在役檢查缺陷評價方法

夏 朋

（蘇州熱工研究院有限公司,廣東 深圳 518026）

在役檢查缺陷評價方法

夏 朋

（蘇州熱工研究院有限公司,廣東 深圳 518026）

缺陷評價是核電站在役檢查中非常重要的一項活動。對于經(jīng)過無損檢測的缺陷，必須經(jīng)過確定的“缺陷評價”方法的一整套操作，以鑒定和分析偏差工況，確認(rèn)是否存在真實缺陷，選擇最優(yōu)的處理方案。根據(jù)RSEM和RCCM，確定了一套缺陷評價方法，包括缺陷評價步驟、記錄閾值、評判閾值、驗收標(biāo)準(zhǔn)以及缺陷評價力學(xué)分析，為在役檢查人員進(jìn)行缺陷評價提供了參考。

缺陷評價；驗收標(biāo)準(zhǔn)；力學(xué)分析

0 引言

核電站與常規(guī)電站一樣, 有著眾多的管道、容器及熱交換器等機械部件和設(shè)備, 在其制造、安裝及運行中必須進(jìn)行相關(guān)的無損檢測來驗證或確保其現(xiàn)有的安全狀態(tài)與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相符或滿足設(shè)備繼續(xù)運行的安全準(zhǔn)則的需求[1]。

隨著清潔能源的大力發(fā)展, 在運核電站的數(shù)量增加很快, 而其運行時間的不斷累積, 使設(shè)計、制造、安裝及運行管理中的問題逐漸產(chǎn)生和暴露, 導(dǎo)致事故的發(fā)生[2]。限于核設(shè)備的使用狀況, 不可能對所有含有缺陷的核設(shè)備進(jìn)行更換或返修, 因此, 針對壓力管道的結(jié)構(gòu)及受載特點, 建立科學(xué)而適用的核電站在役檢查缺陷評價規(guī)程, 對核設(shè)備缺陷進(jìn)行安全評定, 有重要的理論意義和實用價值。

1 缺陷評價步驟

缺陷評價是核電站在役檢查的核心環(huán)節(jié)，所有超過記錄閾值的顯示都要經(jīng)過確定的“缺陷評價”方法的一整套操作。

處理過程包括以下四個主要階段：

——顯示識別；

——偏差分析；

——選擇或生效處理方案；

——實施處理方案。

1.1 顯示識別

如果達(dá)到或超過記錄閾值，應(yīng)進(jìn)行顯示識別，其目的是確認(rèn)顯示的存在以及其物理特性（位置、大小、幅度等），并與上次檢驗結(jié)果進(jìn)行比較。通過與上次檢驗的比較，可確定顯示是否是新產(chǎn)生的，或與以前相同，或已經(jīng)消失，或產(chǎn)生了顯著變化。

如果顯示是物理缺陷，或不是偽顯示，則認(rèn)為設(shè)備處于偏差狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行偏差分析，然后要制定偏差處理文件，還應(yīng)要求專項監(jiān)督。如果導(dǎo)致制定偏差文件的顯示的參數(shù)在連續(xù)兩次檢查期間都沒有確認(rèn)時，則可關(guān)閉偏差處理文件，并且不再要求后續(xù)監(jiān)督。

偏差文件的打開預(yù)示著分析進(jìn)入下一流程，即偏差分析。

1.2 偏差分析

本階段的目的是確認(rèn)真實缺陷的存在，包括缺陷的特征（類型、性質(zhì)、來源、位置、大小等）以及缺陷潛在擴展性分析，同時也包括危害性評價、設(shè)備狀況、設(shè)備和人員安全評述以及維修和后續(xù)監(jiān)督的可能性。

在進(jìn)行分析之前，應(yīng)首先準(zhǔn)備好下述文件：

——以前相同起因的偏差處理文件；

——證明對目前分析可能有幫助的、包含相似案例的偏差處理文件；

——可能改進(jìn)和簡化分析程序的一致性文件。

（1）缺陷評判。應(yīng)進(jìn)行如下工作：

——確定是否存在真實的物理缺陷；

——通過表面、體積等檢查確定缺陷為線性或非線性；

——確定缺陷性質(zhì)（裂紋、未熔合、溝槽、縮孔、幾何形狀問題、沖擊缺口、撕裂）；

——確定可能的起源（制造、安裝或在役）；

——在測量誤差范圍內(nèi)確定缺陷的位置、尺寸、方向，如若難以確定則應(yīng)確定缺陷的包絡(luò)幾何特征。

——確定給定緊鄰區(qū)域是否存在缺陷及其數(shù)量。

缺陷評判應(yīng)基于顯示評判的結(jié)論，以及必要的金相檢驗或在結(jié)構(gòu)模型體上進(jìn)行的力學(xué)試驗。

（2）缺陷擴展分析。僅憑無損檢驗發(fā)現(xiàn)的缺陷無顯著變化的事實，并不能得出缺陷不會擴展的假設(shè)，分析仍取決于缺陷涉及的設(shè)備和缺陷在結(jié)構(gòu)中的位置。缺陷擴展假設(shè)分析的目的如下：

