核電廠常規(guī)島管道腐蝕缺陷快速評(píng)估方法研究

張 維，王東輝，夏煒銘，李邱達(dá)，鄭 會(huì)

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300；2.國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司,上海 200233）

0 引言

腐蝕是引起核電廠常規(guī)島管道破壞的主要原因之一。管道發(fā)生腐蝕后引起管壁局部減薄，使管道強(qiáng)度降低并產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重時(shí)造成管壁穿孔或破壞等泄漏事故。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增加，管道內(nèi)壁腐蝕穿孔導(dǎo)致的泄漏問題會(huì)越來越嚴(yán)重，已引起國(guó)內(nèi)外核電廠的重視。本文通過分析壓力管道減薄缺陷評(píng)價(jià)方法的理論基礎(chǔ)，對(duì)比主流評(píng)價(jià)方法的不同，綜合考慮各評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)，總結(jié)出常規(guī)島管道腐蝕缺陷的快速評(píng)價(jià)方法。

1 管道評(píng)價(jià)理論

含缺陷管道在內(nèi)壓以及其他載荷作用下，根據(jù)作用載荷的大小，先后經(jīng)歷彈性變性、塑形變性以至達(dá)到強(qiáng)度極限，局部出現(xiàn)失穩(wěn)，最后破裂失效。目前工程中使用較多的ASME B31G 規(guī)范[1]采用管道極限載荷方法進(jìn)行計(jì)算，API579[2]同樣采用強(qiáng)度評(píng)估方法評(píng)估壁厚減薄。不同的是，ASME B31G 主要從缺陷的軸向長(zhǎng)度做評(píng)價(jià)，而API 579 不僅考慮缺陷軸向，對(duì)周向長(zhǎng)度和缺陷深度也進(jìn)行評(píng)價(jià)。從本質(zhì)上來說，兩規(guī)范的評(píng)價(jià)均要求計(jì)算應(yīng)力小于許用應(yīng)力。除以上兩規(guī)范外，ASME 規(guī)范案例N-513[3]也允許采用接管補(bǔ)強(qiáng)方法評(píng)價(jià)非平面貫穿缺陷。接管補(bǔ)強(qiáng)方法的原理和適用性如下：

按照ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范第III 卷核設(shè)施部件建造規(guī)則NB 分卷中給出的接管補(bǔ)強(qiáng)要求，對(duì)于垂直主管的支管，受內(nèi)壓管件在任何給定平面內(nèi)所需要的補(bǔ)強(qiáng)總截面積A：

其中，d 為無腐蝕裕量下的最終開孔直徑，tr為無腐蝕裕量下的主管最小壁厚。此外，所要求補(bǔ)強(qiáng)的2/3 應(yīng)在范圍內(nèi)。其中，r 為無腐蝕裕量下的最終開孔半徑，Rm為主管的平均半徑，Tr為不包括腐蝕裕量或制造公差的主管名義壁厚。

以上是核級(jí)管道的接管補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)滿足的要求。與核級(jí)管道相比，常規(guī)島管道在抗腐蝕、探傷和強(qiáng)度方面的要求更低，但管道設(shè)計(jì)理論和基礎(chǔ)是一致的。對(duì)比ASME III、B31.1 及國(guó)內(nèi)汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范，各規(guī)范中對(duì)設(shè)計(jì)壓力所要求的最小壁厚計(jì)算公式見表1。

表1 最小管道壁厚計(jì)算公式對(duì)比

由上述分析可知，對(duì)核島和常規(guī)島而言，管道最小壁厚計(jì)算公式是一致的，ASME III 中補(bǔ)強(qiáng)要求可以用于常規(guī)島管道。考慮國(guó)內(nèi)汽水管道設(shè)計(jì)計(jì)算公式中修正系數(shù)的取值，對(duì)于溫度低于482 ℃的管道，上述公式均適用。

