陆达1，陆荣2，刘佳河3
1．沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，沈阳 110869；2．辽宁生态工程职业学院，沈阳 110122，3．安徽应流霍山铸造有限公司，六安 237200
摘要：CAP1000反应堆冷却剂循环泵叶轮是核主泵中最为关键的部件，耐久试验运行后以确保水力性能试验对核主泵叶轮不产生质量影响，采取液体渗透检测手段针对核主泵叶轮进行质量验证。
关键词: CAP1000；反应堆冷却剂循环泵；耐久试验；渗透检测; 溶剂去除型; 质量验证;
中途分类号： TG115.28 文献标识码：A
Liquid penetrant testing technology after durability test of cap1000 nuclear main pump impeller
Lu Da1，Lu Rong2,Liu Jia He3
1．Shenyang blower group nuclear pump industry co., LTD，Shenyang 110869，China；2．
Liaoning Vocational College of Ecological Engineering ，Shenyang 110122，3．Anhui Yingliu Huoshan Foundry Co., Ltd ，Liuan 237200，China) lleg
Abstract: CAP1000 reactor coolant circulating pump impeller is the most critical component of the main nuclear pump. After the operation of the endurance test to ensure that the hydraulic performance test does not affect the quality of the main nuclear pump impeller, the liquid permeability test method is adopted to verify the quality of the main nuclear pump impeller.
Key Words：reactor coolant circulating pump; Endurance test; Penetrant detection; Solvent removal type ; Quality verification;
1.前言
CAP1000反应堆冷却剂循环泵（简称核主泵）作为压水堆核电站一回路系统的关键设备之一，被誉为反应堆冷却系统的心脏，是三代核电自主化发展的重要节点。CAP1000核主泵是主回路中唯一能动部件，该泵由水力部件和电机部件两部分组成（图1）。
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水力部件主要是由泵壳、叶轮和导叶等零部件组成的混流立式泵，叶轮为闭式叶轮是核主泵中重要的能量转换部件，是最为关键的部件之一，属于非承压边界部件。其结构由7枚叶片组成，（图2）不仅具有复杂曲面特征,还具有深流道、窄空间的特性。
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叶轮材料牌号为ASTM 743 CA6NM马氏体不锈钢，采用熔模铸造工艺，其铸造工艺要求高，难度大，浇注过程中极易产生缺陷。在制过程中需进行射线检测、液体渗透检测。CAP1000主泵设计寿命为60年，叶轮在高温高压环境下运行旋转亿万次，对气蚀、裂纹等缺陷的检测就变得尤为重要。为验证主泵水力部件叶轮的性能，需要在多阶段进行试验如：1.性能试验：冷，热态性能试验、温升和电气平衡试验、热态绝缘电阻试验。2.运行循环试验：热态循环试验、压力脉动试验、正转运行试验、反转运行试验。3.汽蚀余量试验与惰转试验。质量人员需要对关键试验操作过程和记录情况以及最重要的试验后水力部件的拆卸检查、针对叶轮及叶片进行无损检测，以确保水力性能试验对叶轮不产生质量影响。试验后对叶片包括圆角和钻孔及攻丝孔除外所有加工后的表面及叶片（压力和吸入侧）整个入口、出口的向内50mm (2英寸)，包括前后盖板结合处的圆角，依据ASTM E-165进行液体渗透检测。
2.液体渗透检测原理及适用范围
2.1液体渗透检测原理
液体渗透检测利用液体的毛细管作用，将溶有荧光染料或着色染料的渗透液施加到零部件表面，渗透
液渗入到细小的表面开口缺陷处，清除附着在工件表面的多余的渗透液，经干燥后再通过显象剂将渗入的渗透液吸出到表面，形成放大的缺陷显示，即可检测出缺陷的形貌和分布状态。
2.2液体渗透检测适用范围
液体渗透检测适用于检测非吸收性固体材料表
面开口缺陷，因此被广泛应用于铸件、锻件、焊接件、