——確定是否進(jìn)行缺陷危害性定量定性分析或擴展動力研究；

——確定后續(xù)監(jiān)督的內(nèi)容和周期；

——選擇偏差解決方案。

對于通過無損檢驗得出的缺陷，如若不置可否，任其在設(shè)備運行過程中繼續(xù)擴展，最終導(dǎo)致設(shè)備破損斷裂，產(chǎn)生嚴(yán)重的事故，造成重大的人員財產(chǎn)損失。如若不對缺陷進(jìn)行分析就更換設(shè)備，同樣會對經(jīng)濟效應(yīng)產(chǎn)生重大的影響。因此，有必要對缺陷進(jìn)行擴展分析，確定其是否會發(fā)生裂紋起裂，是否會擴展，在下個檢驗周期內(nèi)的擴展量，以最終確定是對設(shè)備進(jìn)行立即更換，還是延遲更換或是保持現(xiàn)狀，繼續(xù)使用。

如若相關(guān)顯示出現(xiàn)了顯著變化；或是根據(jù)缺陷特征和其可能起因的物理現(xiàn)象，可以懷疑缺陷在其初始出現(xiàn)后已經(jīng)擴展，或在后續(xù)運行中將擴展；又或是對于涉及的設(shè)備及其應(yīng)力狀態(tài)，在危害性定性分析時對缺陷擴展風(fēng)險評價可以懷疑因為性質(zhì)和位置的關(guān)系缺陷可能擴展，則認(rèn)為存在缺陷擴展。

（3）缺陷危害性評價。目的是為了評價構(gòu)件中是否存在缺陷和其可能的擴展對于部件的完整性的危害。其關(guān)注的重點在于現(xiàn)在到將來某一規(guī)定的時間段。危害性評價是對缺陷特性的研究，即對失穩(wěn)和裂紋擴展風(fēng)險的研究。其包括系統(tǒng)性缺陷特性定性評價、不同類型缺陷特性定量分析系統(tǒng)性的評價以及對設(shè)備、人身、財產(chǎn)安全的影響分析。

（4）部件狀況評價。部件狀況評價以缺陷評判、擴展假設(shè)、力學(xué)特性分析（裂紋擴展和失穩(wěn)）為基礎(chǔ)，旨在揭示復(fù)合損傷，以及快速擴展，或隨機擴展的動力。通過評估局部或整體修理的風(fēng)險，以決定是否進(jìn)行局部或整體部件更換。

（5）裝置安全及人身風(fēng)險評價。根據(jù)裝置安全分析報告和設(shè)備的安全分級，確定失效部件安全后果分析的內(nèi)容和范圍，在分析中應(yīng)考慮在偏差處理中遇到的缺陷、缺陷的危害性、預(yù)防和降低危害的措施。如若懷疑缺陷穿透了管壁，則應(yīng)確認(rèn)泄漏對裝置安全性評價的影響。

1.3 選擇和生效處理方法

本階段幫助運營單位確定處理方法，其依據(jù)前面階段獲取的信息而展開。其包括不同處理方法的評估以及分析所設(shè)想方法的后果。

在偏差分析之后，應(yīng)選擇偏差解決方案。進(jìn)行方案選擇時，應(yīng)同時考慮按照偏差得出的結(jié)論以及部件的RSE-M級別。主一回路和主二回路部件應(yīng)完全執(zhí)行這些準(zhǔn)則。對于其它部件，準(zhǔn)則的執(zhí)行根據(jù)部件對于裝置安全、人員和財產(chǎn)安全的影響來確定。

當(dāng)裂紋擴展或失穩(wěn)風(fēng)險很高，應(yīng)選擇立即修理或延后擇時修理的方案對偏差進(jìn)行處理，在缺陷的可能起源追溯為裝置運行條件時尤應(yīng)如此；如果不存在偏差擴展的可能性，偏差可不做處理而原樣接受。如果準(zhǔn)備延后擇時修理，該決定應(yīng)同時得到缺陷力學(xué)特性定量分析和缺陷擴展動力研究的論證。