2 管道減薄評(píng)價(jià)方法

2.1 接管補(bǔ)強(qiáng)評(píng)價(jià)方法

采用接管補(bǔ)強(qiáng)方法評(píng)價(jià)非平面減薄缺陷時(shí)，可將金屬損失區(qū)域視為管道開孔，參考上文給出的補(bǔ)強(qiáng)要求，可對(duì)減薄區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)。接管補(bǔ)強(qiáng)規(guī)則在管道減薄評(píng)價(jià)中的使用方法如圖1 所示。

圖1 局部減薄補(bǔ)強(qiáng)面積示意

接管補(bǔ)強(qiáng)主要考慮補(bǔ)強(qiáng)材料的體積量以及補(bǔ)強(qiáng)材料與開孔的相對(duì)位置，采用接管補(bǔ)強(qiáng)評(píng)價(jià)方法時(shí)，僅需知道管道的壓力載荷。對(duì)于減薄量超出管道最小設(shè)計(jì)壁厚的情況，超出區(qū)域的面積可保守計(jì)算為：

按照補(bǔ)強(qiáng)原則，需要在減薄區(qū)域周圍均勻分布足夠的管道材料做為補(bǔ)充。補(bǔ)足區(qū)域面積可以計(jì)算為：

按照補(bǔ)強(qiáng)原則，要求補(bǔ)足材料應(yīng)足夠接近減薄區(qū)域，需滿足：

取式（1）和式（2）相等，并用taloc替代式中tmeas，可得：

將式（3）代入式（4）可得：

除滿足上述準(zhǔn)則外，還需考慮小于管道最小設(shè)計(jì)壁厚tmin的剩余區(qū)域金屬材料的完整性。假設(shè)剩余區(qū)域是直徑為L(zhǎng)m的環(huán)形平板，考慮周圍補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域足夠承受管道的軸向和環(huán)向應(yīng)力，對(duì)平板的主要載荷僅是管道的壓力，同時(shí)考慮平板所受的應(yīng)力為彎曲應(yīng)力，因此取應(yīng)力限值為1.5 倍的規(guī)范許用應(yīng)力。

假設(shè)整個(gè)管道的環(huán)向應(yīng)力和平板處的應(yīng)力分別等于各自的允許值，得到：

用taloc替代tmeas，得到局部允許壁厚需滿足：

取式（5）和式（7）兩者計(jì)算中的較大值作為局部減薄區(qū)的許用壁厚taloc。

另外，考慮補(bǔ)強(qiáng)的有效范圍，還需滿足壁厚小于tmin的減薄區(qū)域長(zhǎng)度Lm不大于，即同時(shí)還需滿足：

通過上述分析可知，基于接管補(bǔ)強(qiáng)原則的管道減薄評(píng)估方法依賴管道名義壁厚tnom和整個(gè)減薄區(qū)域的范圍L，該方法適用于管道軸向和周向均發(fā)生減薄，且管道名義壁厚tnom明顯大于管道最小設(shè)計(jì)壁厚tmin的情況。如果管道名義壁厚等于最小設(shè)計(jì)壁厚，在該評(píng)估原則下，不允許發(fā)生局部減薄。

2.2 API 579 評(píng)估方法

API 579-1/ASME FFS-1 是評(píng)估非安全相關(guān)管道壁厚減薄的首要選擇。其中，一級(jí)評(píng)價(jià)方法適用于運(yùn)行溫度低于149 ℃的管道，對(duì)于超出該溫度范圍的管道，可以采用二級(jí)評(píng)價(jià)方法。

首先根據(jù)金屬損失大小，按升序排列各測(cè)量壁厚值，評(píng)價(jià)的起始點(diǎn)設(shè)為最大金屬損失位置（點(diǎn)壁厚讀數(shù)最小處）。在評(píng)價(jià)起點(diǎn)處，將壁厚橫截面分為一系列子域，如圖2 所示。，同時(shí)計(jì)算該子域缺陷的參量λ、鼓脹系數(shù)Mt，以及剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF。每個(gè)截面分別計(jì)算，得到最小RSF，與許用RSFa相比，如果RSF≥RSFa，含缺陷管道可以在允許工作壓力下運(yùn)行。如RSF＜RSFa，但允許工作壓力與剩余強(qiáng)度系數(shù)的比值大于等于運(yùn)行壓力，則可以在現(xiàn)有運(yùn)行壓力下運(yùn)行。該評(píng)估方法同樣適用于管道軸向和周向均發(fā)生減薄的情況。

