核電廠熱疲勞監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

張彥召，朱斌，陳明亞，梅金娜

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

設(shè)計階段，核電廠通?；谠O(shè)計基準(zhǔn)瞬態(tài)評估部件壽期內(nèi)的疲勞積使用因子（CUF）。運行經(jīng)驗表明，電廠事實運行參數(shù)常比設(shè)計值更加復(fù)雜。如管道的三通部位常出現(xiàn)冷熱介質(zhì)的混合過程，管道內(nèi)流體流速低且兩端流體存在溫度差時，會發(fā)生冷熱流體分層現(xiàn)象。這些設(shè)計中未能充分考慮的瞬態(tài)常引起部件的疲勞失效。

世界范圍內(nèi)多個核電廠曾發(fā)生過由于熱疲勞導(dǎo)致的管道裂紋事件。某國核電廠2013—2017年期間發(fā)生熱疲勞事件17起，含管道貫穿性裂紋事件3起，造成一回路輔助管道冷卻劑泄漏，并引發(fā)機組停堆。針對設(shè)計中無法精確考慮的瞬態(tài)，主要通過增加額外的局部測點進行在線瞬態(tài)監(jiān)測，從而實現(xiàn)精確評估實際熱循環(huán)載荷對部件疲勞壽命的影響。如美國電力科學(xué)研究院的FatiguePro系統(tǒng)、西屋公司的WESTEMS系統(tǒng)、德國阿?，m的FAMOS系統(tǒng)。國內(nèi)在此方面還處于起步階段，相關(guān)研究顯得必要且迫切。在線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)需要具有較高采樣頻率、監(jiān)測精度和長期服役的可靠性，同時傳統(tǒng)的熱應(yīng)力分析和疲勞評價主要基于有限元方法（FEM），對于在線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，則需要開發(fā)快速計算管道熱應(yīng)力的方法。

文中將首先介紹核電廠熱疲勞形成的機理，然后介紹自主開發(fā)的在役核電廠一回路管道熱疲勞監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱TECMAN系統(tǒng)），包含硬件模塊、軟件評估模塊、工程應(yīng)用情況等。論述基于疲勞監(jiān)測的方法，對優(yōu)化核電廠運行參數(shù)，進而實現(xiàn)核電廠許可證延續(xù)運行（60 a）有重要的指導(dǎo)意義。

1 熱疲勞形成機理

核電廠一回路管道最典型的熱疲勞形成機理為熱分層和熱沖擊。

1.1 熱分層

管道內(nèi)介質(zhì)在流動過程中，較熱、較輕的介質(zhì)會停留于較冷、較重的介質(zhì)上面，從而產(chǎn)生一定的溫度梯度，這種現(xiàn)象稱作熱分層。通常發(fā)生在熱安注管線、波動管水平段等不能與主管段隔離的水平直管位置，由于主管段與支管冷熱流體的作用，這些位置會形成較穩(wěn)定的熱分層。熱分層會使管道膨脹不均而造成彎曲應(yīng)力。當(dāng)流速足夠高時，冷、熱介質(zhì)分界面處的流體溫度脈動會引發(fā)分界面混合，從而在管道靠近內(nèi)表面及鄰近冷、熱介質(zhì)分界面處引發(fā)局部的周期性應(yīng)力變化，這種熱應(yīng)力的反復(fù)變化會引發(fā)管道的熱疲勞。

1.2 熱沖擊

熱沖擊通常是由于流體溫度劇烈變化造成的，其發(fā)生的部位一般為管嘴區(qū)域（如上充管口、噴淋管嘴等）。以穩(wěn)壓器噴淋管為例，由于一回路冷卻水及化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（RCV）再生式熱交換器下游的上充管線水溫度遠(yuǎn)小于穩(wěn)壓器蒸汽溫度，在主噴淋或輔助噴淋啟動時，低溫噴淋水與高溫蒸汽接觸，在穩(wěn)壓器噴淋管嘴處引起劇烈的溫度變化，從而形成熱沖擊。這種熱沖擊會使管嘴處產(chǎn)生熱疲勞。

2 監(jiān)測位置篩選

核電廠一回路輔助管道上現(xiàn)有溫度傳感器并不足以支持對熱疲勞現(xiàn)象的監(jiān)測，需篩選出具體的熱疲勞敏感管道，并在相應(yīng)位置安裝傳感器組件，實施溫度監(jiān)測。熱疲勞敏感管道的篩選通常分為2個層次：首先，在一回路輔助管道及相關(guān)關(guān)注管道清單的基礎(chǔ)上，根據(jù)管道尺寸、材料、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流體溫差情況，篩選出符合要求的管道；其次，結(jié)合國內(nèi)外經(jīng)驗反饋及這些管道的運行工況，對其是否可能發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象進行識別，最終確定敏感管道。

