在役檢查缺陷評價方法

夏 朋

（蘇州熱工研究院有限公司,廣東 深圳 518026）

在役檢查缺陷評價方法

夏 朋

（蘇州熱工研究院有限公司,廣東 深圳 518026）

缺陷評價是核電站在役檢查中非常重要的一項活動。對于經過無損檢測的缺陷，必須經過確定的“缺陷評價”方法的一整套操作，以鑒定和分析偏差工況，確認是否存在真實缺陷，選擇最優的處理方案。根據RSEM和RCCM，確定了一套缺陷評價方法，包括缺陷評價步驟、記錄閾值、評判閾值、驗收標準以及缺陷評價力學分析，為在役檢查人員進行缺陷評價提供了參考。

缺陷評價；驗收標準；力學分析

0 引言

核電站與常規電站一樣, 有著眾多的管道、容器及熱交換器等機械部件和設備, 在其制造、安裝及運行中必須進行相關的無損檢測來驗證或確保其現有的安全狀態與設計標準相符或滿足設備繼續運行的安全準則的需求[1]。

隨著清潔能源的大力發展, 在運核電站的數量增加很快, 而其運行時間的不斷累積, 使設計、制造、安裝及運行管理中的問題逐漸產生和暴露, 導致事故的發生[2]。限于核設備的使用狀況, 不可能對所有含有缺陷的核設備進行更換或返修, 因此, 針對壓力管道的結構及受載特點, 建立科學而適用的核電站在役檢查缺陷評價規程, 對核設備缺陷進行安全評定, 有重要的理論意義和實用價值。

1 缺陷評價步驟

缺陷評價是核電站在役檢查的核心環節，所有超過記錄閾值的顯示都要經過確定的“缺陷評價”方法的一整套操作。

處理過程包括以下四個主要階段：

——顯示識別；

——偏差分析；

——選擇或生效處理方案；

——實施處理方案。

1.1 顯示識別

如果達到或超過記錄閾值，應進行顯示識別，其目的是確認顯示的存在以及其物理特性（位置、大小、幅度等），并與上次檢驗結果進行比較。通過與上次檢驗的比較，可確定顯示是否是新產生的，或與以前相同，或已經消失，或產生了顯著變化。

如果顯示是物理缺陷，或不是偽顯示，則認為設備處于偏差狀態，應進一步進行偏差分析，然后要制定偏差處理文件，還應要求專項監督。如果導致制定偏差文件的顯示的參數在連續兩次檢查期間都沒有確認時，則可關閉偏差處理文件，并且不再要求后續監督。

偏差文件的打開預示著分析進入下一流程，即偏差分析。

1.2 偏差分析

本階段的目的是確認真實缺陷的存在，包括缺陷的特征（類型、性質、來源、位置、大小等）以及缺陷潛在擴展性分析，同時也包括危害性評價、設備狀況、設備和人員安全評述以及維修和后續監督的可能性。

在進行分析之前，應首先準備好下述文件：

——以前相同起因的偏差處理文件；

——證明對目前分析可能有幫助的、包含相似案例的偏差處理文件；

——可能改進和簡化分析程序的一致性文件。

（1）缺陷評判。應進行如下工作：

——確定是否存在真實的物理缺陷；

——通過表面、體積等檢查確定缺陷為線性或非線性；

——確定缺陷性質（裂紋、未熔合、溝槽、縮孔、幾何形狀問題、沖擊缺口、撕裂）；

——確定可能的起源（制造、安裝或在役）；

——在測量誤差范圍內確定缺陷的位置、尺寸、方向，如若難以確定則應確定缺陷的包絡幾何特征。

——確定給定緊鄰區域是否存在缺陷及其數量。

缺陷評判應基于顯示評判的結論，以及必要的金相檢驗或在結構模型體上進行的力學試驗。

（2）缺陷擴展分析。僅憑無損檢驗發現的缺陷無顯著變化的事實，并不能得出缺陷不會擴展的假設，分析仍取決于缺陷涉及的設備和缺陷在結構中的位置。缺陷擴展假設分析的目的如下：

——確定是否進行缺陷危害性定量定性分析或擴展動力研究；

——確定后續監督的內容和周期；

——選擇偏差解決方案。

對于通過無損檢驗得出的缺陷，如若不置可否，任其在設備運行過程中繼續擴展，最終導致設備破損斷裂，產生嚴重的事故，造成重大的人員財產損失。如若不對缺陷進行分析就更換設備，同樣會對經濟效應產生重大的影響。因此，有必要對缺陷進行擴展分析，確定其是否會發生裂紋起裂，是否會擴展，在下個檢驗周期內的擴展量，以最終確定是對設備進行立即更換，還是延遲更換或是保持現狀，繼續使用。

