核電廠管道應變疲勞的光纖原位監測與分析

鄭 會，劉 蛟，褚 凱，李 鍇

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

0 引言

核電廠系統管道眾多，主要用于各回路汽水介質輸運，長期經受高溫高壓，在運行工況調節、流體輸送和控制部件影響下，可能出現各種機械—流體和熱—流體動態效應，如振動、沖擊、熱疲勞、熱膨脹、熱位移等。其中，在流體影響下的振動疲勞和應變疲勞是核電廠管道失效的主要形式，前者主要表現為應力控制的高周疲勞[1]，主要通過振動測量和分析進行評價；后者則主要表現為應變控制的低周疲勞[2]，需要對管道運行時的應變、溫度等進行實時監測和分析。但傳統的電阻式應變片方法工藝繁瑣，需要在停機時先粘貼應變片，并且每片應變片只能實現單點監測，對于應變場或者多點監測則需要布置眾多的應變片、信號電纜和數據采集系統，如果采用多個子站還有同步問題，采集和分析系統更為復雜。因此，一種安裝方便、準確度高、動態響應快，可以實施大范圍、場測量的原位應變、溫度監測技術對于支持核電廠管道疲勞監測，尤其是應變控制的低周疲勞監測與分析頗為重要。

1 監測裝置

針對上述核電廠實際需求，研制了高溫高壓原位應變和溫度監測裝置（圖1），由主機、光纖傳感器和控制、分析軟件三部分構成。該裝置主機由LUNA Technology 定制開發，采用掃描波長干涉技術，基于光纖的背向瑞利散射進行溫度和應變傳感，可以達到毫米級空間分辨率，10 m 測量長度，±10 000 με 應變測量范圍，測量重復性可達±2 με；光纖傳感器為ODiSI 分布式光纖傳感系統，針對不同溫度壓力工況和環境有普通光纖、聚四氟乙烯套管光纖和鍍金光纖，適用于室溫至350 ℃范圍，短時可以達到500 ℃范圍甚至更高；軟件包括測控和顯示系統，可實景呈現實時應變、溫度測量結果。

圖1 高溫高壓原位應變和溫度監測裝置

2 現場監測與分析

某核電廠不銹鋼抽汽疏水管道多次發生裂紋開裂引起的泄漏，開裂部位為氣動疏水調節閥后的第一個或第二個彎頭焊縫[3]，并存在停機補焊修復后不久又發生泄漏的情況。該管道規格為Φ60.3×5.54 mm，材料為304L 不銹鋼。由于該管道為不銹鋼材料，排除了因流動加速腐蝕產生泄漏的可能。同時，對于該管道進行的振動測試表明，其穩態和閥門開啟瞬態振動分別為1.6 mm/s 和2.1 mm/s，屬于振動品質優秀[4]，可以認為不受振動疲勞影響。由于該疏水管線用于輸送抽汽向凝汽器的疏水，氣動閥前為高溫高壓汽水混合物（流體溫度約140 ℃），閥后連接凝汽器為負壓真空，閥門開啟時汽水混合物向閥后真空排放；并且該閥門為間歇式疏水閥，開啟間隔時間約80 s，存在閥門開啟后由于沖擊產生應變疲勞的可能。因此，有必要對該管道的應變和溫度進行實時監測，以判別閥門開閉是否會引起的較大的應變和溫度波動，造成低周疲勞開裂。

如圖2 所示，現場使用光纖對于疏水閥后第一個彎頭前后布置光纖對管道整圈進行了應變和溫度測量。彎頭前后均布置兩圈光纖，一圈帶套管用于監測溫度，一圈直接膠水粘貼并沿管道軸向延長一段用于監測應變。

圖2 光纖原位應變、溫度監測現場布置及示意

圖3 為測得的原位應變和溫度三維顯示，可以明顯看到與閥門3 次啟閉所對應的3 次沖擊。選擇沖擊最為明顯的截面進行分析，可以看出閥門開啟瞬間應變迅速上升，彎頭前后應變最大分別達到1630 με 和1230 με，位于管道軸向，彎前的沖擊較彎后更大，且呈現顯著周期性變化，變化周期與閥門開啟周期基本一致（圖4）。同時測量的溫度也在周期性變化，彎頭前后溫度分別達到70 ℃和40 ℃左右，但開啟瞬間幾乎瞬間達到溫度峰值（140 ℃）左右。應變、溫度的變化周期均與閥門開閉周期基本一致，但溫度的變化由于需經過熱傳導過程，因此要滯后于應變的變化。

圖3 原位應變和溫度測量結果三維顯示

根據ASME BPVC III 疲勞設計曲線[2]，按不銹鋼彈性模量E=195×103MPa，對應彎前、彎后峰值應力分別為318 MPa 和240 MPa，對應到疲勞曲線上，其極限疲勞周次分別為1.73×104和4.92×104（圖5），考慮80 s 的疲勞周期，其疲勞壽命分別為384 h（16 d）和1093 h（45.5 d）。應該指出，這是基于峰值應力（應變）的保守計算，但是不到5×104的疲勞周次也充分證實了低周（應變）疲勞開裂的合理性，較短的疲勞壽命也得到了修復后不久即再次開裂的運行經驗的驗證。據此，該管道彎頭焊縫泄漏源于間歇式疏水閥開閉造成的沖擊所帶來的應變疲勞裂紋開裂基本得到了確認。而焊縫作為管道連接的薄弱點，因其組織不均勻性、結構突變等造成的組織和結構殘余應力較大，促進了疲勞裂紋的萌生和擴展，最終造成了焊縫處的疲勞開裂和泄漏。

圖4 原位應變和溫度測量結果最大截面

圖5 疲勞周次計算

3 結論及建議

所開發的原位應變和溫度監測裝置能夠高精度、準確地對核電廠管道的應變和溫度變化進行實時原位場監測，相比于電阻式應變片具有工藝簡便、采樣率高、動態響應好、直觀性強等優點。

通過開發的高溫高壓原位應變和溫度監測裝置，對核電廠不銹鋼抽汽疏水管道進行了實時監測，實現了管道整圈和軸向應力和溫度場測量，并明確了其間歇性沖擊—應變—低周疲勞的失效機制。

從上述分析可知，要根本上消除該管道的疲勞開裂失效，必須消除沖擊的源頭，即疏水閥間歇性的開閉。因此，在完成監測和分析后，建議核電廠將該管道的間歇式疏水改成用疏水器連續疏水。核電廠在采納此建議后在原管道上增加連續疏水器管道，并停用了間歇疏水閥管道，未再出現類似開裂和泄漏，再次印證了監測和分析結果的有效性。