小徑管對接焊縫缺陷驗收準則分析

王東輝，李 杰，鄭 會，杜燕雯

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

0 引言

ASME 第XI 卷[1]對核電廠核安全1、2、3 級管道承壓焊縫缺陷給出了相應的驗收準則，對指導核電廠服役期間管道無損檢測有重要作用。在ASME 規范體系中，對于非ASME 第III 卷的動力管道應按ASME B31.1[2]及相關技術文件的要求進行設計、制造、安裝、檢查和試驗。ASME B31.1 中規定，對于尺寸大于NPS2、壁厚大于19 mm 的管道，對接焊縫采用超聲或者射線檢查方法，并在136.4.6 超聲檢測一節中明確要求，被評為裂紋、未熔合或未焊透的不連續性，不論其長度如何都應認為是不合格的；對于壁厚等于或小于19 mm 的管道焊縫，則采用目視檢查方法。

在電廠服役過程中，常規島系統管線可能由于焊接缺陷等原因產生泄漏，需要對壁厚小于19 mm 的管道焊縫實施超聲檢測等體積檢測方法。在此過程中，有必要考慮合乎使用原則和工藝基礎確定相應的驗收準則。本文通過分析ASME 第XI 卷現有鐵素體管道承壓焊縫驗收準則的適用性和確定方法，明確了ASME 第XI 卷鐵素體管道缺陷驗收表的適用范圍。同時補充了適用于NPS（公稱直接）為2～4 inch（50～100 mm）管道焊縫缺陷的允許缺陷尺寸，可以為電廠經濟可靠運行提供支持。

1 驗收準則確定原則

根據文獻[3]，ASME 第XI 卷在確定管道焊縫允許缺陷時，主要考慮了壓水反應堆主要系統管道的直徑通常在4～24 inch（100～600 mm）、壁厚0.24～4 inch（6～100 mm）。對于壁厚較小的管道，在實際工況的約束條件下通常不會發生平面應變裂紋擴展，但在某種條件下，可能導致平面應力裂紋擴展。ASME 第XI 卷在確定允許缺陷準則時，保守采用線彈性斷裂力學分析方法。雖然該方法得出的結果較保守，但美國壓力容器研究委員會（PVRC）仍建議對整個壁厚范圍內的管道采用線彈性斷裂力學進行分析，從而得到現有缺陷驗收準則。文獻[4]采用線彈性斷裂力學分析方法，計算得到了用于不同材料和規格的動力鍋爐管允許缺陷尺寸。

2 管道允許缺陷確定方法

ASME 第XI 卷在表IWB-3514.1 中，給出鐵素體鋼管到焊縫的允許平面缺陷。在允許缺陷確定過程中，考慮管道材料在軸向和環向的斷裂韌性有顯著不同，缺陷分析模型考慮軸向和環向缺陷兩種類型。此外，考慮作用在管道上的主要載荷通常是軸向應力，在分析中認為環向缺陷起主要作用。

參考WRC Bulletin175[5]，確定管道應力強度因子時主要考慮了兩種環向假想缺陷尺寸，分別為：徑向穿透缺陷，缺陷長度l=2t；360°環向缺陷，缺陷深度a=t/4。其中t 為管道壁厚。

在確定驗收標準時，對不同壁厚管道對應的允許缺陷分別考慮，以保證在整個壁厚范圍內均有合適的安全裕量。具體確定方法如下：

（1）計算壁厚范圍內各管道相應的應力強度因子K2t和Kt/4。

（2）計算幾何平均應力強度因子Km，并將該值對應到單個表面缺陷（a/l=0.166），由此將兩個缺陷轉化為單一缺陷。

（3）根據上述Km值確定不同壁厚范圍內的缺陷深度a 以及相應（a/t）m值。

（4）考慮一定的安全裕量，將（a/t）m減小為允許參考缺陷（a/t）r。

（5）考慮不同深長比缺陷對應的（K/σ）2等效不變，確定深長比在0.0～0.5 范圍內允許a/t 值。

除上述計算方法外，考慮到管道制造中可能存在錯邊等現象，在ASME 第XI 卷驗收規則制定過程中明確指出，經確認的由于幾何不連續或原始冶金引入的超聲反射不需要與驗收標準相比較。但在實際檢測過程中，如何辨別缺陷和制造公差引起的幾何不連續是比較困難的。因此，在確定驗收準則時，同時會考慮通過超聲可檢出缺陷的下限值來確定允許指示。

