核電廠常規(guī)島管道腐蝕缺陷快速評估方法研究

張 維，王東輝，夏煒銘，李邱達，鄭 會

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300；2.國核電站運行服務(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，使管道強度降低并產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重時造成管壁穿孔或破壞等泄漏事故。根據(jù)運行經(jīng)驗，隨著管道運行時間的增加，管道內(nèi)壁腐蝕穿孔導(dǎo)致的泄漏問題會越來越嚴(yán)重，已引起國內(nèi)外核電廠的重視。本文通過分析壓力管道減薄缺陷評價方法的理論基礎(chǔ)，對比主流評價方法的不同，綜合考慮各評價方法的特點，總結(jié)出常規(guī)島管道腐蝕缺陷的快速評價方法。

1 管道評價理論

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、塑形變性以至達到強度極限，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行計算，API579[2]同樣采用強度評估方法評估壁厚減薄。不同的是，ASME B31G 主要從缺陷的軸向長度做評價，而API 579 不僅考慮缺陷軸向，對周向長度和缺陷深度也進行評價。從本質(zhì)上來說，兩規(guī)范的評價均要求計算應(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]也允許采用接管補強方法評價非平面貫穿缺陷。接管補強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強要求，對于垂直主管的支管，受內(nèi)壓管件在任何給定平面內(nèi)所需要的補強總截面積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，所要求補強的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。

以上是核級管道的接管補強應(yīng)滿足的要求。與核級管道相比，常規(guī)島管道在抗腐蝕、探傷和強度方面的要求更低，但管道設(shè)計理論和基礎(chǔ)是一致的。對比ASME III、B31.1 及國內(nèi)汽水管道設(shè)計規(guī)范，各規(guī)范中對設(shè)計壓力所要求的最小壁厚計算公式見表1。

表1 最小管道壁厚計算公式對比

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

2 管道減薄評價方法

2.1 接管補強評價方法

采用接管補強方法評價非平面減薄缺陷時，可將金屬損失區(qū)域視為管道開孔，參考上文給出的補強要求，可對減薄區(qū)域進行評價。接管補強規(guī)則在管道減薄評價中的使用方法如圖1 所示。

圖1 局部減薄補強面積示意

接管補強主要考慮補強材料的體積量以及補強材料與開孔的相對位置，采用接管補強評價方法時，僅需知道管道的壓力載荷。對于減薄量超出管道最小設(shè)計壁厚的情況，超出區(qū)域的面積可保守計算為：

按照補強原則，需要在減薄區(qū)域周圍均勻分布足夠的管道材料做為補充。補足區(qū)域面積可以計算為：

按照補強原則，要求補足材料應(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Lm的環(huán)形平板，考慮周圍補強區(qū)域足夠承受管道的軸向和環(huán)向應(yīng)力，對平板的主要載荷僅是管道的壓力，同時考慮平板所受的應(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，考慮補強的有效范圍，還需滿足壁厚小于tmin的減薄區(qū)域長度Lm不大于，即同時還需滿足：

通過上述分析可知，基于接管補強原則的管道減薄評估方法依賴管道名義壁厚tnom和整個減薄區(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)計壁厚tmin的情況。如果管道名義壁厚等于最小設(shè)計壁厚，在該評估原則下，不允許發(fā)生局部減薄。

2.2 API 579 評估方法

API 579-1/ASME FFS-1 是評估非安全相關(guān)管道壁厚減薄的首要選擇。其中，一級評價方法適用于運行溫度低于149 ℃的管道，對于超出該溫度范圍的管道，可以采用二級評價方法。

首先根據(jù)金屬損失大小，按升序排列各測量壁厚值，評價的起始點設(shè)為最大金屬損失位置（點壁厚讀數(shù)最小處）。在評價起點處，將壁厚橫截面分為一系列子域，如圖2 所示。，同時計算該子域缺陷的參量λ、鼓脹系數(shù)Mt，以及剩余強度系數(shù)RSF。每個截面分別計算，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行。如RSF＜RSFa，但允許工作壓力與剩余強度系數(shù)的比值大于等于運行壓力，則可以在現(xiàn)有運行壓力下運行。該評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 確定剩余強度系數(shù)RSF 時缺陷子域劃分示意

3 管道評估應(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 號鋼，管道外徑325 mm，名義壁厚tnom=8 mm，管道設(shè)計溫度243 ℃，設(shè)計壓力3.469 MPa。查設(shè)計規(guī)范得到設(shè)計溫度下管道許用應(yīng)力Sm=125 MPa，管道最小屈服強度157 MPa。

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

表2 管道壁厚測量數(shù)據(jù) mm

3.1 基于補強的評估方法

不考慮管道附加厚度，計算得到管道最小設(shè)計壁厚tmin=6.46 mm，小于最小設(shè)計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。對照測厚數(shù)據(jù)中的最小測量壁厚4.5 mm，即采用該評估方法得出：減薄管道無法繼續(xù)運行。

3.2 基于API 579 的評估

采用API 579 二級評估方法，將管道減薄區(qū)域分為3 個子域分別分析。計算得到最小剩余強度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度系數(shù)的比值=6.4 MPa，大于管道設(shè)計壓力。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)測不同類型載荷失效的一種有效而現(xiàn)實的方法。有限元分析可以有效預(yù)測結(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，小于運行溫度下材料最小屈服強度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度時，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，基于補強的評價方法計算簡單，但保守度高，可用于管道減薄缺陷的快速評定。API 579 二級評價方法考慮了腐蝕缺陷的輪廓對評估結(jié)果的影響，保守程度相對低，可用作管道的詳細(xì)評價。此外，同有限元建模及分析流程的復(fù)雜性相比，基于接管補強的評價方法和API 579 二級評價方法可實現(xiàn)數(shù)字化分析，提高管道評估的便捷性。

因此，在檢測到管道壁厚小于設(shè)計最小壁厚時，可首先采用基于補強的評價方法快速評定，如評定結(jié)果不合格，則采用API 579 二級評價方法，更好地為核電運行維護提供支持。