如若相關顯示出現了顯著變化；或是根據缺陷特征和其可能起因的物理現象，可以懷疑缺陷在其初始出現后已經擴展，或在后續運行中將擴展；又或是對于涉及的設備及其應力狀態，在危害性定性分析時對缺陷擴展風險評價可以懷疑因為性質和位置的關系缺陷可能擴展，則認為存在缺陷擴展。

（3）缺陷危害性評價。目的是為了評價構件中是否存在缺陷和其可能的擴展對于部件的完整性的危害。其關注的重點在于現在到將來某一規定的時間段。危害性評價是對缺陷特性的研究，即對失穩和裂紋擴展風險的研究。其包括系統性缺陷特性定性評價、不同類型缺陷特性定量分析系統性的評價以及對設備、人身、財產安全的影響分析。

（4）部件狀況評價。部件狀況評價以缺陷評判、擴展假設、力學特性分析（裂紋擴展和失穩）為基礎，旨在揭示復合損傷，以及快速擴展，或隨機擴展的動力。通過評估局部或整體修理的風險，以決定是否進行局部或整體部件更換。

（5）裝置安全及人身風險評價。根據裝置安全分析報告和設備的安全分級，確定失效部件安全后果分析的內容和范圍，在分析中應考慮在偏差處理中遇到的缺陷、缺陷的危害性、預防和降低危害的措施。如若懷疑缺陷穿透了管壁，則應確認泄漏對裝置安全性評價的影響。

1.3 選擇和生效處理方法

本階段幫助運營單位確定處理方法，其依據前面階段獲取的信息而展開。其包括不同處理方法的評估以及分析所設想方法的后果。

在偏差分析之后，應選擇偏差解決方案。進行方案選擇時，應同時考慮按照偏差得出的結論以及部件的RSE-M級別。主一回路和主二回路部件應完全執行這些準則。對于其它部件，準則的執行根據部件對于裝置安全、人員和財產安全的影響來確定。

當裂紋擴展或失穩風險很高，應選擇立即修理或延后擇時修理的方案對偏差進行處理，在缺陷的可能起源追溯為裝置運行條件時尤應如此；如果不存在偏差擴展的可能性，偏差可不做處理而原樣接受。如果準備延后擇時修理，該決定應同時得到缺陷力學特性定量分析和缺陷擴展動力研究的論證。

1.4 修理方案的執行

修理方案包括：

——原樣接受；

——永久修理；

——延遲修理；

——臨時修理。

2 相關閾值

缺陷評價過程中的閾值包括記錄閾值、評判閾值以及擴展閾值。

2.1 記錄閾值

顯示的記錄閾值是一個測量參數值，超過這個值應進行處理。依據的檢查方法和檢查區域不同，記錄閾值也不相同。

（1）超聲檢驗記錄閾值

根據RSEM（核電廠核島機械設備在役檢查規則），使用2 MHz的標準探頭，與參考回波相比，如下回波高度的顯示須記錄：

——對主一回路部件的檢查，大于或等于參考反射體回波幅度的25%；

——其他系統部件的檢查，大于或等于參考反射體回波幅度的50%；

——在適用不同的規程（探頭，參考反射體，等），應采用與靈敏度等級相對應的記錄閾值。

（2）射線檢驗記錄閾值。對于射線檢驗方法，所有大于或等于4mm的顯示，無論是否與物理缺陷相關，均應記錄。

（3）滲透檢驗記錄閾值。

——單道密封焊縫（如射線檢測孔塞等）、異種金屬焊縫和密封面：所有滲透檢測的顯示均應記錄。

——多道密封焊縫和其他區域：所有長度大于2 mm的顯示均應記錄。

（4）磁粉檢驗記錄閾值。檢測區域內所有大于2mm的顯示均應記錄。

（5）目視檢驗記錄閾值。以下顯示應予以記錄：

——機械異常，例如斷裂、松動或零件缺失；

——任何外來異物；

——明顯的變形，包括沖擊造成的變形；

——泄漏、滲漏或硼結晶的痕跡；

——缺陷外表痕跡，例如紅褐色、氧化層、沉積物、氧化皮或其它明顯的污染。

2.2 評判閾值

顯示的評判閾值的設定通常大于或等于對應的記錄閾值。當測量值超過評判閾值時，應實施其他檢測以評判該缺陷是真實的或是值得懷疑的。所依據的檢驗方法和檢驗部位的不同，則評判閾值也不同。

