核電廠管道應(yīng)變疲勞的光纖原位監(jiān)測與分析

鄭 會，劉 蛟，褚 凱，李 鍇

（國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

核電廠系統(tǒng)管道眾多，主要用于各回路汽水介質(zhì)輸運，長期經(jīng)受高溫高壓，在運行工況調(diào)節(jié)、流體輸送和控制部件影響下，可能出現(xiàn)各種機械—流體和熱—流體動態(tài)效應(yīng)，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(yīng)變疲勞是核電廠管道失效的主要形式，前者主要表現(xiàn)為應(yīng)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(xiàn)為應(yīng)變控制的低周疲勞[2]，需要對管道運行時的應(yīng)變、溫度等進行實時監(jiān)測和分析。但傳統(tǒng)的電阻式應(yīng)變片方法工藝繁瑣，需要在停機時先粘貼應(yīng)變片，并且每片應(yīng)變片只能實現(xiàn)單點監(jiān)測，對于應(yīng)變場或者多點監(jiān)測則需要布置眾多的應(yīng)變片、信號電纜和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如果采用多個子站還有同步問題，采集和分析系統(tǒng)更為復雜。因此，一種安裝方便、準確度高、動態(tài)響應(yīng)快，可以實施大范圍、場測量的原位應(yīng)變、溫度監(jiān)測技術(shù)對于支持核電廠管道疲勞監(jiān)測，尤其是應(yīng)變控制的低周疲勞監(jiān)測與分析頗為重要。

1 監(jiān)測裝置

針對上述核電廠實際需求，研制了高溫高壓原位應(yīng)變和溫度監(jiān)測裝置（圖1），由主機、光纖傳感器和控制、分析軟件三部分構(gòu)成。該裝置主機由LUNA Technology 定制開發(fā)，采用掃描波長干涉技術(shù)，基于光纖的背向瑞利散射進行溫度和應(yīng)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(yīng)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(tǒng)，針對不同溫度壓力工況和環(huán)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(tǒng)，可實景呈現(xiàn)實時應(yīng)變、溫度測量結(jié)果。

圖1 高溫高壓原位應(yīng)變和溫度監(jiān)測裝置

2 現(xiàn)場監(jiān)測與分析

某核電廠不銹鋼抽汽疏水管道多次發(fā)生裂紋開裂引起的泄漏，開裂部位為氣動疏水調(diào)節(jié)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(fā)生泄漏的情況。該管道規(guī)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(chǎn)生泄漏的可能。同時，對于該管道進行的振動測試表明，其穩(wěn)態(tài)和閥門開啟瞬態(tài)振動分別為1.6 mm/s 和2.1 mm/s，屬于振動品質(zhì)優(yōu)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(chǎn)生應(yīng)變疲勞的可能。因此，有必要對該管道的應(yīng)變和溫度進行實時監(jiān)測，以判別閥門開閉是否會引起的較大的應(yīng)變和溫度波動，造成低周疲勞開裂。

如圖2 所示，現(xiàn)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(yīng)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(jiān)測溫度，一圈直接膠水粘貼并沿管道軸向延長一段用于監(jiān)測應(yīng)變。

圖2 光纖原位應(yīng)變、溫度監(jiān)測現(xiàn)場布置及示意

圖3 為測得的原位應(yīng)變和溫度三維顯示，可以明顯看到與閥門3 次啟閉所對應(yīng)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(yīng)變迅速上升，彎頭前后應(yīng)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(xiàn)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(yīng)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(jīng)過熱傳導過程，因此要滯后于應(yīng)變的變化。

圖3 原位應(yīng)變和溫度測量結(jié)果三維顯示

根據(jù)ASME BPVC III 疲勞設(shè)計曲線[2]，按不銹鋼彈性模量E=195×103MPa，對應(yīng)彎前、彎后峰值應(yīng)力分別為318 MPa 和240 MPa，對應(yīng)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(yīng)該指出，這是基于峰值應(yīng)力（應(yīng)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(yīng)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(jīng)驗的驗證。據(jù)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(yīng)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(jié)構(gòu)突變等造成的組織和結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)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(yīng)變和溫度測量結(jié)果最大截面

圖5 疲勞周次計算

3 結(jié)論及建議

所開發(fā)的原位應(yīng)變和溫度監(jiān)測裝置能夠高精度、準確地對核電廠管道的應(yīng)變和溫度變化進行實時原位場監(jiān)測，相比于電阻式應(yīng)變片具有工藝簡便、采樣率高、動態(tài)響應(yīng)好、直觀性強等優(yōu)點。

通過開發(fā)的高溫高壓原位應(yīng)變和溫度監(jiān)測裝置，對核電廠不銹鋼抽汽疏水管道進行了實時監(jiān)測，實現(xiàn)了管道整圈和軸向應(yīng)力和溫度場測量，并明確了其間歇性沖擊—應(yīng)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(jiān)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(xù)疏水。核電廠在采納此建議后在原管道上增加連續(xù)疏水器管道，并停用了間歇疏水閥管道，未再出現(xiàn)類似開裂和泄漏，再次印證了監(jiān)測和分析結(jié)果的有效性。