核電站壓力管道焊縫缺陷的評估方法與應用研究

上海核工程研究設計院有限公司 陳 坤 潘科琪 祁 濤

核電站內有大量的壓力管道，壓力管道運行中會受到諸多載荷因素的影響導致管道上可能有各種裂紋型缺陷萌生或裂紋擴展，管道缺陷是導致管道破壞失效的主要原因之一。受建造、安裝和在役運行等因素影響，管道焊縫位置較易產生裂縫缺陷，其存在會影響到核電站的安全運營。由于在役運行核電廠廠房內存在核輻射較高、區域內不易達等因素，有效快速的判斷焊縫缺陷擴展對壽期內管道的影響，對于管線的安全運行、維修、更換決策以及降低維修風險等顯得尤為重要。

在裂紋疲勞擴展的研究中普遍采用有限元的方法對裂紋擴展進行計算，其存在分析周期長、過程復雜、占用計算資源多、不利于快速計算等約束。管道裂紋擴展分析亦可采用ASME規范第XI卷的公式法進行，可將管道焊縫存在的裂縫型缺陷視為裂紋進行疲勞擴展分析。某核電廠核級支管座焊縫存在未熔合或未焊透缺陷，該類型的焊縫缺陷可視為裂縫型缺陷。按照規范要求，裂紋的擴展分析應分為碳鋼和不銹鋼兩種情況，在評定過程中選取具有代表性的缺陷尺寸并保守視為管道內表面周向裂紋，考慮各種管道載荷工況和焊縫殘余應力的作用，分析了壽期內缺陷疲勞裂紋擴展情況，為管道焊縫缺陷評估提供快速有效的方法和流程。

1 ASME第XI卷缺陷評價過程

如果在役檢查中發現了管道焊縫缺陷，可根據ASME第XI卷IWA-3000和C-2000確定缺陷類型，進行缺陷的歸并。

1.1 焊縫缺陷的篩選

依據ASME第XI卷IWB-3514.3節奧氏體鋼管的允許缺陷標準要求，允許缺陷尺寸不得超過表IWB-3514-2允許缺陷限值；對于碳鋼材料，依據IWB-3514-1鐵素體鋼的允許缺陷標準要求對碳鋼管道缺陷進行篩選。如現存缺陷超出規范的篩選要求，可依據ASME第XI卷附錄C進行缺陷的進一步分析評定。

1.2 焊縫缺陷的計算分析過程

ASME第XI卷附錄C計算評定缺陷擴展的主要流程如圖1，缺陷擴展分析主要是應力強度因子的計算，疲勞擴展分析以缺陷計算分析后的評定和驗收準則選用。

1.2.1 應力強度因子計算

根據ASME第XI卷附錄C-2500管道應力規定，結合管道運行壓力和管道載荷計算周向缺陷的膜應力、彎曲應力分別為：σm=pD/4t,σb=DMb/2I,σe=DMe/2I,根 據ASME第XI卷附錄C-7410和C-4311計算周向缺陷的應力強度因子 ：KI=KIm+KIb+KIr，KIm+[P/2πRmt](πa/1000)0.5Fm，KIb=[M/2πR2mt](πa/1000)0.5Fb，KIr=σIr(πa/1000)0.5，其中M=Mb+Me；σIr為殘余應力；KIm、KIb為薄膜、彎曲載荷應力強度因子；系數Fm，Fb的表達式分別為 ：Fm=1.1+x[0.1524+16.772(xθ/π)0.855-14.944(xθ/π)]，Fb=1.1+x[-0.09967+5.0057(xθ/π)0.565-2.8329(xθ/π)]，。

1.2.2 疲勞裂紋擴展分析

不銹鋼材料依據ASME第XI卷C-8410奧氏體不銹鋼疲勞裂紋擴展公式(1)計算壽期末裂紋深度af和長度lf。其中， C是考慮溫度影響比例參數，S是考慮載荷比影響的比例參數，具體表達式分別為：

對于碳鋼材料，式（1）中材料參數參考附錄A-4300，對于低ΔK，C=1.48×10-1，對于高ΔK，C=2.13×10-6，具體其它參數均參考A-4300。

1.2.3 缺陷驗收準則

依據ASME第XI卷附錄C-4210，奧氏體不銹鋼的失效模式為塑性垮塌。依據ASME規范第II卷PartD可獲取材料屈服應力強度σy、抗拉應力強度σu及設計應力強度σm，計算流動應力強度為σf=(σy+σu)/2。ASME第XI卷C-5310允 許 裂紋缺陷深度（表值解）可計算允許裂紋深度。依據表C-5310-1～4計算得到許用裂紋深度aallow。依據ASME第XI卷附錄C-2611要求評定壽期末缺陷參數是否滿足準則要求。

