鄭 會，劉 蛟，褚 凱，李 鍇

（國核電站運(yùn)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(yùn)，長期經(jīng)受高溫高壓，在運(yùn)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(jī)械—流體和熱—流體動(dòng)態(tài)效應(yīng)，如振動(dòng)、沖擊、熱疲勞、熱膨脹、熱位移等。其中，在流體影響下的振動(dòng)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(dòng)測量和分析進(jìn)行評價(jià)；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(yùn)行時(shí)的應(yīng)變、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)時(shí)先粘貼應(yīng)變片，并且每片應(yīng)變片只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)監(jiān)測，對于應(yīng)變場或者多點(diǎn)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(gè)子站還有同步問題，采集和分析系統(tǒng)更為復(fù)雜。因此，一種安裝方便、準(zhǔn)確度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可以實(shí)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(shí)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(jī)、光纖傳感器和控制、分析軟件三部分構(gòu)成。該裝置主機(jī)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(jìn)行溫度和應(yīng)變傳感，可以達(dá)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(fù)性可達(dá)±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(shí)可以達(dá)到500 ℃范圍甚至更高；軟件包括測控和顯示系統(tǒng)，可實(shí)景呈現(xiàn)實(shí)時(shí)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(dòng)疏水調(diào)節(jié)閥后的第一個(gè)或第二個(gè)彎頭焊縫[3]，并存在停機(jī)補(bǔ)焊修復(fù)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(dòng)加速腐蝕產(chǎn)生泄漏的可能。同時(shí)，對于該管道進(jìn)行的振動(dòng)測試表明，其穩(wěn)態(tài)和閥門開啟瞬態(tài)振動(dòng)分別為1.6 mm/s 和2.1 mm/s，屬于振動(dòng)品質(zhì)優(yōu)秀[4]，可以認(rèn)為不受振動(dòng)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(dòng)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(fù)壓真空，閥門開啟時(shí)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(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)，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(gè)彎頭前后布置光纖對管道整圈進(jìn)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(jìn)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(dá)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(shí)測量的溫度也在周期性變化，彎頭前后溫度分別達(dá)到70 ℃和40 ℃左右，但開啟瞬間幾乎瞬間達(dá)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(dǎo)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(jì)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(jì)算，但是不到5×104的疲勞周次也充分證實(shí)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(fù)后不久即再次開裂的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的驗(yàn)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(rèn)。而焊縫作為管道連接的薄弱點(diǎn)，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(jìn)了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)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(jì)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(zhǔn)確地對核電廠管道的應(yīng)變和溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)好、直觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)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(jī)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。