上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司 陳 坤 潘科琪 祁 濤

核電站內(nèi)有大量的壓力管道，壓力管道運(yùn)行中會(huì)受到諸多載荷因素的影響導(dǎo)致管道上可能有各種裂紋型缺陷萌生或裂紋擴(kuò)展，管道缺陷是導(dǎo)致管道破壞失效的主要原因之一。受建造、安裝和在役運(yùn)行等因素影響，管道焊縫位置較易產(chǎn)生裂縫缺陷，其存在會(huì)影響到核電站的安全運(yùn)營(yíng)。由于在役運(yùn)行核電廠廠房?jī)?nèi)存在核輻射較高、區(qū)域內(nèi)不易達(dá)等因素，有效快速的判斷焊縫缺陷擴(kuò)展對(duì)壽期內(nèi)管道的影響，對(duì)于管線的安全運(yùn)行、維修、更換決策以及降低維修風(fēng)險(xiǎn)等顯得尤為重要。

在裂紋疲勞擴(kuò)展的研究中普遍采用有限元的方法對(duì)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行計(jì)算，其存在分析周期長(zhǎng)、過(guò)程復(fù)雜、占用計(jì)算資源多、不利于快速計(jì)算等約束。管道裂紋擴(kuò)展分析亦可采用ASME規(guī)范第XI卷的公式法進(jìn)行，可將管道焊縫存在的裂縫型缺陷視為裂紋進(jìn)行疲勞擴(kuò)展分析。某核電廠核級(jí)支管座焊縫存在未熔合或未焊透缺陷，該類型的焊縫缺陷可視為裂縫型缺陷。按照規(guī)范要求，裂紋的擴(kuò)展分析應(yīng)分為碳鋼和不銹鋼兩種情況，在評(píng)定過(guò)程中選取具有代表性的缺陷尺寸并保守視為管道內(nèi)表面周向裂紋，考慮各種管道載荷工況和焊縫殘余應(yīng)力的作用，分析了壽期內(nèi)缺陷疲勞裂紋擴(kuò)展情況，為管道焊縫缺陷評(píng)估提供快速有效的方法和流程。

1 ASME第XI卷缺陷評(píng)價(jià)過(guò)程

如果在役檢查中發(fā)現(xiàn)了管道焊縫缺陷，可根據(jù)ASME第XI卷IWA-3000和C-2000確定缺陷類型，進(jìn)行缺陷的歸并。

1.1 焊縫缺陷的篩選

依據(jù)ASME第XI卷IWB-3514.3節(jié)奧氏體鋼管的允許缺陷標(biāo)準(zhǔn)要求，允許缺陷尺寸不得超過(guò)表IWB-3514-2允許缺陷限值；對(duì)于碳鋼材料，依據(jù)IWB-3514-1鐵素體鋼的允許缺陷標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)碳鋼管道缺陷進(jìn)行篩選。如現(xiàn)存缺陷超出規(guī)范的篩選要求，可依據(jù)ASME第XI卷附錄C進(jìn)行缺陷的進(jìn)一步分析評(píng)定。

1.2 焊縫缺陷的計(jì)算分析過(guò)程

ASME第XI卷附錄C計(jì)算評(píng)定缺陷擴(kuò)展的主要流程如圖1，缺陷擴(kuò)展分析主要是應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算，疲勞擴(kuò)展分析以缺陷計(jì)算分析后的評(píng)定和驗(yàn)收準(zhǔn)則選用。

1.2.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算

根據(jù)ASME第XI卷附錄C-2500管道應(yīng)力規(guī)定，結(jié)合管道運(yùn)行壓力和管道載荷計(jì)算周向缺陷的膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力分別為：σm=pD/4t,σb=DMb/2I,σe=DMe/2I,根 據(jù)ASME第XI卷附錄C-7410和C-4311計(jì)算周向缺陷的應(yīng)力強(qiáng)度因子 ：KI=KIm+KIb+KIr，KIm+[P/2πRmt](πa/1000)0.5Fm，KIb=[M/2πR2mt](πa/1000)0.5Fb，KIr=σIr(πa/1000)0.5，其中M=Mb+Me；σIr為殘余應(yīng)力；KIm、KIb為薄膜、彎曲載荷應(yīng)力強(qiáng)度因子；系數(shù)Fm，F(xiàn)b的表達(dá)式分別為 ：Fm=1.1+x[0.1524+16.772(xθ/π)0.855-14.944(xθ/π)]，F(xiàn)b=1.1+x[-0.09967+5.0057(xθ/π)0.565-2.8329(xθ/π)]，。