各种机加工的零部件及陶瓷、玻璃、塑料、粉末冶金等；对不能进行磁粉检测的铝合金、镁合金、钛合金、奥氏体不锈钢、玻璃钢等非磁性材料，可以进行液体渗透检测。另外有些铁磁性材料制造的零件，由于零件的几何形状、尺寸的关系不适合进行磁粉测，也被液体渗透检测所替代。液体渗透检测可以发现裂纹(铸件裂纹、磨削裂纹、疲劳裂纹、焊接裂纹)、气孔、夹杂(铸件或钢锭中的非金属夹杂、铸件表面夹杂、铸件表面的氧化皮)、疏松、折叠、分层、冷隔、未融合、未焊透等缺陷；但是不适用于检测表面是吸收性的材料或零件、也不适用于检测因外界因素(表面经喷砂或喷丸处理)造成开口被堵塞的缺陷及零件内部的缺陷。
3.核主泵叶轮耐久试验运行后液体渗透检测方法选择
各种渗透检测方法都有各自的优缺点，实际选用时应根据零件的大小和形状、数量和重量、零件的表面粗糙度和预检测缺陷的类型、检测灵敏度及水、电、气、检测场地的大小以及检测费用等因素综合考虑。上述因素中最重要的是为保证检测灵敏度，足够的灵敏度才能确保产品的检测质量，但是并非在任何情况下都要选择最高检测方法。CAP1000核主泵叶轮耐久试验运行后的液体检测方法采用IIC-D(溶剂去除型)着色渗透检测。
4.渗透检测实施
液体渗透检测人员应取得符合生态环境部6号令《民用核安全设备无损检验人员资格管理规定》和NB-5500规定的资质。
渗透检测材料应依照ASME规范第V部分，第6款的强制附录II中II-641与642的规定，当检查奥氏体钢，双相不锈钢或者钛钢时候，所有材料要逐个的进行氯和氟含量的分析。氯和氟含量之和不能超过总质量的1%，当检查镍基合金的时候，所有材料要逐个的进行硫含量的分析,硫含量不能超过总质量的1%。另需符合制造、清洁、包装过程中的防异物污染控制要求，制造商要提供每批药剂检测的合格证书。
溶剂去除渗透检测适用于表面光滑零件的检测，特别是大零件的局部检测，也适用于非批量的检测和现场检测。溶剂去除型着色渗透剂应用广泛，且多装在压力喷灌中使用。溶剂去除型着色渗透剂通常采用低粘度易挥发的溶剂作渗透溶剂，故具有很快的渗透速度，渗透时间较短。因此溶剂去除型着色渗透检测法是渗透检测中应用较为广泛的一种方法，其检验工艺为：（图3）
图3渗透检测的基本操作步骤
在检测过程中要控制同一型号材料的对应性，以便保证其组合性能的稳定性。液体渗透检测中的渗透剂、清洗剂、显像剂三种材料在使用应相互匹配。在使用中要采用同一生产厂家的配套产品，不同厂家的混用可能各种材料都符合要求，但是之间不能相混匹配，从而导致检测结果的灵敏度降低或失效。
4.1表面准备和预清洗
表面准备是指零件在渗透检测前的表面清理，包括清理铁屑、铁锈、毛刺、氧化皮、熔渣等表面污染。
预清洗是渗透检测的第一道工序，用来去除零件表面油污类的表面污染。渗透检测前必须清除被检表面污物，因为这些表面污染的存在会产生下列影响：
(1)阻止渗透剂渗入缺陷，甚至阻塞缺陷；
(2)渗透剂渗入缺陷后，与缺陷中的油污混合，使显示的颜色强度降低；
(3)渗透剂容易保留在零件上有油污的地方，可能将这些部位的缺陷显示掩盖；
(4)渗透剂容易保留在零件上的毛刺、氧化皮等部位，而产生虚假显示。
零件表面上水的污染是极其有害的。大部分渗透剂与水是不相溶的，在缺陷处或缺陷中的水分将严重地阻碍渗透剂的渗入，因此应进行吹扫、蒸发干燥对检测区域的水分进行去除。保证被测部件表面和临近焊逢25 mm的区域保证干洁、干燥是对渗透检测的重要前提保障。
4.2渗透
渗透是指渗透剂覆盖零件进行润湿。覆盖的方法可用喷涂、刷涂、流涂、静电喷涂或浸涂等。根据零件的大小、形状、数量和检测部位来选择合适的方法。不论采取哪种方法都要保证被检部位完全被渗透剂覆盖，并在整个渗透时间内保持湿润状态。渗透时间按照ASME SE-165 1998版至2000增补执行，被测工件表面和渗透剂不能低于10℃也不能高于50℃，如果温度达不到要求，那么通过使用对比试块验证，在高温条件下应选用高温渗透剂进行检验。应符合ASME规范，第V部分，第6章附录III要求（图4）。
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渗透工艺参数的确定需要用检测前工艺对比试验来确定，按照基本的工艺参数，将铝合金淬火裂纹试块（A型试块）和所有使用材料都调整到预定温度后，将拟采用的检测方法及标准方法进行对比，比较两种方法所显示的迹痕，当两处显示的迹痕基本相同时，则对所采用的方法进行了鉴定。
4.3去除表面多余渗透剂
去除表面多余渗透剂要求从零件表面上去除所有的渗透剂，又不能将已渗入缺陷中的渗透剂清洗出来，从而保证在得到合格的背景前提下，取得最高的检测灵敏度。在去除或擦除渗透液时，要防止过清洗而影响显示效果。采用薄型无毛卫生纸或不掉毛的布蘸清洗剂沿同一方向擦除直至将受检表面上的多余渗透液全部擦净。但是必须注意的是，不允许用清洗剂直接冲洗受检表面，因为流动的溶剂会冲掉缺陷中的渗透液；同时在擦拭过程中不得向各个方向反复擦拭。