依據ASME第XI卷附錄C-4210，對于碳鋼材料需要依據 C-4310計算進而計算然后根據SC的數值進一步選擇評定規程（圖2）。然后依據C-6000表值解方法計算得到許用裂紋深度aallow，依據ASME第XI卷附錄C-2611要求評定壽期末缺陷參數是否滿足準則要求。

2 壓力管道焊縫缺陷計算評定

在役檢查射線檢查顯示，部分核級管道管座的焊縫出現了未熔合或未焊透等類型的缺陷，如圖3.1，具體數值見表1?；谠摿鸭y型管道焊縫缺陷，依據ASME第XI卷對典型焊縫進行裂紋擴展分析評定，管線的信息見表2。

表1 缺陷數據

表2 管線信息

保守假設缺陷類型為管道內表面周向缺陷（圖4），其中L為缺陷裂紋長度，a為缺陷裂紋深度，圖5中為管道裂紋參數示意圖，其中Rm為管道平均半徑，θ為缺陷角的一半，t為管道壁厚。

2.1 不銹鋼管道焊縫缺陷的評定

對于Φ19.05×6.87mm的支管類型，管道材料為奧氏體材料，依據ASME第XI卷IWB-3514.3節的允許缺陷標準要求，允許缺陷尺寸不得超過表IWB-3514-2允許缺陷限值。實際管道裂紋深度a=3.035mm，表面缺陷a/t=0.442，超出表IWB-3514-2中名義壁厚列對應的允許表面缺陷。通過對已有壓水堆核電站中3/8英寸管道的自重、熱脹、地震工況下的3/8英吋支管處載荷、固定支撐處載荷、設備接管處載荷等進行統計整理，將載荷包絡值作為載荷輸入（表3），同時依據ASME第III卷NB-3338.2節應力指數法的要求取焊縫處應力指數為3.3。

表3 不銹鋼管道載荷

根據設計瞬態信息可知瞬態循環次數為13521次，考慮地震載荷循環次數取管道焊縫殘余應力為69MPa。依據ASME第XI卷C-8410奧氏體不銹鋼疲勞裂紋擴展公式（1）計算壽期末裂紋深度af=2.888mm和長度Lf=17.259mm。依據表 C-5310-1計算得到保守考慮時許用裂紋深度aallow=4.466mm，af

2.2 碳鋼管道焊縫缺陷的評定

對于Φ38.1×9.63的支管類型，管道材料為奧氏體材料，管道材料為鐵素體材料，依據IWB-3514-1的允許缺陷標準要求對管道缺陷進行篩選。若缺陷尺寸超出表IWB-3514-4中9.63mm壁厚對應的允許線狀缺陷長度5.288mm，需要進一步進行裂紋的擴展分析和評定。根據ASME第XI卷附錄C-2500管道應力規定，結合管道運行壓力以及管道載荷（表4），計算周向缺陷薄膜應力、彎曲應力等。

表4 碳鋼管道載荷

取管道焊縫殘余應力為69MPa。在碳鋼管道焊縫缺陷評估過程中，高ΔK和低ΔK對應的裂紋擴展比例系數C0相差5個量級，因此評定中需監測載荷比值R以便準確選取裂紋擴展系數。依據ASME第XI卷A-4300疲勞裂紋擴展公式計算壽期末裂紋深度af=5.661mm和長度lf=32.62mm。據ASME第XI卷附錄C-4210，對于碳鋼材料應依據 C-4310計算 K’r、S’r，進而計算 SC=K’r/S’r。根據SC的數值確定評定機理選擇評定規程，流程如圖2。計算 得 到 K’r=0.204，S’r=0.165，SC=1.236，依據C-6000表值解方法計算得到許用裂紋深度aallow=7.223mm，af

3 結語

對核級管道焊縫缺陷的擴展評估分析中，應用ASME第XI卷缺陷擴展的評估方法和驗收準則，根據母材材料屬性分為碳鋼管道和不銹鋼管道兩種情況，別對管道焊縫的裂紋型缺陷進行了擴展分析并得到以下結論：ASME第XI卷包含的驗收準則可對有缺陷管道焊縫進行評價，評定結果可以作為修復或更換決策的參考和依據；針對碳鋼和不銹鋼材料的管道，結合出現的典型未熔合、未焊透問題的焊縫缺陷情況進行定性評估，使用規范的公式法能簡單快速獲取缺陷擴展的影響；從理論方面驗證了壽期內缺陷擴展的趨勢和結果，能夠有力支撐了核電廠管線的安全評審，在確保安全的情況下能夠顯著降低了核電廠業主方的維修代價。