熱疲勞敏感管道篩選完成后，利用有限元方法進行管道內(nèi)流場瞬態(tài)分析和溫度場分析，并結(jié)合周邊位置的溫度場響應(yīng)度，初步判斷監(jiān)測點位。對這些監(jiān)測點位進行現(xiàn)場勘察，核實其是否滿足安裝條件，是否受在役檢查影響等，并根據(jù)實際情況，作出相應(yīng)調(diào)整。通過在篩選出的熱疲勞監(jiān)測點位布設(shè)溫度傳感器組件，能監(jiān)測到由于熱分層、熱沖擊產(chǎn)生的溫度分層和波動，補充電廠現(xiàn)有工藝條件下不能提供的真實溫度數(shù)據(jù)，作為熱瞬態(tài)溫度與應(yīng)力計算的邊界條件。

3 TECMAN系統(tǒng)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)功能

TECMAN系統(tǒng)的主要功能是通過安裝在一回路輔助管道外壁的傳感器組件，監(jiān)測管道內(nèi)流體的溫度梯度分布和瞬態(tài)變化，從而獲得管道真實的熱載荷數(shù)據(jù)。通過將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入熱疲勞評估模型，計算出管道的實際損傷程度。TECMEN系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 TECMEN系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical parameters of TECMAN system

3.2 系統(tǒng)組成

TECMAN系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)測傳感器組件、數(shù)據(jù)采集單元、光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)處理單元等組成，如圖1所示。

圖1 TECMAN系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 System schematic of TECMAN system

溫度監(jiān)測傳感器組件通過柔性鋼帶安裝于一回路輔助管道外壁，其上集成有鎧裝熱電偶，用于測量管道內(nèi)流體的徑向溫度分布和捕捉管道內(nèi)微小的溫度變化。根據(jù)監(jiān)測溫度現(xiàn)象的不同，鋼帶上溫度傳感器的數(shù)量和分布角度也不同，如圖2所示。

圖2 溫度監(jiān)測傳感器組件分布Fig.2 Distribution of temperature monitoring sensors: a)monitoring thermal stratification; b) monitoring thermal shock-1; c) monitoring thermal shock-2

受在役核電廠儀表貫穿件通道數(shù)量少的限制，將數(shù)據(jù)采集單元設(shè)置在安全殼內(nèi)的低劑量區(qū)，通過其內(nèi)置的多通道模擬信號/數(shù)字信號（A/D）轉(zhuǎn)換模塊，將接收到的熱電偶模擬信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并由以太網(wǎng)傳輸至安全殼外。為保證設(shè)備的可靠性和數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)采集單元采用了冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)置就地存儲模塊設(shè)計。當(dāng)單個中央處理器（CPU）或模塊損壞時，系統(tǒng)會自動切換至備用模塊，并繼續(xù)正常工作；當(dāng)安全殼內(nèi)、外通信完全喪失時，存儲模塊能記錄超過18個月的溫度數(shù)據(jù)，保證了監(jiān)測的完整性和數(shù)據(jù)的安全性。

光電轉(zhuǎn)換單元主要是將安全殼內(nèi)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成光信號，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。鏈路采用2路單模光纖，與數(shù)據(jù)采集單元和處理單元內(nèi)的交換機共同構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)單點故障時，不會影響鏈路正常通信，增強了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

數(shù)據(jù)處理單元包括服務(wù)器、監(jiān)視器等硬件設(shè)備，承擔(dān)著數(shù)據(jù)處理、存儲與人-機交互功能。通過熱疲勞監(jiān)測軟件，可對一回路管道流體及系統(tǒng)本身的狀態(tài)進行監(jiān)控，主要實現(xiàn)測點位置、類型及狀態(tài)顯示，以及溫度跟蹤和曲線繪制、數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出、系統(tǒng)故障診斷和報警、通道交叉校驗等功能。數(shù)據(jù)處理單元存儲的監(jiān)測數(shù)據(jù)可導(dǎo)入熱疲勞分析軟件，實現(xiàn)對管道熱疲勞損傷的計算和評估。

3.3 系統(tǒng)開發(fā)原理

基于局部參數(shù)監(jiān)測的疲勞分析過程如圖3所示。基于監(jiān)測局部的壓力、溫度、流速等熱工水力特性，通過一定的數(shù)值方法（傳遞函數(shù)），計算分析部位的應(yīng)力變化過程，再通過規(guī)范化的載荷譜統(tǒng)計方法，計算部件的疲勞損傷（CUF）情況。

圖3 基于局部參數(shù)監(jiān)測的疲勞分析流程Fig.3 Fatigue analysis process based on local parameter monitoring

依據(jù)美國機械工程師協(xié)會（ASME）規(guī)范或法國壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)范（RCC-M）中規(guī)范一級管道的設(shè)計準(zhǔn)則，對于任意2個時刻（例如時刻和），依據(jù)公式（1）計算的總交變應(yīng)力強度()：

