2MWt液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆無縫管目視檢驗(yàn)缺陷特征分析

王子赟 陶良海 張斌學(xué) 岳民杰

摘 ?要：釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（簡稱TMSR-LF1）熔鹽堆作為第四代先進(jìn)反應(yīng)堆的6個(gè)候選堆之一，具有釷高效利用、高溫制氫、無水冷卻、適合小型模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)和潛力。簡單介紹2MWt液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆的特點(diǎn)，針對(duì)核燃料的特殊性質(zhì)提出對(duì)反應(yīng)堆材料的要求，介紹包括2MWt液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管在內(nèi)的無縫管的制造工藝和設(shè)備功能，重點(diǎn)闡述在制造、運(yùn)輸過程中目視檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的各種常見典型缺陷和各缺陷特征，分析產(chǎn)生這些缺陷的原因。

關(guān)鍵詞：釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆無縫管 ? 熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管 ? 目視檢驗(yàn) ? 缺陷特征分析

中圖分類號(hào)：TL411 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（簡稱TMSR-LF1）是中國科學(xué)院首批啟動(dòng)實(shí)施的戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)之一，作為一種利用熔融態(tài)混合鹽作為核燃料載體和冷卻劑的裂變型反應(yīng)堆，具有高熱效率、固有安全性和可模塊化等諸多優(yōu)勢(shì)[1]。

在2MWt液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（TMSR-LF1）中采用熔融態(tài)氟化物混合鹽作為核燃料載體和冷卻劑，由于熔鹽熔點(diǎn)高、腐蝕性強(qiáng)，在TMSR-LF1普遍采用UNS N10003合金無縫管用于介質(zhì)的運(yùn)輸[2-3]。例如：熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管，熔鹽-熔鹽換熱器是反應(yīng)堆最為關(guān)鍵的主要設(shè)備之一，該熔鹽-熔鹽換熱器依靠二次側(cè)進(jìn)出口接管作為支承安裝于堆容器內(nèi)，是TMSR-LF1系統(tǒng)中重要傳熱設(shè)備，其功能不僅是將堆芯產(chǎn)生的熱量通過一回路熔鹽傳遞給二回路熔鹽，同時(shí)該換熱器傳熱管還作為一回路熔鹽壓力邊界，起到包容放射性物質(zhì)、耐高溫、抗腐蝕的作用。

1 ?目視檢驗(yàn)定義

目視檢驗(yàn)是指用人的眼睛或借助于某種目視輔助器材對(duì)被檢件進(jìn)行的檢驗(yàn)。檢測(cè)表面缺陷和異常的無損檢測(cè)方法，包括直接目視和間接目視兩種方法[4]。

熔鹽-熔鹽換熱器的直接目視法是直接使用人眼或借助6倍以下放大鏡進(jìn)行檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)換熱管外表面、管端以及內(nèi)表面目光可達(dá)處的缺陷。間接目視檢驗(yàn)可以輔以各種反光鏡、內(nèi)窺鏡、照相機(jī)或其他合適的儀器，這些系統(tǒng)的分辨能力應(yīng)至少應(yīng)和直接目視檢驗(yàn)相當(dāng)。熔鹽-熔鹽換熱器的間接目視法主要是借助內(nèi)窺鏡對(duì)換熱管內(nèi)表面進(jìn)行檢驗(yàn)[5-6]。

2 ?目視檢驗(yàn)常見缺陷

在TMSR-LF1中無縫管的應(yīng)用較為普遍，在此簡單列舉熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的制造工藝，熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管由鋼棒通過擠壓/穿孔的熱加工方式和冷軋/冷拔、熱處理、矯直、切管、酸洗等工序成為半成品，再由尺寸規(guī)格為Ф13.72×1.65mm的UNS N10003合金直管彎制而成，彎曲角度180°，設(shè)計(jì)溫度700 ℃，設(shè)計(jì)壓力 0.45 MPa，換熱管成U型。

TMSR-LF1無縫管在完成設(shè)計(jì)制造及出廠檢驗(yàn)后需要經(jīng)過長距離的運(yùn)輸，設(shè)備受運(yùn)輸條件影響較大，制造工藝的影響相對(duì)較小。目前在設(shè)備驗(yàn)收及安裝過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷主要分為七類，具體缺陷類型、特征、原因分析如下。

（1）劃痕：是指在包裝、運(yùn)輸及機(jī)加工過程中的機(jī)械損傷。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的劃痕缺陷在內(nèi)窺鏡圖像中表征受反射光線與觀察角度的不同主要表現(xiàn)為沿管路縱向亮線或暗線。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管劃痕缺陷產(chǎn)生的主要原因?yàn)檫\(yùn)輸過程中設(shè)備與硬質(zhì)金屬塊受力而使管表面產(chǎn)生缺陷，缺陷形式如圖1所示。