1.2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展分析

不銹鋼材料依據(jù)ASME第XI卷C-8410奧氏體不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展公式(1)計(jì)算壽期末裂紋深度af和長(zhǎng)度lf。其中， C是考慮溫度影響比例參數(shù)，S是考慮載荷比影響的比例參數(shù)，具體表達(dá)式分別為：

對(duì)于碳鋼材料，式（1）中材料參數(shù)參考附錄A-4300，對(duì)于低ΔK，C=1.48×10-1，對(duì)于高ΔK，C=2.13×10-6，具體其它參數(shù)均參考A-4300。

1.2.3 缺陷驗(yàn)收準(zhǔn)則

依據(jù)ASME第XI卷附錄C-4210，奧氏體不銹鋼的失效模式為塑性垮塌。依據(jù)ASME規(guī)范第II卷PartD可獲取材料屈服應(yīng)力強(qiáng)度σy、抗拉應(yīng)力強(qiáng)度σu及設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度σm，計(jì)算流動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度為σf=(σy+σu)/2。ASME第XI卷C-5310允 許 裂紋缺陷深度（表值解）可計(jì)算允許裂紋深度。依據(jù)表C-5310-1～4計(jì)算得到許用裂紋深度aallow。依據(jù)ASME第XI卷附錄C-2611要求評(píng)定壽期末缺陷參數(shù)是否滿足準(zhǔn)則要求。

依據(jù)ASME第XI卷附錄C-4210，對(duì)于碳鋼材料需要依據(jù) C-4310計(jì)算進(jìn)而計(jì)算然后根據(jù)SC的數(shù)值進(jìn)一步選擇評(píng)定規(guī)程（圖2）。然后依據(jù)C-6000表值解方法計(jì)算得到許用裂紋深度aallow，依據(jù)ASME第XI卷附錄C-2611要求評(píng)定壽期末缺陷參數(shù)是否滿足準(zhǔn)則要求。

2 壓力管道焊縫缺陷計(jì)算評(píng)定

在役檢查射線檢查顯示，部分核級(jí)管道管座的焊縫出現(xiàn)了未熔合或未焊透等類型的缺陷，如圖3.1，具體數(shù)值見(jiàn)表1?；谠摿鸭y型管道焊縫缺陷，依據(jù)ASME第XI卷對(duì)典型焊縫進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析評(píng)定，管線的信息見(jiàn)表2。

表1 缺陷數(shù)據(jù)

表2 管線信息

保守假設(shè)缺陷類型為管道內(nèi)表面周向缺陷（圖4），其中L為缺陷裂紋長(zhǎng)度，a為缺陷裂紋深度，圖5中為管道裂紋參數(shù)示意圖，其中Rm為管道平均半徑，θ為缺陷角的一半，t為管道壁厚。

2.1 不銹鋼管道焊縫缺陷的評(píng)定

對(duì)于Φ19.05×6.87mm的支管類型，管道材料為奧氏體材料，依據(jù)ASME第XI卷IWB-3514.3節(jié)的允許缺陷標(biāo)準(zhǔn)要求，允許缺陷尺寸不得超過(guò)表IWB-3514-2允許缺陷限值。實(shí)際管道裂紋深度a=3.035mm，表面缺陷a/t=0.442，超出表IWB-3514-2中名義壁厚列對(duì)應(yīng)的允許表面缺陷。通過(guò)對(duì)已有壓水堆核電站中3/8英寸管道的自重、熱脹、地震工況下的3/8英吋支管處載荷、固定支撐處載荷、設(shè)備接管處載荷等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，將載荷包絡(luò)值作為載荷輸入（表3），同時(shí)依據(jù)ASME第III卷NB-3338.2節(jié)應(yīng)力指數(shù)法的要求取焊縫處應(yīng)力指數(shù)為3.3。