式中：、、、、和為RCC-M規(guī)范給出的應(yīng)力指數(shù)；()為和狀態(tài)導(dǎo)致的壓力波動；為材料泊松比；為管道外徑；為管道厚度；為管道截面慣性矩；P()為和時刻的彎矩的平方根；Δ()為和時刻沿壁厚方向上溫度分布的線性部分；Δ()為和時刻沿壁厚方向上溫度分布的非線性部分；為2個位置環(huán)境溫度下的彈性模量；、為a、b位置處的熱膨脹系數(shù)；()、()為溫度的波動范圍；和分別為室溫下的楊氏模量和熱膨脹系數(shù)。

任意應(yīng)力單元體的應(yīng)力包含準(zhǔn)靜態(tài)載荷引起的應(yīng)力和熱沖擊導(dǎo)致的熱應(yīng)力，其中熱應(yīng)力與前一段時間溫度變化的歷史相關(guān)?？捎稍O(shè)計工況下的應(yīng)力進行代數(shù)插值獲取式（1）中的準(zhǔn)靜態(tài)載荷，以及內(nèi)壓、彎矩、熱膨脹載荷引起的應(yīng)力。熱應(yīng)力部分通常需要通過有限元數(shù)值計算法或格林函數(shù)法計算獲得，有限元數(shù)值計算法耗時較多，難以在工程中應(yīng)用計算。格林函數(shù)法方法簡潔、原理可靠，適合于工程上快速計算熱應(yīng)力，相關(guān)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各國的疲勞監(jiān)測系統(tǒng)之中。

格林函數(shù)是一種用來求解有初始條件和邊界條件的函數(shù)，它包含分析部件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、運行工況等信息，通過線性疊加的方法可得到任意源產(chǎn)生的場。基于公式（2），可計算時刻的熱應(yīng)力方法。

核一級管道和設(shè)備采用應(yīng)力強度準(zhǔn)則進行疲勞評價，任一時刻單元體中，應(yīng)力分量包含6個分量（σ、σ、σ、σ、σ、σ），主應(yīng)力（、、，且≥≥）可通過式（4）求解三次方程獲得。基于設(shè)計規(guī)范，可計算該時刻應(yīng)力強度()。

選擇任意2個時刻和的載荷組，其對應(yīng)交變應(yīng)力強度(,)如式（5）所示：

式中：為規(guī)范給定的疲勞曲線對應(yīng)的彈性模量；為所考慮時刻分析位置對應(yīng)溫度下的材料彈性模量；(,)為彈塑性應(yīng)變修正系數(shù)。

通過雨流計數(shù)方法，獲得需要評估的所有循環(huán)配對，查詢疲勞曲線計算對應(yīng)的允許循環(huán)次數(shù)，則相應(yīng)載荷循環(huán)的使用系數(shù)（損傷系數(shù)）為1/。將所有循環(huán)下的使用系數(shù)相加，可得總的CUF（總CUF應(yīng)小于1）。

4 工程應(yīng)用

當(dāng)前，TECMAN系統(tǒng)已在國內(nèi)某核電廠穩(wěn)壓器波動管上開展了示范應(yīng)用，首批監(jiān)測點為4個位置，成功監(jiān)測到機組啟動過程中管道內(nèi)流體的熱分層和熱沖擊現(xiàn)象。從波動管上某測點的溫度監(jiān)測曲線（見圖4）可以看出，管道頂部至底部的溫度呈階梯分布，最大溫差高達107.89 ℃。此外，還監(jiān)測到8個完整的波入波出過程。

圖4 啟機階段TECMAN系統(tǒng)的監(jiān)測曲線Fig.4 Monitoring curve of TECMAN system during a startup phase

如圖5所示，在穩(wěn)壓器波動管上安裝的測量端3上部的2個熱電偶（測點1、測點2）與電廠原有的穩(wěn)壓器內(nèi)部流體溫度監(jiān)測探頭（測點3）位置較近，3個儀表測量數(shù)值與波動基本相同。兩者具有很高的吻合度，表明TECMAN系統(tǒng)數(shù)據(jù)真實可靠。測量端3中下部熱電偶可獲得更多的管道溫度場數(shù)據(jù)，有利于疲勞的精確計算。

圖5 TECMAN系統(tǒng)監(jiān)測可靠性說明示例Fig.5 Examples of monitoring reliability TECMAN system

5 結(jié)語

根據(jù)熱疲勞產(chǎn)生機理，開發(fā)了TECMAN系統(tǒng)，并在核電廠實現(xiàn)了工程應(yīng)用。開發(fā)的TECMAN硬件系統(tǒng)主要包含溫度監(jiān)測傳感器組件、數(shù)據(jù)采集單元、光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)處理單元?；赗CC-M的管道設(shè)計規(guī)范和格林函數(shù)技術(shù)，開發(fā)了可工程應(yīng)用的快速疲勞評估軟件模塊。通過在穩(wěn)壓器波動管上安裝溫度傳感器組件，系統(tǒng)成功監(jiān)測到了啟機階段波動管內(nèi)流體的熱分層和熱沖擊現(xiàn)象，達到了預(yù)期的設(shè)計要求，表明TECMAN監(jiān)測具有較高的可靠性。