疲勞監測系統在核電廠老化管理及延壽中的應用研究

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（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳 518045）

疲勞監測系統在核電廠老化管理及延壽中的應用研究

孟阿軍，劉浪，凌君，劉洪濤，章貴和

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳 518045）

核級管道熱疲勞失效是核電廠金屬部件失效的主要形式之一，也是核電廠老化管理及延壽中的關注重點之一。本文采用核電廠疲勞監測系統測得管道的溫度數據，掌握其真實的溫度影響過程，對監測區域管道的疲勞狀態進行評估，實現管道熱疲勞狀態壽命管理，最終可以為核電廠延壽工作提供數據支持。

疲勞監測系統；核電廠老化管理；延壽；熱疲勞

核電廠老化［1］是指系統、構筑物和部件（SSCs）的物理特性隨時間或者使用逐步退化改變的過程。數據顯示［2］，在全球約450座在役及約70座在建核電機組中，約有20%的機組運行年限超過30年，70%的機組運行年限超過20年。這些機組即將達到其設計壽命，面臨設備老化和將達設計壽命的問題。但考慮到機組初始設計時的諸多保守假設，很多關鍵設備遠未達到老化退役的限值，如何有效延長這些機組的壽命，又能保障核電廠的安全運行，便顯得日益重要［3］。圖1［4］標示了部件老化與核電廠壽命之間的總體關系。部件在壽命期間內安全、經濟地運行，但由于運行過程中老化效應的影響，部件的安全裕量隨著核電廠的運行時間而改變，因此理解部件的老化機理并掌握影響老化的關鍵參數，分析部件真實的老化狀態，有效管理老化曲線，改進影響部件老化作用的影響因素，從而可以合理地延長重要關鍵部件的使用壽命，達到核電廠延壽的目標。

l 疲勞失效監測

l.l金屬疲勞

金屬疲勞［5］是核電廠部件的重要老化機理之一，壓水堆核電廠的金屬疲勞和核電廠的結構及運行方式關系密切，核一級金屬部件均按照法規進行設計，設計時完成詳細的應力分析和疲勞分析。但是核電廠大量的設備、管道和閥門相互關聯，在運行過程中，溫度連續變化，可能會出現熱沖擊、熱分層、熱震蕩等熱工現象，尤其在管道彎頭，低速流體的水平管段、三通湍流攪混區域和閥門滲流區域的附件較為明顯，這些交變溫度的產生增加了部件的局部熱應力，嚴重時會造成熱疲勞損傷。其次，大量材料試驗結果表明，壓水堆核電廠的環境因素也會對部件造成疲勞老化，目前設計疲勞曲線沒有考慮環境因素，因此該疲勞曲線的安全裕度會受到環境因素的影響而變小。另外由于設計中未能完全考慮上述因素或者是人為的誤操作，金屬部件還會出現不可預見的疲勞老化現象。

圖l 部件老化曲線和壽命延長示意圖Fig.l Aging curve and life extension of components

l.2疲勞失效監測

通過加裝疲勞監測系統［6］對部件的特定功能參數與狀態指標加以監測并對部件的熱疲勞狀況進行評估，可以為老化管理和延壽工作提供數據支持［7］。美國老化管理經驗報告 （NUREG-1801）［8］中要求為確保疲勞使用在允許限值范圍內，減少材料預期周期應變引起的金屬部件的疲勞裂紋，應對選定部件的溫度和壓力瞬態開展監測和跟蹤，開展真實載荷的疲勞分析，確保實際運行瞬態 （包括環境影響）引起的疲勞使用系數＜1．0［9］。

