前 和在 役 检查 要 求，对 示 范快 堆 蒸汽 发 生器 换热 管与 管 板角 焊缝射 线检 验 技 术 进行了 研 究，确定 了 检 验 工艺并制 作了 配 套的 检验工 具。经 改进 优 化，检验 系统 实 现了 预 期的 检验灵 敏度和 一次成 功率，并 顺 利 应用于 示 范 快堆 工 程役 前检 查。【关键词】示 范 快堆；在役检 查；蒸 汽发 生 器；换 热 管；管板 接 头 焊 缝；射线 检 验1概述1.1目的本文拟设计开发一种针对钠冷快堆直流式蒸汽发生器换热管与管板角焊缝的射线检验技术，以满足核安全监管单位和 ASME 标准对示范快堆核电机组换热管
3、的检查要求，且通过该检验技术，能够实现及时发现机组运行前和运行过程中产生的缺陷，保障机组安全稳定经济运行。1.2钠冷快堆示范快堆核电机组采用池式钠冷快堆结构，一回路液钠在池内与堆芯的核燃料棒表面接触将核能转换成热能通过中间热交换器导出给二回路，二回路液钠再与三回路水进行热交换使水变成蒸汽，推动汽轮机发电。1.3在役检查在核电厂运行寿期内，部件可能受到诸如应力、温度、辐照、氢吸附、腐蚀、振动和磨损等多种因素的影响，从而引起老化、脆化、疲劳以及缺陷的形成或（和）发展等材料性能变化。因此，有必要对核安全级承压设备和管道的金属状态进行检查，即对这些部件进行在役检查，以便及时发现新产生的缺陷和跟踪已知缺
4、陷的扩展，以判断它们对核电厂继续安全运行是否可接受，或是否有必要采取补救措施。核电站运行寿期内所进行的这些检查即为“在役检查”。1.4蒸汽发生器蒸汽发生器是示范快堆主热传输系统的主设备之一，其主要功能是实现二回路（液态钠载热剂）和三回路（水/蒸汽）之间的换热，使给水经过加热后，成为汽轮发电机所需的蒸汽，同时隔离钠和水介质。1.5研究意义示范快堆项目蒸汽发生器为直流式结构，直流蒸汽发生器内可能发生各种类型的两相流动不稳定性问题。当两相流动不稳定性发生时，蒸汽发生器内将出现流量、温度、压力等热工参数的周期性振荡，引起机械振动或基金 项 目：快堆产 业 化技 术创新 战略 联 盟基 金。作 者简 介
5、：徐 亚 晓，高级工 程 师，工 学 硕 士，研 究 方向 为 核 电 在 役检 查 和无 损检 测 技 术研 究。核电之窗067科技视界Science&Technology Vision热应力变化，从而导致设备工作性能降低，甚至诱发换热管的应力腐蚀或烧毁。快堆直流式蒸汽发生器换热管与管板接头形式为伸出式（如图 1 所示），根据国外经验反馈，快堆蒸汽发生器发生多次泄漏，主要是由于潜在的制造加工缺陷造成的，大多发生在管子与管板接头焊缝，虽未造成大的事故，但仍是非常严重的安全隐患。在换热管和管板焊接过程中由于存在很多的不稳定因素1，最终会导致焊缝的焊接质量出现各种问题和缺陷，常见缺陷有热裂纹、气孔
6、、未焊透和未熔合等2-3。因此，对管子与管板接头角焊缝检验工艺进行研究对于电厂后续的运行安全具有重大意义。本文就钠冷快堆蒸发器管板角焊缝射线检验技术进行探析。图1蒸汽发生器换热管管板结构（局部）2管板焊缝射线检验技术2.1检验方法的确定根据 ASME 锅炉及压力容器规范第 XI 卷 核电厂部件在役检查规则（2001 版）2003 增补第 3 分册 液态金属冷却核电站部件的检查和试验规则 IMC2500 规定4，蒸汽发生器传热管全管段应实施在役检查（体积检验，包括涡流检验、射线检验或超声检验），其中明确要求换热管全管段包括管子与管板连接焊缝，且检验应按照 ASME 锅炉及压力容器规范第 V 卷无
7、损检测的要求实施5。对于管板接头焊缝检查方法，目视检测、渗透检测只能检查表面缺陷，磁粉检测也只能检测深度不是很深的焊缝，且对检测对象的材质有限制；体积检验方法中超声波检测的实践表明：对于直径 25mm 以下的换热管-管板焊缝，由于换热管内径小、管壁薄且检测的难度较大，针对密封焊的检测效果不佳；即使对直径大于 25mm的换热管焊缝，用超声波检测时还需要制作特殊探头和专用曲面校准试块，难度较大6，且整体检验效率较低，因此换热管-管板焊缝应采用射线检验方法实施在役检查。2.2放射源的选择按照射线的种类和射线发生装置，管板角焊缝射线检测可选用 X 射线和 射线 2 种放射源。X 射线技术采用的射线源为
8、棒阳极 X 射线机，射线技术一般用小焦点 Ir192 放射源。X 射线具有检测灵敏度高、曝光时间短、对人员伤害小和防护方便等优点，在实际生产制造中得到广泛应用，而 射线技术是 X 射线技术受限时的补充方法。分别采用焦点尺寸为 0.40.5mm 的 X 射线和Ir192 作为放射源在同一个夹钨焊缝上进行焊缝灵敏度测试，仅有 X 射线棒阳极检测出 3 个夹钨缺陷，结果如图 2 所示7。综上，将 X 射线棒阳极射线检测技术应用于蒸汽发生器换热管与管板接头焊缝检验。2.3检验工艺射线检验时，由于换热管较长，不具备向前透照图2X射线与射线照相灵敏度对比核电之窗068Science&Technology