表3 不銹鋼管道載荷

根據(jù)設(shè)計(jì)瞬態(tài)信息可知瞬態(tài)循環(huán)次數(shù)為13521次，考慮地震載荷循環(huán)次數(shù)取管道焊縫殘余應(yīng)力為69MPa。依據(jù)ASME第XI卷C-8410奧氏體不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展公式（1）計(jì)算壽期末裂紋深度af=2.888mm和長(zhǎng)度Lf=17.259mm。依據(jù)表 C-5310-1計(jì)算得到保守考慮時(shí)許用裂紋深度aallow=4.466mm，af

2.2 碳鋼管道焊縫缺陷的評(píng)定

對(duì)于Φ38.1×9.63的支管類型，管道材料為奧氏體材料，管道材料為鐵素體材料，依據(jù)IWB-3514-1的允許缺陷標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)管道缺陷進(jìn)行篩選。若缺陷尺寸超出表IWB-3514-4中9.63mm壁厚對(duì)應(yīng)的允許線狀缺陷長(zhǎng)度5.288mm，需要進(jìn)一步進(jìn)行裂紋的擴(kuò)展分析和評(píng)定。根據(jù)ASME第XI卷附錄C-2500管道應(yīng)力規(guī)定，結(jié)合管道運(yùn)行壓力以及管道載荷（表4），計(jì)算周向缺陷薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等。

表4 碳鋼管道載荷

取管道焊縫殘余應(yīng)力為69MPa。在碳鋼管道焊縫缺陷評(píng)估過(guò)程中，高ΔK和低ΔK對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展比例系數(shù)C0相差5個(gè)量級(jí)，因此評(píng)定中需監(jiān)測(cè)載荷比值R以便準(zhǔn)確選取裂紋擴(kuò)展系數(shù)。依據(jù)ASME第XI卷A-4300疲勞裂紋擴(kuò)展公式計(jì)算壽期末裂紋深度af=5.661mm和長(zhǎng)度lf=32.62mm。據(jù)ASME第XI卷附錄C-4210，對(duì)于碳鋼材料應(yīng)依據(jù) C-4310計(jì)算 K’r、S’r，進(jìn)而計(jì)算 SC=K’r/S’r。根據(jù)SC的數(shù)值確定評(píng)定機(jī)理選擇評(píng)定規(guī)程，流程如圖2。計(jì)算 得 到 K’r=0.204，S’r=0.165，SC=1.236，依據(jù)C-6000表值解方法計(jì)算得到許用裂紋深度aallow=7.223mm，af

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)核級(jí)管道焊縫缺陷的擴(kuò)展評(píng)估分析中，應(yīng)用ASME第XI卷缺陷擴(kuò)展的評(píng)估方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則，根據(jù)母材材料屬性分為碳鋼管道和不銹鋼管道兩種情況，別對(duì)管道焊縫的裂紋型缺陷進(jìn)行了擴(kuò)展分析并得到以下結(jié)論：ASME第XI卷包含的驗(yàn)收準(zhǔn)則可對(duì)有缺陷管道焊縫進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)定結(jié)果可以作為修復(fù)或更換決策的參考和依據(jù)；針對(duì)碳鋼和不銹鋼材料的管道，結(jié)合出現(xiàn)的典型未熔合、未焊透問(wèn)題的焊縫缺陷情況進(jìn)行定性評(píng)估，使用規(guī)范的公式法能簡(jiǎn)單快速獲取缺陷擴(kuò)展的影響；從理論方面驗(yàn)證了壽期內(nèi)缺陷擴(kuò)展的趨勢(shì)和結(jié)果，能夠有力支撐了核電廠管線的安全評(píng)審，在確保安全的情況下能夠顯著降低了核電廠業(yè)主方的維修代價(jià)。