圖2給出了某一部件在未安裝疲勞監測系統時以及疲勞監測系統安裝生效后的一段時間內各階段的疲勞變化情況［10］。圖中，調試階段 （A）和初始操作階段 （B）的疲勞變化率分別為γ、β；正常運行階段 （C）的疲勞變化率為α。β、γ、α與操作歷史有關，可以通過設計瞬態，操作日志，瞬態圖表和調試程序確定。在C階段的末期安裝疲勞監測系統，并將此刻的疲勞使用系數U0作為疲勞監測的起點，采用疲勞監測系統后，真實的瞬態過程將被記錄，通過真實的載荷分析得到部件的損傷狀態及剩余壽命。同時由于疲勞監測系統的存在，在優化運行 （D）階段可以發現一些對疲勞損傷有嚴重影響的操作，對這些操作進行優化處理，以減少容易造成疲勞損傷的運行操作［11］。E階段為延壽階段，疲勞監測系統提供真實瞬態數據和分析結果為延壽工作提供分析和評估基礎，在此基礎上合理地將該部件的設計壽命40年延壽至60年。最終部件的疲勞壽命曲線為a-b-c-d-e-f。

圖2 采用疲勞監測系統對核電廠各運行階段部件的疲勞使用系數的影響Fig.2 Theimpactof fatigue usage factor variationduring different operation phase of Nuclear power plan that fatiguemonitor system measured

2 疲勞監測系統

2.l疲勞監測方法

疲勞監測系統從結構上來說，主要分為兩類［12］：一類是利用核電廠的分布式控制系統（Distributed Control System，簡稱DCS）的數據并開展應力和疲勞分析而評估疲勞使用系數來指導運行，完成疲勞部件的疲勞狀態監測和壽命管理；另一類種是采用在部件上安裝熱電偶，測量熱疲勞高風險區域的溫度變化，使用專用的疲勞分析程序，對監測到的實際的溫度變化進行疲勞使用系數計算，實現疲勞狀態監測，運行指導和壽命管理。

對于第一種結構方式，由于DCS本身的限制，其計算結果不能真實地反映局部高應力區域的計算結果。本文采用在部件上安裝熱電偶的監測系統，利用熱電偶局部測量的優越性，則可以取得高風險區域的管道外壁溫度分布數據，并根據導熱反演程序得到管道內壁的溫度，因此，更能準確地取得承壓部件真實的工作狀態和壽命管理的真實信息。

2.2 實施步驟

疲勞監測主要是收集和計算作用在部件上的循環載荷及周期次數，從而對部件的疲勞壽命進行預測，通過疲勞失效監測，可以對部件的疲勞敏感區域進行安全性評估，也可以快速評估核電廠系統的各種瞬態。疲勞監測的實施包括以下五個步驟：

步驟1：確定核電廠系統運行中需要進行監測的熱工水力現象；

步驟2：確定核電廠中易發生疲勞失效的監測部件及監測位置；

步驟3：確定在監測中需要記錄的工程參數；

步驟4：根據記錄數據等進行疲勞累積使用系數計算；

步驟5：根據設計數據確定部件在實施疲勞監測之前的疲勞損傷，計算部件的總疲勞損傷并評估剩余壽命。

2.3 監測部件及危險區域的確定

由于監測的測點有限，因此疲勞監測系統需要針對疲勞損耗嚴重部件上的危險區域進行監測，危險區域選不準確會使監測系統失去監測意義，甚至導致錯誤的結論，因此準確確定監測部件及需要監測的危險區域是疲勞監測系統的基礎，確定監測部件，重點考慮圖3［13］所示的選取原則；對于監測區域的選擇，重點考慮如下因素：

（1）危險區域位于溫度場復雜區域；

（2）危險區域位于管壁材料較差和管道壁厚較小的區域；

（3）危險區域位于管道彎曲大、壁厚減薄多的區域；

（4）危險區域位于管壁磨損大、腐蝕嚴重的區域。

圖3 監測部件選擇Fig.3 Components options for monitoring during operation

根據以上原則，危險點的確定還要參考現場安裝、經驗反饋以及管材規格等因素。

2.4管壁溫度測量

由于核電廠承壓部件內冷卻劑的交變溫度變化及熱傳導的影響，導致金屬管件內外壁溫度不同，熱膨脹量不同，并隨時間變化，管壁上產生交變的溫差熱應力，因此管壁溫度是疲勞分析的基礎，疲勞壽命損耗的監測需要掌握管壁溫度分布情況。由于核電廠結構的安全性要求，危險點區域的內壁溫度難以測量，而采用熱電偶測量外壁溫度較為方便，然后由外壁溫度反演計算得到內壁溫度，這種方法能夠保持管道結構的完整性。本監測系統外壁測溫的熱電偶測量的布置形式［14］如圖4所示。對于直管段和彎頭區域，通過導熱反演計算，內外壁溫度對比曲線圖如圖5所示。對于三通區域，通過導熱反演計算內外壁溫度的CFD軟件FLUENT模擬和試驗的對比曲線如圖6和圖7所示。