1.4 修理方案的執(zhí)行

修理方案包括：

——原樣接受；

——永久修理；

——延遲修理；

——臨時修理。

2 相關(guān)閾值

缺陷評價過程中的閾值包括記錄閾值、評判閾值以及擴展閾值。

2.1 記錄閾值

顯示的記錄閾值是一個測量參數(shù)值，超過這個值應(yīng)進(jìn)行處理。依據(jù)的檢查方法和檢查區(qū)域不同，記錄閾值也不相同。

（1）超聲檢驗記錄閾值

根據(jù)RSEM（核電廠核島機械設(shè)備在役檢查規(guī)則），使用2 MHz的標(biāo)準(zhǔn)探頭，與參考回波相比，如下回波高度的顯示須記錄：

——對主一回路部件的檢查，大于或等于參考反射體回波幅度的25%；

——其他系統(tǒng)部件的檢查，大于或等于參考反射體回波幅度的50%；

——在適用不同的規(guī)程（探頭，參考反射體，等），應(yīng)采用與靈敏度等級相對應(yīng)的記錄閾值。

（2）射線檢驗記錄閾值。對于射線檢驗方法，所有大于或等于4mm的顯示，無論是否與物理缺陷相關(guān)，均應(yīng)記錄。

（3）滲透檢驗記錄閾值。

——單道密封焊縫（如射線檢測孔塞等）、異種金屬焊縫和密封面：所有滲透檢測的顯示均應(yīng)記錄。

——多道密封焊縫和其他區(qū)域：所有長度大于2 mm的顯示均應(yīng)記錄。

（4）磁粉檢驗記錄閾值。檢測區(qū)域內(nèi)所有大于2mm的顯示均應(yīng)記錄。

（5）目視檢驗記錄閾值。以下顯示應(yīng)予以記錄：

——機械異常，例如斷裂、松動或零件缺失；

——任何外來異物；

——明顯的變形，包括沖擊造成的變形；

——泄漏、滲漏或硼結(jié)晶的痕跡；

——缺陷外表痕跡，例如紅褐色、氧化層、沉積物、氧化皮或其它明顯的污染。

2.2 評判閾值

顯示的評判閾值的設(shè)定通常大于或等于對應(yīng)的記錄閾值。當(dāng)測量值超過評判閾值時，應(yīng)實施其他檢測以評判該缺陷是真實的或是值得懷疑的。所依據(jù)的檢驗方法和檢驗部位的不同，則評判閾值也不同。

2.3 擴展閾值

擴展閾值是表述在先后進(jìn)行的無損檢測中所測量參數(shù)的變化限制：

（1）表面檢驗：長度變化5mm；

（2）射線檢驗：下面兩個值中的較小者：

——長度變化：10mm或厚度的1/3；

（3）超聲檢驗；超過下列三種情況之一將視為顯著變化：

——幅值變化大于6dB；

——垂直于聲束軸線的尺寸變化：大于缺陷聲程處1.5倍聲束寬度，或大于1.5倍聚焦點尺寸；

——當(dāng)采用TOFD技術(shù)時缺陷深度方向的變化：取決于探頭的頻帶，基于個案進(jìn)行確定。

（4）渦流檢測。前后進(jìn)行的檢驗顯示的變化滿足下述條件之一：

——幅值變化：≥30%；

——長度變化：大于或等于2倍的傳感器影響區(qū)域。

3 驗收標(biāo)準(zhǔn)

驗收標(biāo)準(zhǔn)是缺陷評價的重要階段，滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)的要求，說明缺陷可以接受，設(shè)備可以選擇繼續(xù)運行，否則，應(yīng)選擇修理方案。

對于平面型缺陷和體積型缺陷，所使用的驗收標(biāo)準(zhǔn)是不同的。

3.1 平面型缺陷的驗收標(biāo)準(zhǔn)

平面型缺陷根據(jù)其在設(shè)備中所處的位置可分為：

——平面型外表面缺陷；

——平面型埋藏缺陷；

——平面型內(nèi)表面缺陷；

無論對于哪種類型的平面型缺陷，均可表征為長為L，深為A的橢圓或半橢圓缺陷。

對于引進(jìn)法國技術(shù)的壓水堆核電站，不同的設(shè)備對應(yīng)不同的驗收標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 體積型缺陷的驗收準(zhǔn)則

