核反应堆压力容器制造工艺及检测方法论述

耿雪峰

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333）

引言

核电厂项目在我国启动较晚，在当时环境条件恶劣，与掌握先进核技术国家交流缺乏，在多年艰苦工作后，我国核电项目迎来了利用核能技术的新纪元。

核电是利用核放热过程产生热能和电能，核电由于其消耗资源少、对环境影响小、发生事故的可能性较小，在低碳经济、绿色经济呼声高涨的今天，其相应技术在使用过程中得到了推广。而在核电的生产过程中，涉及到核生产的安全问题，核承压设备作为核电生产过程中的主要生产装置，其制造工艺及安全检测则成为大家日益关注的问题之一［1］。

核承压设备主要分为以下几类：第一是压力容器，它包括反应堆压力容器、稳压器、驱动机构耐压壳体、交换器、蓄压水箱、低压安注水箱、容积控制箱、燃料池冷却器等；第二是泵，包括反应堆冷却剂循环泵、喷淋泵、蒸汽发生器应急辅助给水泵、化容系统泵、换料水系统泵、冷却泵等；第三是阀门，包括喷淋阀、反应堆冷却剂系统隔离阀、安全壳隔离系统阀门、设备冷却水系统阀门、乏燃料池冷却系统阀门等；第四是管道，包括余热排出系统管线、化容控制系统管线、设备冷却水系统管线、乏燃料冷却系统管线等；其他结构还包括堆压力容器、蒸发器等支撑结构及堆内结构［2－5］。本文主要对核承压设备中反应堆压力容器的制造工艺及检测方法进行论述，在了解核反应堆压力容器制造工艺及检测方法的基础上说明制造工艺及检测方法的优缺点。

1 核反应堆压力容器制造工艺概述

核反应堆压力容器是核电站的关键设备，主要用于固定、支撑、包容堆芯和其他堆内构件，在核电厂寿期内不能进行更换。因此，核反应堆压力容器质量的好坏直接关系到核动力系统能否正常、安全的运行。

核电站使用的反应堆有很多种形式，主要有压水堆、沸水堆、气冷堆、重水堆、快堆等。而在结构形式上，因为压力容器需要包容反应堆中的其他必须设备，因此结构形式可能存在一些差别。但总体来说，核反应堆压力容器一般是圆筒形厚壁容器，呈立式，由法兰螺栓联接。有反应堆容器、顶盖、紧固密封件三个组成部分。反应堆压力容器法兰和容器上封头通过金属密封环进行密封，保证生产过程中核原料的密封性［6］。

在我国，核反应堆压力容器问世始于20世纪50年代初期，伴随着第一批动力反应堆的问世而出现。核反应堆压力容器主要有钢压力容器和预应力混凝土压力容器两大类，其应用范围根据核反应堆的类型而有所区别。核反应堆压力容器的制造过程要求较高，因为压力容器需要满足大尺寸要求、保证壁厚、加工及装配的精度要求，同时，在加工过程中还要进行反复检测以保证压力容器能够达到相关密封性等实际生产中的要求。

一般情况下，压力容器的制造工艺为：原材料验收—划线—切割—除锈—机加工—滚制—组对—焊接—无损检测—开孔划线—总检—热处理—压力试验—防腐［7］。

在筒体下料过程中，需要将筒体与封头对接后进行焊接，需要保证两者直径一致。在一般情况下，先对封头进行加工，在根据加工好后的封头中径来确定所需的筒体展开尺寸。保证在制造过程中不出现筒体直径大于封头直径从而带来无法对接焊接的问题。在焊接的过程中，一般要先焊基层，经过砂轮打磨后再进行过渡层的焊接，最后再焊复层。而在焊接过渡层时，需要采用线能量较小的方式，防止基层中的金属渗入到复层，使得焊缝产生缺陷。在筒体、管料、板料都下料、加工完成之后，进行部件的装配及焊接过程，在正式投入使用之前，还需要进行焊缝的无损检测过程，保证焊接的工艺达到反应堆压力容器的制造要求。经过焊缝的无损检测之后，进行压力容器的气密性、水压试验，这个过程主要是保证生产出来的压力容器在实际使用过程中不会造成核泄漏，能够在一定的压力环境下工作。在以上各个阶段都合格之后，对反应堆压力容器进行表面处理，保证其光滑度、粗糙度达到生产使用的要求，经过以上制造工艺之后，我们就能得到一个合格的核反应堆压力容器的成品。

