摘要：硼酸注入箱为核电厂的核二级设备。由于大修期间硼酸注入箱人孔法兰面发现环形腐蚀缺陷，严重影响安全系统的运行，所以制订特殊方案来修复缺陷。修复过程中，充分应用无损检测手段定位缺陷和质量检验。对焊接作业要点进行了分析，从而控制焊接变形。通过法兰车床在线加工，保证法兰密封面的密封性能。为同类设备缺陷提供了借鉴。
关键词：核电；人孔；腐蚀；修复
核电厂安全注入系统（RIS）的设计和配置是为了在事故工况下向对线提供应急冷却，防止燃料棒破损。硼酸注入箱为RIS系统的重要组成部分。其为核二级设备，最高工作压力达20.5MPa。在两次大修中，分别发现两台硼酸注入箱法兰面均存在较大程度的环形腐蚀，最深达到2mm。分析缺陷为设备设计不当导致基材与硼酸溶液接触，长期反应导致腐蚀。通过制定方案，对腐蚀位置补焊，并在法兰面焊接薄壁不锈钢垫，同时加工密封面，顺利完成了缺陷修复。
1缺陷分析
1.1缺陷情况介绍
硼酸注入箱是核电厂的安全重要设备，主要用于储存浓度为7000-9000ppm的硼酸溶液，容器基材为主要材料16MnHR，容器内部堆焊00Cr19Ni10不锈钢耐腐蚀层。在大修中，分别发现两台机组的硼酸注入箱人孔法兰面均出现较严重的宏观腐蚀缺陷(如图1)。缺陷位于容器不锈钢堆焊层和石墨垫片密封线之间，缺陷呈圆弧状，长度约140mm，宽度10mm，深度最深处约2mm，同时环形位置存在堆焊层与基材剥离的情况。硼酸注入箱为高能容器，其法兰面腐蚀直接导致法兰的强度降低，甚至可能出现严重泄漏、安全系统不可用等风险。
1.2缺陷形成原因分析
硼酸注入箱的储存介质为7000-9000ppm的硼酸溶液，硼酸被认为是一种弱酸，但对低合金钢仍具有较强的腐蚀性。硼酸注入箱基体材质为16MnHR，易与硼酸溶液反应，在设计时容器内表面堆焊00Cr19Ni10不锈钢耐腐蚀层，但法兰面未做堆焊处理。图2显示了容器的装配顺序示意图，人孔的理论尺寸为φ478，而人孔垫片石墨部分内径为φ490，两件之间有单边6mm的间隙。法兰安装垫片进行密封后，人孔垫片内环和堆焊层未形成密封，容器内的硼酸溶液可经过两者的间隙进入堆焊层和垫片石墨之间的区域，即硼酸溶液和本体基材接触。基体和硼酸溶液接触，有许多铁离子Fe2+离开基体金属而转向水中，遇到水中的氢氧根OH-后形成氢氧化铁Fe(OH)2,由于基体金属不断失去铁离子，逐渐形成腐蚀。
图1 人孔法兰面宏观腐蚀缺陷图
图2 人孔法兰腐蚀成因示意图
2方案制定与实施
2.1修复方案制定
缺陷形成的原因为硼酸溶液腐蚀硼酸注入箱基材，通过有效隔离硼酸溶液，不与本体相接触，可以达到消除缺陷的目的。需要通过两方面进行修复：1、修复腐蚀缺陷，确保基材完整；2、隔离硼酸溶液，防止腐蚀发生。首先打磨去除腐蚀层，打磨坡口，使用合格的工艺补焊基材，并打磨平整；其次安装不锈钢垫环，并机加工密封面。通过对比图2和图3可以看出，硼酸溶液被有效隔离，从而达到彻底修复的目的。
图4 人孔法兰修复流程图
整个修复过程分两步进行：（1）补焊腐蚀基础；（2）垫环焊接。腐蚀缺陷包括宏观和微观缺陷，修复过程中多次借助液体渗透检测（PT）的方法来进行识别缺陷，在尽量保护基材和堆焊层的情况下，打磨腐蚀缺陷，直至PT检测合格。补焊腐蚀时，进行预热，同时控制焊接层间温度，补焊后进行后热、打磨，PT检测直至合格。垫环材质选择00Cr19Ni10或其他可替代材质。垫环焊接成为硼酸注入箱本体的一部分，其安全等级应为2级，质保等级为QA1级。垫环内环为不锈钢角焊缝，外环为异种钢角焊缝，垫环焊接要对变形进行控制，在完成焊接后进行垫环平面的在线机加，保证密封性能。
3施工质量控制
3.1焊接质量控制
焊接质量控制为本次修复的重点，首先要具备合格的焊接工艺。法兰面修复的工艺主要为法兰基材的补焊工艺、不锈钢垫环内外边的角焊缝工艺。焊缝级别均为RCCM 2级。由于所需安装的垫环为5.5mm的薄壁件，在焊接过程中的变形控制为本次的难点，如果垫环发生变形，在人孔螺栓施加载荷后，将导致垫环焊缝开裂，直接导致修复不合格。