3 小徑管缺陷驗收準則

通過上文描述可以看出，ASME 第XI 卷在確定鐵素體管道驗收準則時主要考慮的對象是直徑大于4 inch 的管道。對于表1 中NPS≥2 inch 的管道，可參照上述原則和方法，得到相應允許缺陷深度。其中，1 inch=25.4 mm。

表1 分析用管道尺寸范圍

參考[6]中給出應力強度因子計算公式，計算兩個假想缺陷對應的應力強度因子如下：

（1）K2t，環向貫穿壁厚缺陷，缺陷長度l=2t，考慮到內壓和彎矩載荷共同作用，（ρ））]。其中，t/R 是管道壁厚與平均半徑之比，考慮到NPS2～NPS4 各管道規格尺寸，選擇t/R 最大值=0.31，此時，G2（ρ）+g2（ρ）等于1.35，H2（ρ）+h2（ρ）等于0.65，保守取兩系數均為1.35，由此將上式簡化為以下形式：

考慮不同壁厚范圍管道壁厚的上下限，并取上述兩式的幾何平均值作為等效得到表2，其中Km用于計算參考缺陷（a/l=0.166）對應深度。

表2 管道壁厚分類

考慮驗收標準需適用于軸向和環向缺陷，因此，同時考慮軸向和環向缺陷兩種缺陷的應力強度因子計算，并取其中更保守的值來確定驗收標準。

對于軸向缺陷，應力強度因子表達式可按下式計算：

其中，Ct為考慮壁厚影響的修正系數，Ct=1+0.122（1-a/l）2；Q 為缺陷形狀系數，Q=1+4.593（a/l）1.65。對于形狀比a/l=0.166 的軸向參考缺陷，Ct值取1.085，Q 值取1.025，由此得到

根據表3 計算結果，取a/t=0.5 的假想缺陷替代t/4 和2t 兩個假想缺陷。

表3 管道參考缺陷深度計算

考慮實際載荷中可能存在的不同彎矩和扭矩比例，計算得到一系列極限失效載荷Pc與設計載荷Pd比值，選擇其中最保守的1.62 為安全系數。得到參考缺陷允許深度如下：

取a/t=0.2 作為參考缺陷深度值（a/l=0.166）。

在超聲檢測能力方面，ASME XI 推薦選擇以下超聲可檢出缺陷（適用于a/l=0.166 表面缺陷）作為建立允許指示標準的基礎：

（1）對壁厚0.25 inch（6 mm）的管道，最小可檢出顯示為壁厚10%，即a/t=0.1。

（2）對壁厚4 inch（100 mm）的管道，最小可檢出顯示為壁厚5%，即a/t=0.05。

（3）對于其他厚度管道的允許缺陷深度，則通過線性插值計算得到。

在后續分析中，將通過理論計算得到的參考缺陷允許深度與超聲檢測能力相比較，選擇兩者中較小值作為確定驗收準則的參考缺陷深度（圖1）。

圖1 參考缺陷允許深度（a/l=0.166）

同時，對于管道部件需考慮防止由缺陷引起的凈截面減少導致內壓管道失效，需滿足以下條件：a/t≤0.33+0.67× (a/l )。

考慮3 倍安全系數，得到a/t≤0.11+0.22× (a/l )：對于a/l=0.0 的無限長缺陷，a/t=0.11；對于a/l=0.5 的短缺陷，a/t=0.22；對于a/l=0.166 的參考缺陷，a/t=0.166。

將該限值要求與前述分析得到的限值相比較，可以看出，分析得到的參考缺陷深度在此限值范圍內。

對于其他形狀比的缺陷（a/l=0.0～0.5），使用等效方法得到相應允許缺陷深度值，即

分別計算管道壁厚為0.15 inch、0.30 inch 和0.45 inch 時，對應的a/t 值分別為0.115 9Q、0.113 6Q和0.111 4Q/。