4.4显像
显像过程是从缺陷中吸出渗透剂的过程。非水湿显像大多采用压力喷灌喷涂。喷涂前摇动喷灌中的搅拌球使显像剂均匀，在确认干燥的表面上施加显像剂。喷涂时应保持喷嘴到检测表面间的距离大约300mm，以在表面上形成一个薄而均匀的显像剂层。注意不要过多地喷涂显像剂，否则会掩盖微小的缺陷显示。显像时间要足够，但又不能太长，否则缺陷显示会变得模糊（图5）。
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4.5显示解释
显示的解释是指对观察到的显示痕迹进行研究分析。观察应在在白光下进行观察，光强度要足够，为确保检测细微的缺陷，被检零件上的可见光照度应至少达到 1000 Lx(勒克斯)。确定产生这些显示的原因，即确定所观察到的显示究竟是真实缺陷引起，还是由零件结构或表面未清理干净而残留的渗透剂引起的非相关显示。
相关显示是由缺陷（裂纹、气孔、夹杂、折叠、分层等缺陷）引起的迹痕显示。按显示图形可分为线形显示、断续线形显示、圆形显示及密集形显示四类典型的真实缺陷显示（图6）。线形显示为缺陷显示的长度和宽度的比值大于3。缺陷长宽比小于3的显示为圆形显示。
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非相关显示是指由加工工艺或工件外部原因等因素、工件的结构等原因、与工件缺陷无关等因素而引起的显示，如定位时的样冲孔，刻痕、标记等；虚假显示是指由于渗透检验时操作不当，渗透剂污染或表面未清洗干净而残留的渗透剂、清洗剂等所引起的显示。
5缺陷评定
叶片包括圆角和钻孔及攻丝孔除外所有加工后的表面。
5.1核主泵叶轮加工面拒收条件按照以下执行
1) 线性显示：对于任何小于16mm（5/8英寸）厚的材料显示大于1.6mm (1/16英寸)：对于16mm（5/8英寸）到50mm（2英寸）以下厚度的材料显示超过3mm（1/8英寸）长：材料厚大于、等于50mm（2英寸）的，显示长超过4.8mm（3/16英寸）的；
2) 圆形显示：对于厚度小于16mm （5/8英寸）圆形显示大于3mm（1/8英寸），以及厚度在16mm（5/8英寸）以上而显示大于4.8mm（3/16英寸）；
3) 对于在同一条直线上4个或4个以且间隔1.5mm,或边到边更少，主要尺寸大于1.6mm(1/16英寸)线性显示和圆形显示；
4) 凡在显示最密集部位的任意面积为3871 mm2（6平方英寸），该面积的主要尺寸不大于150 mm（6平方英寸）的区域内有10个或更多个显示,可作为最不利定位的相关显示来评定。
5.2核主泵叶轮入水口、出水口的向内50mm (2英寸)，前后盖板结合处圆角的拒收条件按照以下执行
1)不允许有大于1/16英寸（1.6mm）的线性或圆形显示。液体渗透报告上要记录液体渗透检测的所有显示的位置和尺寸，为了确定显示的尺寸，去除表面上的显像剂和渗透剂。
2)对超过1/16英寸（1.6mm）的所有显示进行目视检测，已确定缺陷尺寸，液体渗透和目视检测后发现的任何超过1/16英寸（1.6mm）的不连续性（裂纹）都应记录在不符合项报告中，如发现液体渗透显示但目视检测判定不连续性小于1/16英寸（1.6mm），那么可接受此显示，并在液体渗透报告中注明。
6.检验结果与结论
通过以上检验，在2个叶片的重点检查部位发现了以下缺陷显示
6.1 CAP1000核主泵叶轮所有加工后的表面未发现缺陷显示。
6.2 CAP1000核主泵叶轮前后盖板结合处圆角无缺陷显示；叶片入水口向内50mm (2英寸)5#叶片、6# 分别发现缺陷显示：
5#叶片①入水口向内30mm，距后盖板85mm处发现圆形显示直径约?1.4mm；②进水口向内33mm，距后盖板84mm处发现圆形显示直径约?1.5mm（图7）。
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6#叶片①进水口向内37mm，距后盖板109mm处发现圆形显示直径约?1.2mm；②进水口向内38mm，距后盖板121mm处发现圆形显示直径约?1.8mm（图8）。
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根据验收标准对超过1/16英寸（1.6mm）的显示进行目视检测，确定6#叶片2号缺陷尺寸为1.3mm，所以此缺陷可以接受。
7.结束语
通过CAP1000反应堆冷却剂循环泵叶轮耐久试验后的液体渗透检测证明，采用溶剂去除型渗透探伤方法对检测叶轮加工面、叶片（压力和吸入侧）整个入水口、出水口，与前后盖板结合处的圆角是一种简便、实用和可靠的方法，可有效检出有效消除设备的重大隐患，确保核主泵的安全稳定运行。
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作者简介:陆达(1974 - ) ,男,辽宁沈阳人，汉族，工程师,主要从事无损检测方面的工作。