2 核反应堆压力容器检测方法概述

对任何一种反应容器而言，压力容器都处于一个很重要的地位。而反应容器就有质量安全性的强制性要求。除了常规性的要求之外，还应该考虑当前物理材料性质的敏感性、可靠性等要求。

核反应堆压力容器检测在核电生产过程中是一项很重要的任务。从很大程度上来说，针对铁磁材料，材料结构的降解与其磁性是联系在一起的。作为核承压设备中的关键部分，我们要求核反应堆压力容器有足够的光滑性、满足强度要求，同时，在使用过程中不能产生裂纹或者让反应过程中的核物质外泄。因此，我们需要对核反应堆压力容器的密封性、强度等性质进行检测。

在核电站和核动力装置的检验规范及标准中，明确指出对核反应堆压力容器的检测方式主要采取无损检测方式，而方法主要为超声检测技术和视频检测技术。但是，在实际检测过程中，由于核反应堆压力容器体积比较大，而我们需要检测的对象包括焊缝、交贯面、管道等类型多样且复杂的对象，因此在检测过程中应该综合考虑多种检测技术，也要考虑检测方法的可行性和局限性。平时较为常用的检测方法主要有以下几种［8］。

2.1 超声检测技术

超声检测技术是利用声波通过介质的渗透性反映在示波器上的变化进行检测判定。由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，且不能通过气体固体界面。当超声波传播到金属与缺陷处时，如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷或夹杂，就会全部或部分反射。反射波被探头接收，通过电路处理，在示波器上就显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件中的深度、位置和形状。

超声检测技术所能够检测的厚度大且灵敏度高，能够快速对缺陷进行定位和定量。该技术适用于厚度大于6mm的压力容器壳体或大口径接管与壳体的对接焊缝内部缺陷的检测，较适合于厚度较大的零件检验，能确定缺陷的位置和相对尺寸，如板材、复合板材、碳钢、低合金钢锻件、管材、棒材、奥氏体不锈钢锻件等承压设备原材料和零部件、对接焊接接头、T型焊接接头、角焊缝以及堆焊层等。但该方法无法检测表面和近表面的延伸方向平行于表面的缺陷，探伤过程中易受影响，技术难度大而且探伤结果不便于保存，富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类。核电厂动力装置检测，对于其压力容器常使用超声检测技术进行检测。

2.2 射线检测技术

射线检测利用X射线和γ射线穿过检测物体时吸收强度的差异反应在感光胶片上的不同来进行判定，被检测物如果有气孔、金属夹渣等缺陷部位，该部位对射线的吸收强度低于无缺陷部位，在感光胶片上会形成黑度较大的阴影，随即确定其大小和位置。

射线检测主要适用于金属材料制承压设备壳体或接管对接焊缝内部缺陷的检测。射线检测包含2种射线源，即X射线和γ射线，而γ射线包括了Se射线、Ir射线、Co射线，其中X射线根据射线源强度划分，不同强度透照厚度存在差异。一般X射线（300kV）检测厚度小于等于40mm，X射线（420kV）检测厚度小于等于80mm，X射线（1～4MeV）检测厚度范围为30～200mm，X射线（＞4～12MeV）检测厚度范围为50～400mm，X射线（＞12MeV）检测厚度大于等于80mm，Se－75检测厚度范围为10～40mm，Ir－192检测厚度范围为20～100mm，Co－60检测厚度为40～200mm。射线检测方法可获得缺陷的直观图像，对长度、宽度尺寸的定量也比较准确，检测结果有底片，可以长期保存。但该方法存在缺点，对体积型缺陷（气孔、夹渣）检出率高，对体积型缺陷（如裂纹未熔合类），如果照相角度不适当，容易漏检，不适宜较厚的工件，不适用于锻件、管材、棒材、T型焊接接头、角焊缝以及堆焊层的检测所，且检测高、速度慢，同时对人体有害，需做特殊防护。