圖2 確定剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF 時(shí)缺陷子域劃分示意

3 管道評(píng)估應(yīng)用示例

選取常規(guī)島某系統(tǒng)管道開展分析比較，管道材料20 號(hào)鋼，管道外徑325 mm，名義壁厚tnom=8 mm，管道設(shè)計(jì)溫度243 ℃，設(shè)計(jì)壓力3.469 MPa。查設(shè)計(jì)規(guī)范得到設(shè)計(jì)溫度下管道許用應(yīng)力Sm=125 MPa，管道最小屈服強(qiáng)度157 MPa。

管道壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。由測(cè)厚數(shù)據(jù)得到最小測(cè)量壁厚taloc=3.5 mm，減薄區(qū)域軸向范圍240 mm，周向范圍180 mm。

表2 管道壁厚測(cè)量數(shù)據(jù) mm

3.1 基于補(bǔ)強(qiáng)的評(píng)估方法

不考慮管道附加厚度，計(jì)算得到管道最小設(shè)計(jì)壁厚tmin=6.46 mm，小于最小設(shè)計(jì)壁厚的軸向減薄范圍Lm=80 mm，管道平均半徑R=158.5 mm。

根據(jù)式（5）和式（7），得到局部減薄區(qū)的許用壁厚taloc=5.71 mm。對(duì)照測(cè)厚數(shù)據(jù)中的最小測(cè)量壁厚4.5 mm，即采用該評(píng)估方法得出：減薄管道無法繼續(xù)運(yùn)行。

3.2 基于API 579 的評(píng)估

采用API 579 二級(jí)評(píng)估方法，將管道減薄區(qū)域分為3 個(gè)子域分別分析。計(jì)算得到最小剩余強(qiáng)度RSFmin=0.83，未減薄管道最大允許工作壓力MAWP=6.9 MPa，允許工作壓力與剩余強(qiáng)度系數(shù)的比值=6.4 MPa，大于管道設(shè)計(jì)壓力。因此，減薄缺陷管道可以繼續(xù)使用。

3.3 有限元分析

有限元分析是預(yù)測(cè)不同類型載荷失效的一種有效而現(xiàn)實(shí)的方法。有限元分析可以有效預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)失效，例如在內(nèi)部壓力下的腐蝕區(qū)域的爆管，或在外部施加力矩下的塑形不穩(wěn)定。

考慮設(shè)計(jì)內(nèi)壓p=3.469 MPa 的情況下，減薄區(qū)域處最大Mises應(yīng)力141.7 MPa，小于運(yùn)行溫度下材料最小屈服強(qiáng)度157 MPa。基于彈性極限準(zhǔn)則，認(rèn)為當(dāng)腐蝕區(qū)的Mises 應(yīng)力不超過管材屈服強(qiáng)度時(shí)，管道處于安全狀態(tài)（圖3～圖4）。

圖3 管道分析模型及約束

圖4 含減薄缺陷管道有限元分析結(jié)果

4 結(jié)論

通過本文分析比較可以得出，基于補(bǔ)強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但保守度高，可用于管道減薄缺陷的快速評(píng)定。API 579 二級(jí)評(píng)價(jià)方法考慮了腐蝕缺陷的輪廓對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，保守程度相對(duì)低，可用作管道的詳細(xì)評(píng)價(jià)。此外，同有限元建模及分析流程的復(fù)雜性相比，基于接管補(bǔ)強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法和API 579 二級(jí)評(píng)價(jià)方法可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化分析，提高管道評(píng)估的便捷性。

因此，在檢測(cè)到管道壁厚小于設(shè)計(jì)最小壁厚時(shí)，可首先采用基于補(bǔ)強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法快速評(píng)定，如評(píng)定結(jié)果不合格，則采用API 579 二級(jí)評(píng)價(jià)方法，更好地為核電運(yùn)行維護(hù)提供支持。