9、Vision科技视界图4射线检验参数的条件，拟采用棒阳极 X 射线机向后透照成像8，如图3 所示。胶片选用：X 射线透照选择单胶片技术，M100（C2）型（或同等级的其他牌号）胶片或更高等级胶片，并使用与胶片配套的显、定影液。胶片安装：为提高效率，胶片采用真空包装，真空袋中集成了增感屏和滤光板，真空袋可固定于专用后挡板上。补偿块：为防止散射线影响，并使焊缝被检区域曝光均匀，设计专用固定安装的补偿块，同时可确保源管焦点准确安置于管子中心。补偿块外径一般不小于管子内径 1mm。补偿块的材质一般应与管的材质种类相同，也可使用原子序数比管材低的材料制作的补偿块。增感屏、滤光片和后挡板：检测过程中，散射
10、线的屏蔽防护很关键，如果没有适当的防护措施，很容易造成底片灰雾黑度增大，对比度降低，影响底片质量。因此，真空包装胶片带有一次性铅增感屏，并采用 1.5mm 的不锈钢板作为滤光片，6mm 的铝板作为后挡板，放置在暗盒背后。管子-管板接头焊缝 X 射线棒阳极检验参数见表 1，检验示意图见下图 4。2.4检验工具设计由于换热管与管板接头焊缝位置结构特殊且数量巨大（约有焊缝近 3 万条），为提高射线检验效率，团队设计加工了一批配套专用工具。该工具管电压范围 0130 kV，最大管电流 0.6 mA，焦点尺寸为 0.40.5 mm，靶角168360，胶片为 M100（C2）。为提高效率，胶片采用真空包装
11、，真空袋中集成了增感屏和滤光板，真空袋可固定于专用后挡板上。射线检验前使用专用胶片打孔器对胶片进行打孔，一次可拍摄 4-5 张底片。整套检验装置示意如图 5 所示。2.5灵敏度测试为测试和确保射线检验灵敏度达到在役检查需求，团队设计制作了灵敏度模拟件，管子-管板接头焊缝的照相灵敏度由灵敏度鉴定试验保证。用于灵敏度鉴定试验模拟件与焊缝结构、材质和焊接工艺完全一致，并在焊缝中心线上采用冲或钻方法至少加工间隔 90的 4 个 0.5mm 大小的孔，以其在底片上显示的影像验证像质的适可性，孔的位置分布见图 6。团队使用制作的灵敏度试块对检验工艺和检验系统进行了测试，测试结果（见图 7）表明，本系统可以
12、检测出 4 个 0.5 mm 直径的孔，小于在役检查验收标准中规定的最小缺陷允许值 0.8 mm，满足在役检查检验最低灵敏度要求。3检验技术应用本文确定的射线检验技术应用于示范快堆 4 台套蒸汽发生器部图3棒阳极X射线检测原理被检对象换热管尺寸（mm）余高（mm）焦距 F（mm）管电压（KV）管电流（mA）蒸发器（SG）162.551822901300.7过热器（SH）16361822901300.7表1管子-管板角焊缝X射线检验参数核电之窗069科技视界Science&Technology Vision图6灵敏度试块模拟缺陷分布图7检验系统灵敏度测试片被检对象焊缝数量一次成功数量一次成功率黑
13、度范围蒸发器（SG）70461587%1.8-4.3过热器（SH）64060895%1.8-4.2合计1344122391%1.8-4.3分换热管与管板接头焊缝的役前检查，检验数量和效果如表 2 所示。图5整套检验装置本技术实际应用中检验一次成功率达到 91%，只有少数底片因暗室处理、人员失误、工具损坏等原因重拍。4结语本文研究制定的蒸汽发生器换热管与管板接头焊缝射线检验技术具备较高的灵敏度，能够满足示范快堆在役检查检验需求，且已应用于示范快堆役前检查，应用结果表明检验技术成熟可靠，且具备高效率、高灵敏度、易于检验人员标准化操作等优点，为后续钠冷快堆直流式蒸汽发生器换热管与管板接头焊缝射线检验
14、工作提供了技术方案。【参考文献】1邱振生，黄腾达，杨春乐.蒸汽发生器管子管板封口焊缝质量影响因素分析J.焊接，2015（3）：1-5.2周朝刚，夏成君.浅谈换热器管板与换热管连接质量控制J.石油和化工设备，2014，17（12）：45-47.3黄新然.常见焊缝缺陷分析及预防措施J.山东工业技术，2018（8）：39.4ASME锅炉及压力容器规范第XI卷，核电厂部件在役检查规则（2001版）2003增补第3分册液态金属冷却核电站部件的检查和试验规则S.5ASME锅炉及压力容器规范第V卷，无损检测S.6金彦枫，张延丰，张铮.双晶曲面横波小尺寸超声波探头：201320512383.1P.2014-02-19.7中特创业.管子管板对接焊缝的棒阳极X射线照相技术应用R.南京：江苏中特创业设备检测有限公司，2016：2-48强天鹏主编.射线检验M.北京：中国劳动社会保障出版社，2007：131-132.表2管子-管板角焊缝射线检验技术应用效果核电之窗070