2.3 磁粉检测技术

磁粉检测技术是工业上应用较为广泛的无损检测方法之一，磁粉检测技术是通过金属材料磁化后漏磁场吸收磁粉形成磁痕来显示缺陷位置、大小和形状，有缺陷的地方磁导率降低，磁阻增加，磁力线穿过表面暴露在空气中形成漏磁场，缺陷越大，漏磁场强度越大，吸收磁粉越多，形成凸起即磁痕。用于核反应堆压力容器的检测上，主要是将核反应堆压力容器置于一个磁场环境，使得压力容器被磁化，若压力容器表面存在裂纹等缺陷，磁力线不能通过，只能从缺陷周围绕过，从而形成局部磁极，再通过在压力容器表面撒上磁粉的方式，磁粉收到局部磁极的吸引，堆积在局部磁极周围，就可以很容易看出压力容器上的缺陷位置以及缺陷的形状。

磁粉检测技术用于检测铁磁性材料表面及近表面裂纹、折叠、夹层、夹渣等方面，如铁磁性材料制板材、复合板材、管材、锻件、铁磁性材料对接焊接接头、T型焊接接头以及角焊缝。磁粉检测能快速检测缺陷且灵敏度高，可发现细小裂纹及其他缺陷，但该检测技术只适用于铁磁性材料，而且工件的形状和尺寸有时对探伤有影响。但是磁粉检测的方式只能用于检测压力容器表面或是近表面的缺陷，在检测压力容器内部缺陷时则应选用其他检测方式。

2.4 渗透检测技术

渗透检测利用渗透液和显像剂，在缺陷处显色来确定表面开口缺陷的未知数、尺寸和形状。在零件表面喷涂含有荧光或红色渗透液，液体渗入缺陷，去除后喷涂显像剂，在光源照射下缺陷处会显色从而得到检测。

渗透检测可有效用于除疏松多孔性材料外的任何种类的材料，如钢铁材料、有色金属材料、陶瓷材料和塑料等材料的表面开口缺陷。随着渗透检测方法在压力容器检测中的广泛应用，必须合理选择渗透剂及检测工艺、标准试块及受检压力容器实际缺陷试块，使用可行的渗透检测方法标准等来提高渗透检测的可靠性。该方法检测灵敏度高，缺陷显示直观，可检测的缺陷范围广，操作简单，对形状复杂的部件一次操作就可大致做到全面检测。适合大批量工件的检测，但只能检测出材料的表面开口缺陷，对埋藏或闭合的表面缺陷无法检出，不适用于多孔性材料，对工件有污染，而且时间长了显示痕迹会挥发。

2.5 涡流检测技术

涡流检测方法是工业上常用的另一种无损检测方法，根据压力容器的形状和检测的目的，可选用穿过式、探头式、插入式三种线圈方式，涡流检测技术基于电磁感应基础，利用电磁特性的变化，推算管道壁厚损失情况。该技术利用电磁感应原理，对工件施加交流磁场产生感应涡流，当工件内存在缺陷，缺陷处相当于产生一个等效电流源，在空间产生扰动磁场发生变化，涡流检测仪根据阻抗变化识别缺陷。