本次修复过程中，存在多种影响焊接质量的因素，焊接变形控制也变得较为复杂。为防止应力集中造成的开裂和变形，分析可能影响焊接变形的因素，采取以下措施进行控制：
1）预热后热处理，消除残余应力。修复开始前将人孔外壁缠绕电加热带和保温棉，人孔内壁和焊接面塞满保温棉，进行预热至120～150℃，修复完成后立刻进行后热处理，温度250～300℃，然后保温及缓慢冷却。通过容器人孔位置的局部回火，可消除大部分残余应力，使应力分布较为平缓。
2)合理选择焊接方法。本次修复涉及表面堆焊和T形角接接头焊缝。表面堆焊焊缝只限于基材的表面一定深度，变形相对较小，在打磨坡口时，要尽量减少基材的打磨并采用较小的坡口尺寸。垫环的T形角接接头径向收缩值与板厚成反比，垫环厚度可在焊接前适当增加，好处在于减小焊接变形，也能减小加工薄垫环的机加工变形。在焊接实施时，采取内、外侧交叉、分段跳焊法，每段焊接长度控制100～150mm。
3）减小焊接热输入。热输入大时，加热的区域范围大，冷却的速度慢，使得变形区域增大。修复过程中，打底和填充均选择102～184A电流进行焊接。
4）控制层间温度尽量一致。在垫环的角焊缝焊接时，第一层的焊缝对垫环引起的变形量最大，同时第二层的应力作用于前一层并产生约束，合理控制层间温度的一致，可减少层间的相对应力，减小变形。
通过合理控制焊接质量，垫环内外环焊缝验证合格（如图5）。
图6 无损检测方法在修复过程的应用
3.2 无损检测应用
在本次硼酸注入箱法兰面修复的过程中，大量应用液体渗透检测的方法进行质量验证和控制。从修复流程（图4）中可看出较为重要的PT检测项目有：1）在腐蚀缺陷去除过程中的PT检测，确定腐蚀缺陷已完全去除，并验收补焊质量；2）垫环的内、外角焊缝PT检测，验收焊接质量。在腐蚀缺陷的去除过程中，全法兰面反复使用PT检测（如图6左），不断打磨掉腐蚀部位，直至缺陷去除干净。垫环焊后进行PT检测，如图6右所示，能合理控制焊接质量，保证修复的效果。
3.3在线机加质量控制
在线机加采用便携式气动法兰车床，加工范围应包含462-570mm并留有余量。法兰车床应具有轻量、可组装的特点，方便现场使用。车床固定于人孔内壁，回转臂平行于法兰面。由场内压缩空气系统提供动力源，通过车床车刀的回转运动，不断车削垫环面达到加工垫环的目的，安装结果见图7。
图7 气动法兰车床安装完成
为保证修复后的密封面达到设计要求，并具备密封能力，主要通过以下几个方面进行控制：车床的中心和平行度保持在0.1mm的范围内，并在车削过程中同步监测平行度；粗加工进刀量可以设置为0.2-0.3mm每次，精加工进刀量为0.1mm以内，加工垫环至目标厚度。
4结果验证
硼酸注入箱属于非主二回路设备，对于此类设备，承压器壁的面积：S=0.087㎡＜0.4㎡，根据RSE-M规范A8552章节的规定，此次补焊并增加垫环工作属于关注级检修，检修后不需要进行水压试验。
5结论
通过对核电厂硼酸注入箱人孔法兰面腐蚀问题的分析、修复，有效地解决了核级设备的设计缺陷，保障设备的可靠性。对硼酸注入箱人孔法兰面腐蚀问题的处理，提出了一种静密封修补方法，实践证明增加垫环的密封面修补方法具有可行性，也为后续容器的法兰面修复提供了借鉴和经验。
参考文献
[1]郭宏宇，蒸汽发生器眼孔密封面修复研究，核电运营，2009,2（3）:238-243.
[2]杨立国，压力容器入口法兰面腐蚀现场修复，化学工程与装备，2017,9：225-227.
[3]周斌，法兰密封面水线粗糙度问题探讨，石油化工设备，2016,5（3）：105-107.
[4]曾晓虹，焊接应力和焊接变形控制，石油化工设备，2009,3（2）:59-63.
[5]朱江，焊接变形的控制和预防，电焊机，2009,8（8）:90-93.
[6]RSE-M 1997,压水堆核电厂核岛机械设备在役检查规则.
论文作者:李勇
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/11
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