（2）凹坑：是指由于軋制過程雜質(zhì)或氧化皮剝落等原因出現(xiàn)低于材料表面的地方，嚴(yán)重低于材料規(guī)定厚度的負(fù)公差。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的凹坑缺陷目視檢驗(yàn)中的表征為形狀不規(guī)則，輪廓清晰，表面低于母材本體，且有一定的深度。間接目視內(nèi)窺鏡圖像中凸起多呈現(xiàn)白色反光，凹陷呈現(xiàn)深色，仔細(xì)觀察有明顯深度感。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的凹坑缺陷產(chǎn)生的主要原因?yàn)楣芘c硬金屬介質(zhì)發(fā)生碰撞或者擠壓。缺陷形式如圖2所示。

（3）裂紋：產(chǎn)生的原因與材料特性、制造溫度、軋制時(shí)過度形變等工藝選擇不當(dāng)有關(guān)，也可能是多種因素共同作用的結(jié)果。裂紋一般呈不規(guī)則細(xì)線，端部尖，無明顯開口，有些有深度感。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的裂紋缺陷在內(nèi)窺鏡圖像中多呈現(xiàn)為一種斷續(xù)的暗線或亮線。

（4）腐蝕：酸洗時(shí)間長，酸液濃度過高都有可能產(chǎn)生腐蝕缺陷。表面出現(xiàn)明顯腐蝕產(chǎn)物，多突出于產(chǎn)品表面，并呈現(xiàn)出明顯凹凸不平，清除后表面一般留有腐蝕坑。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的腐蝕缺陷在內(nèi)窺鏡圖像中呈現(xiàn)面積狀酸蝕。

（5）銹斑：是指水壓試驗(yàn)后，未及時(shí)清除殘留水，被鐵離子污染后形成的鐵銹，酸洗除去后銹跡消失，表面無明顯損傷。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的銹斑缺陷表征主要為形狀不規(guī)則，表面粗糙且發(fā)黃成片聚集。

（6）折疊：是指管材拉制時(shí)產(chǎn)生的裂紋或擦傷等缺陷，后續(xù)的軋制中被翻折到金屬表面壓平以后形成。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的折疊缺陷在內(nèi)窺鏡圖像中表征為亮暗交錯(cuò)的一條直線，明顯有一層金屬折疊在表面。

（7）異物：異物多為金屬加工屑等，當(dāng)管道內(nèi)殘留有油等液體時(shí)，金屬加工產(chǎn)生的碎屑會(huì)大量殘留。異物一般存在于管道內(nèi)部的彎曲、死角處，位置不固定，有時(shí)會(huì)隨著產(chǎn)品移動(dòng)，對(duì)產(chǎn)品工作性能有害。TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的異物缺陷在內(nèi)窺鏡圖像中多為大小不一的白色反光亮點(diǎn)。

3 ?常見缺陷的處理方式

在TMSR-LF1熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的目視檢驗(yàn)中，對(duì)發(fā)現(xiàn)的以上表面缺陷在下述情況下應(yīng)采用非焊接方法進(jìn)行修整。

（1）當(dāng)劃痕、凹坑類缺陷可以通過機(jī)械加工方法消除且不影響最終尺寸時(shí)，可以對(duì)管件重新進(jìn)行機(jī)加工;（2）當(dāng)裂紋、折疊類缺陷位于坡口表面，在滿足尺寸公差的情況下，可以采用打磨的方法去除;（3）當(dāng)腐蝕、銹斑類缺陷程度較輕時(shí)，可以在不影響最終尺寸的前提下，采用局部堿洗、酸洗的方法去除;（4）異物類缺陷可以通過管道吹掃或使用不掉毛的潔凈軟布進(jìn)行清理。

采用非焊接方法修整的缺陷，最終整修部分應(yīng)該圓滑，與周圍表面相接應(yīng)無棱角，接合斜率最大為0.25。

4 ?結(jié)語

由于2MWt液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆的特殊性，使熔鹽-熔鹽換熱器傳熱管的要求較高。傳熱管制造過程復(fù)雜，管材壁厚較小，可能產(chǎn)生的缺陷種類較多，各種缺陷特征不盡相同。所以，在設(shè)置目視檢驗(yàn)點(diǎn)時(shí)應(yīng)合理安排，盡量將目視檢驗(yàn)置于易產(chǎn)生缺陷的工序之后，檢驗(yàn)人員在掌握各種缺陷的特征和驗(yàn)收等級(jí)的同時(shí)應(yīng)考慮目視檢驗(yàn)的局限性，除工件表面的宏觀缺陷外，還應(yīng)使用滲透檢驗(yàn)、渦流檢驗(yàn)在附以超聲波檢驗(yàn)等方法覆蓋部分表面細(xì)小缺陷及內(nèi)部缺陷。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：王子赟（1992—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)殁Q基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆操作運(yùn)行。