在检测过程中，涡流线圈不需要直接与压力容器接触，检测过程速度快，自动化程度高。涡流检测适用于检测各种导电金属材料制承压设备表面和非金属材料的表面及近表面缺陷，能确定表面及近表面缺陷的位置和相对尺寸。但是，涡流检测的缺点在于，它无法检测埋藏较深的缺陷，不适合形状复杂的工件检测，不能显示图形，无法判断缺陷形状，且检测结果可能会受到材料本身或是周围环境等其他因素的干扰。涡流检测主要用于换热器换热管的腐蚀状态检测和焊缝表面裂纹检测。远场涡流检测对于碳钢、不锈钢和镍合金等铁磁材料非常有效。

2.6 磁性自适应检测技术

磁性自适应检测是近年推出的一种稳健的检测方法，具有多参数、高灵敏度。磁性自适应检测的主要优缺点在于该方法基于测量的小型磁滞回线，通过计算，用于表征样品的磁性描述符。和机械测量可能带来的破坏性以及涡流测量的结果不一样，非破坏性的磁性自适应检测可以得到线性的、低散射值的敏感的相关性。通过对磁性自适应检测参数的选用，所得的测量结果可能与涡流测量的结果有一些区别。在非破坏性的反应堆压力容器检测问题上，使用磁性自适应检测方法检测铸铁或其他磁性物质的破坏是一种很有前景的检测方式。

3 核反应堆压力容器制造工艺及检测方法存在的问题

针对以上几个研究方向的一些研究成果而言，在核反应堆压力容器制造工艺的研究中，由于影响因素较多，不同研究考虑的因素各有侧重，今后的研究应多考虑各个因素的影响，综合实际生产中的各个问题，是制造工艺更加符合实际应用的需求；而在核反应堆压力容器检测方法的研究上，由于检测方法的多样性，除了对检测方法的选择之外，也应该充分考虑实际生产的要求，从而保证检测的效果。

从制造工艺和检测方法需求产生以来的实践表明，制造工艺的分析和检测方法的不断丰富都为核反应堆容器的发展起到了促进作用，但由于制造工艺和检测方法的多样性，也显示出在某些方面存在的局限性。如何得到一种更为合适、全面覆盖的制造工艺及检测分析方法都将是我们今后研究的课题。

4 结语

核反应堆压力容器的制造工艺和检测方法的正确性和有效性通常需要经过实际生产过程进行验证。现有的核反应堆压力容器制造工艺能够满足现在实际生产的需求。而从检测方法上看，不同的检测方式在核反应堆压力容器的检测上都有相应的优势。但我们还应该充分考虑实际生产中的众多影响因素，从而找出更加合适、更能满足生产需求的检测方法。

经过四十多年的发展，核承压设备的制造工艺和检测方法都有了很大的进步，各个检测方式也更加成熟。实践证明，在分析核承压设备中的核反应堆压力容器问题上，以上检测方法有着一定的优越性。但是，不可否认，它们也存在一些局限，这些都需要在以后的研究工作中不断改进。

［1］ 郭君.核反应堆压力容器的大件运输方案设计［D］.大连：大连海事大学，2003.

［2］ 王莉莉，陈书贵.应用退火工艺延长核反应堆压力容器的使用寿命［J］.大型铸锻件，1994（1）：10.

［3］ 蒋晓华.反应堆压力容器下封头三维流场计算［J］.核动力工程，2002（2）：49－53.

［4］ 吴祖乾，顾永康.核反应堆压力容器主焊缝和不锈钢堆焊层特殊性能研究［J］.压力容器，2000（5）：15－22.

［5］ 李润方，林腾蛟.反应堆压力容器局部三维冷热态密封分析［J］.机械工程学报，1993（6）：104－108.

［6］ 陈书贵.核电站反应堆压力容器用钢和制造工艺［J］.大型铸锻件，1994（2）：25－34.

［7］ 刘洪杰.核电站核承压设备用钢剖析［J］.东方锅炉，2008（4）：23－27.

［8］ 郑斌，臧峰刚，孙英学.反应堆压力容器承压热冲击分析研究［J］.核动力工程，2012（1）：1－3.