考慮不同形狀比，得到允許缺陷見表4。與ASME 第XI 卷表IWB-3514-1 相比，對于直徑小于4 inch 的管道，其允許缺陷深度限值小于表IWB-3514-1 中給出的限值。

表4 管道允許缺陷表（2 inch≤NPS＜4 inch）

4 小徑管允許缺陷分析

除了上述缺陷驗收表以外，參考API 579[7]，采用基于合乎使用原則得到適用于NPS 2～4 inch 的小尺寸鐵素體管道焊縫缺陷。管道材料屈服強度和許用應力參考ASME II D 篇，材料沖擊韌性和斷裂韌性參考公開發表文獻。

4.1 應力計算

考慮管道對接焊縫中存在環向缺陷，總應力σ=σd+σr+σp+Pc。其中，σd為外部自重載荷，由管道對接焊縫支撐的管道重量產生；σr為殘余應力，取殘余應力等于材料室溫屈服強度；σp為由內壓引起的軸向應力。對于每個管道材料和尺寸的組合，根據ASME II-D 節中的室溫容許應力值計算最大容許工作壓力。按ASME 第I卷PG-27.2.1計算內部壓力值，P=S

4.2 斷裂力學計算

考慮兩種斷裂模型進行分析，分別為板中的無限長裂紋和板中的半橢圓有限長裂紋。在這兩種情況下，假想缺陷均為表面裂紋，保守考慮安全裕量為4.0。

對于每種管道尺寸，分別評估無限長缺陷，以及a/l 比為0.10、0.15、0.20、0.25 和0.50 的6 種缺陷尺寸，計算得到允許缺陷尺寸。兩類缺陷應力強度因子參考API 579 得到，具體如下：

（1）無限長表面缺陷：

（2）半橢圓有限長表面缺陷：

對于鐵素體管，可根據夏比V 形缺口試驗數據，根據K1c=9.35（CVN）0.63計算，其中K1c為材料斷裂韌性、CVN 為V 形缺口夏比沖擊能。

4.3 缺陷驗收曲線

通過計算得到對應不同材料不同尺寸小徑管的允許缺陷尺寸。允許缺陷尺寸a/t 對應每種裂紋尺寸（a/l）（表5）。圖2 所示的缺陷驗收曲線可直觀給出多個臨界缺陷尺寸計算的結果，在此基礎上可以評估無損檢測結果，以確定缺陷是否具有可接受的尺寸。為了評估發現的缺陷，將缺陷的長度和深度繪制在相應驗收曲線上。如果缺陷位置在曲線的左側，則該含缺陷管道可繼續服役。如果缺陷位于曲線右側，則應采取緩解措施。

表5 NPS 2 inch 管道允許缺陷表

圖2 用于NPS 2 inch 的管道缺陷驗收曲線（工作壓力6.5 MPa）

5 結論

（1）ASME 第XI 卷鐵素體管道缺陷驗收準則在制定過程中采用的是線彈性斷裂力學分析，同時在各環節中均考慮了一定程度的保守性，通過分析得到的可接受缺陷深度約為壁厚的10%。根據對ASME 第XI 卷驗收標準確定過程的分析可以看出，考慮超聲檢出缺陷能力時，允許缺陷深度值相對更為保守。

（2）與ASME 第XI 卷管道缺陷驗收準則確定方法相比，采用API 579 基于合乎使用原則可以得到特定小尺寸鐵素體管道焊縫允許缺陷，保守程度相應減少。

（3）現有ASME XI 表IWB-3514.1 平面缺陷驗收準則主要針對核1 級鐵素體管道的尺寸范圍，對于覆蓋范圍之外的管道規格尺寸。例如，對管徑小于4 inch 的管道，其適用性需重新考慮。在確定此類管道允許缺陷值時，無損檢測對管道缺陷的檢出能力同樣是需要考慮的因素，本文給出的分析結果可供參考。