2.3 擴展閾值

擴展閾值是表述在先后進行的無損檢測中所測量參數的變化限制：

（1）表面檢驗：長度變化5mm；

（2）射線檢驗：下面兩個值中的較小者：

——長度變化：10mm或厚度的1/3；

（3）超聲檢驗；超過下列三種情況之一將視為顯著變化：

——幅值變化大于6dB；

——垂直于聲束軸線的尺寸變化：大于缺陷聲程處1.5倍聲束寬度，或大于1.5倍聚焦點尺寸；

——當采用TOFD技術時缺陷深度方向的變化：取決于探頭的頻帶，基于個案進行確定。

（4）渦流檢測。前后進行的檢驗顯示的變化滿足下述條件之一：

——幅值變化：≥30%；

——長度變化：大于或等于2倍的傳感器影響區域。

3 驗收標準

驗收標準是缺陷評價的重要階段，滿足驗收標準的要求，說明缺陷可以接受，設備可以選擇繼續運行，否則，應選擇修理方案。

對于平面型缺陷和體積型缺陷，所使用的驗收標準是不同的。

3.1 平面型缺陷的驗收標準

平面型缺陷根據其在設備中所處的位置可分為：

——平面型外表面缺陷；

——平面型埋藏缺陷；

——平面型內表面缺陷；

無論對于哪種類型的平面型缺陷，均可表征為長為L，深為A的橢圓或半橢圓缺陷。

對于引進法國技術的壓水堆核電站，不同的設備對應不同的驗收標準。

3.2 體積型缺陷的驗收準則

體積型缺陷的驗收準則如下：

（1）滲透檢驗。以下顯示均為不合格：

——最大尺寸大于4mm的圓形顯示；

——一條直線上的3個或超過3個顯示,并且顯示邊與邊之間的距離小于3mm；

——面積為100cm2的矩形框范圍內存在8個或以上顯示,矩形框應選擇在顯示最密集的區域且矩形框的最大邊長不大于20cm。

（2）磁粉檢驗。以下顯示均為不合格：

——大于4mm的非線性顯示；

——一條直線上的3個或超過3個顯示,其邊緣之間的距離小于3mm的顯示。

（3）射線檢驗。以下顯示均為不合格：

——直徑大于4mm的氣孔；

——直徑大于6mm的夾渣；

（4）超聲檢驗。最大允許長度不超過20mm。

4 缺陷評價中的力學分析

4.1 疲勞擴展分析

構件在交變載荷的長時間作用下發生失效的現象稱為疲勞。構件的疲勞破壞一般分為裂紋萌生、疲勞擴展、瞬時斷裂等幾個階段。構件承受交變載荷的每一循環之后，金屬局部就積累一定數量的微觀缺陷，累計到一定程度就會萌生疲勞裂紋，裂紋隨著交變載荷慢慢擴展，最后破壞。

缺陷擴展分析旨在研究缺陷擴展機理，確定缺陷在所考慮時間段內的擴展速率和擴展量，得出所考慮時間末期，以此來分析此缺陷是否會給設備安全性帶來影響。

缺陷擴展的分析應考慮下述三個時刻：

——設備開始服役的時刻0；

——實施分析的時刻t0；

——設計中所考慮的在役末期時刻tf。

計算公式見式（1）：

ΔK——應力強度因子變化幅值；

C，n——系數。

4.2 快速斷裂分析

對于大多數結構和零件來說，宏觀裂紋的存在是不可避免的。由于裂紋的存在，并且其擴展到一定程度，便會引起斷裂。快速斷裂分析即是研究設備在所處的工況下，是否會由于缺陷的存在而斷裂。

對于鐵素體鋼的部件，分析快速斷裂模式取決于所考慮缺陷部位的溫度T：

——T-RTNDT小于50℃時，脆性區域或過渡區域發生脆性斷裂；

——T-RTNDT大于50℃時，發生韌性斷裂。

4.3 塑性失穩分析

一次應力為直接參與和機械載荷平衡的應力類別。因此，在塑性變形的情況下，一次盈利還繼續存在，當一次應力超過材料的屈服極限時，會引起過度變形。為此，必須對一次應力加以限制以防止過度變形失效。塑性變形僅在過度變形之后才會發生，所以一次應力準則同樣保證無塑性失穩的危險。因此，可用許用應力強度來保證過度變形和塑性失穩之間具有足夠的安全裕度。

分析缺陷部件的塑性失穩風險，分析時應考慮因存在缺陷而導致減少的承載截面。

5 結語

本文根據RSEM(核電廠核島機械設備在役檢查規則)與RCCM(壓水堆核島機械設備設計建造規則)，給出了一套缺陷評價方法，詳細描述了針對缺陷的缺陷評價流程,驗收準則以及缺陷評價方法，給核電在役檢查從業人員進行缺陷評價提供了參考。本文給出的缺陷評價流程包括顯示識別、偏差分析、選擇處理方法、執行處理方案。本文給出的缺陷評價體系尚不夠完善，由很多地方有待改進。

[1]王慶武.核電站在役檢查探討[J].中國核電,2008(02):156-161.

[2]梅德松.關于核電站在役檢查標準的探討[J].核動力工程,1994(03):219-221.

夏朋(1988—)，湖北黃岡人，助理工程師，碩士研究生，從事核電站在役檢查相關工作。