圖4 熱電偶布置形式Fig.4 The thermocouple layout of the fatigue monitor system

圖5 管道內外壁溫度變化曲線Fig.5 Temperature curves of pipe inside and outside walls

圖6 三通區域內溫度場CFD模擬與試驗模擬Fig.6 Temperature simulation by CFD and test in lab for the tee region

2.5疲勞分析

圖7 三通區域溫度計算變化CFD模擬與試驗對比曲線Fig.7 The temperature comparing curves of the tee measure point between simulation in CFD and test in lab

核級管道應力集中的峰值位于彎頭、三通、焊縫附近，在確定這些監測高風險區域處的各種循環載荷應力之后，將應力分量疊加，求得最大循環應力幅［15］，引入環境對疲勞的影響因子，通過雨流計數法確定實際應力循環次數，使用Miner線性疊加原理對承壓部件疲勞壽命損耗量計算。

2.6疲勞監測系統的應用

疲勞監測系統基于客戶端/服務器型式，將一臺計算機作為后臺服務器，通過以太網與其他前臺監測客戶端相連接。系統網絡結構如圖8所示，系統的模塊組成如圖9所示。系統定期將現場監測位置處熱電偶的監測數據存儲于數據庫中，按照老化管理的要求，后臺服務器定期調取溫度等數據計算監測部件的壽命損耗和總壽命損耗量并將計算的結果存儲于數據庫中。數據庫中保存有大量定期計算的中間結果，用戶可以通過選擇相應的時段和數據顯示內容及形式，訪問數據庫，查詢部件在固定時段間的壽命損耗值，并對造成疲勞損耗的影響原因進行分析。

圖8 疲勞監測系統網絡結構圖Fig.8 Fatigue monitor system network

圖9 疲勞監測系統內部結構圖Fig.9 Fatigue monitoring system internal modules

3 結語

本文闡述了疲勞監測系統在老化管理及延壽工作中的作用，采用疲勞監測系統實現了對核電廠老化關鍵部件及疲勞危險區域進行疲勞監測和疲勞壽命管理。疲勞監測系統能夠長期保存計算數據，存儲熱疲勞危險區域在運行過程中的監測數據及疲勞老化的分析結果，可為核電廠關鍵部件的老化狀態及壽命管理提供數據依據，為延壽工作提供技術支持。

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Applicationof the Fatigue Monitor Systemin NPP's Aging Management and Life extension

MENG Ajun，LIU Lang，LING Jun，LIU Hongtao，ZHANG Guihe
（Shenzhen China Nuclear Power Design Co．，Ltd．，Shenzhen 518045，China）

Nuclear Power Plant（NPP）'s primary pipe thermal fatigue failure is one of primary form of NPPs metal components failure，it's also one of the key points of NPPs aging management and life extension．These papers uses the fatigue monitor system to get the pipe temperature data，record the procedure of real thermal impact，to evaluate the pipe thermal fatigue state，actualizethe thermal fatigue agingmanagementofnuclearimportantpipes，and finally provide supporting evidence forNPPs life extension．

fatigue monitor system；aging management；life extension；thermal fatigue

TL353

：A

：1672-5360（2016）04-0048-04

2016-06-12

2016-07-23

中廣核工程設計有限公司科研課題 “核電站延壽法規體系研究”，項目編號K-B2015．052．SJ

孟阿軍 （1983—），安徽蚌埠人，工程師，碩士，現主要從事核島系統力學分析工作