體積型缺陷的驗收準(zhǔn)則如下：

（1）滲透檢驗。以下顯示均為不合格：

——最大尺寸大于4mm的圓形顯示；

——一條直線上的3個或超過3個顯示,并且顯示邊與邊之間的距離小于3mm；

——面積為100cm2的矩形框范圍內(nèi)存在8個或以上顯示,矩形框應(yīng)選擇在顯示最密集的區(qū)域且矩形框的最大邊長不大于20cm。

（2）磁粉檢驗。以下顯示均為不合格：

——大于4mm的非線性顯示；

——一條直線上的3個或超過3個顯示,其邊緣之間的距離小于3mm的顯示。

（3）射線檢驗。以下顯示均為不合格：

——直徑大于4mm的氣孔；

——直徑大于6mm的夾渣；

（4）超聲檢驗。最大允許長度不超過20mm。

4 缺陷評價中的力學(xué)分析

4.1 疲勞擴展分析

構(gòu)件在交變載荷的長時間作用下發(fā)生失效的現(xiàn)象稱為疲勞。構(gòu)件的疲勞破壞一般分為裂紋萌生、疲勞擴展、瞬時斷裂等幾個階段。構(gòu)件承受交變載荷的每一循環(huán)之后，金屬局部就積累一定數(shù)量的微觀缺陷，累計到一定程度就會萌生疲勞裂紋，裂紋隨著交變載荷慢慢擴展，最后破壞。

缺陷擴展分析旨在研究缺陷擴展機理，確定缺陷在所考慮時間段內(nèi)的擴展速率和擴展量，得出所考慮時間末期，以此來分析此缺陷是否會給設(shè)備安全性帶來影響。

缺陷擴展的分析應(yīng)考慮下述三個時刻：

——設(shè)備開始服役的時刻0；

——實施分析的時刻t0；

——設(shè)計中所考慮的在役末期時刻tf。

計算公式見式（1）：

ΔK——應(yīng)力強度因子變化幅值；

C，n——系數(shù)。

4.2 快速斷裂分析

對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)和零件來說，宏觀裂紋的存在是不可避免的。由于裂紋的存在，并且其擴展到一定程度，便會引起斷裂。快速斷裂分析即是研究設(shè)備在所處的工況下，是否會由于缺陷的存在而斷裂。

對于鐵素體鋼的部件，分析快速斷裂模式取決于所考慮缺陷部位的溫度T：

——T-RTNDT小于50℃時，脆性區(qū)域或過渡區(qū)域發(fā)生脆性斷裂；

——T-RTNDT大于50℃時，發(fā)生韌性斷裂。

4.3 塑性失穩(wěn)分析

一次應(yīng)力為直接參與和機械載荷平衡的應(yīng)力類別。因此，在塑性變形的情況下，一次盈利還繼續(xù)存在，當(dāng)一次應(yīng)力超過材料的屈服極限時，會引起過度變形。為此，必須對一次應(yīng)力加以限制以防止過度變形失效。塑性變形僅在過度變形之后才會發(fā)生，所以一次應(yīng)力準(zhǔn)則同樣保證無塑性失穩(wěn)的危險。因此，可用許用應(yīng)力強度來保證過度變形和塑性失穩(wěn)之間具有足夠的安全裕度。

分析缺陷部件的塑性失穩(wěn)風(fēng)險，分析時應(yīng)考慮因存在缺陷而導(dǎo)致減少的承載截面。

5 結(jié)語

本文根據(jù)RSEM(核電廠核島機械設(shè)備在役檢查規(guī)則)與RCCM(壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計建造規(guī)則)，給出了一套缺陷評價方法，詳細(xì)描述了針對缺陷的缺陷評價流程,驗收準(zhǔn)則以及缺陷評價方法，給核電在役檢查從業(yè)人員進(jìn)行缺陷評價提供了參考。本文給出的缺陷評價流程包括顯示識別、偏差分析、選擇處理方法、執(zhí)行處理方案。本文給出的缺陷評價體系尚不夠完善，由很多地方有待改進(jìn)。

[1]王慶武.核電站在役檢查探討[J].中國核電,2008(02):156-161.

[2]梅德松.關(guān)于核電站在役檢查標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].核動力工程,1994(03):219-221.

夏朋(1988—)，湖北黃岡人，助理工程師，碩士研究生，從事核電站在役檢查相關(guān)工作。