核電廠管道局部壁厚減薄快速評(píng)定方法研究

覃全寧，吳海輝，劉波，陳明亞

（1.臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司，廣東 江門 529200；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215008）

核電廠存在各種高溫、高壓、高流速的水、汽兩相介質(zhì)的壓力管道。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由于管道內(nèi)壁長(zhǎng)期受到介質(zhì)的沖刷，在管道焊縫、彎管等局部區(qū)域常常會(huì)發(fā)生減薄的現(xiàn)象。在核電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，如果檢測(cè)到壓力管道壁厚減薄現(xiàn)象，需要快速評(píng)估壁厚減薄的管道是否仍然滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，并判斷是否需要更換管道。通常，壓力管道的更換或維修操作需要在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行。因此，發(fā)展一種壓力管道壁厚減薄的快速評(píng)定方法對(duì)滿足工程實(shí)際需要具有重要意義。

法國RCC-M規(guī)范、美國ASME規(guī)范、歐洲EN規(guī)范、英國API579規(guī)范均給出了壓力管道設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和缺陷（管道局部減薄屬于體積型缺陷）的評(píng)價(jià)要求?；谙嚓P(guān)規(guī)范開發(fā)的管道工程設(shè)計(jì)軟件SYSPIPE、CAESAR等，多是基于管道均勻壁厚的設(shè)計(jì)假設(shè)進(jìn)行開發(fā)的。對(duì)于局部減薄的管道，存在局部剛度降低引起的管系應(yīng)力集中問題，通常需要建立三維有限元模型進(jìn)行詳細(xì)的分析評(píng)估。此方法分析復(fù)雜，難以快速提供技術(shù)評(píng)估結(jié)論。

通過梳理RCC-M設(shè)計(jì)規(guī)范的基本要求和工程分析假設(shè)，提出了一種管道壁厚減薄的快速評(píng)定方法，該方法能滿足不同工況下管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求。

1 快速評(píng)估方法理論模型

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，快速評(píng)定管道壁厚減薄后的應(yīng)力時(shí)，需做以下三個(gè)方面的工程假設(shè)。

1）壓力管道設(shè)計(jì)中，首先需要保證滿足最小設(shè)計(jì)壁厚的要求。在計(jì)算最小壁厚時(shí)，假設(shè)管壁是均勻減薄，可以計(jì)算出管壁減薄后的截面模量。

2）局部減薄后，在管道的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)前應(yīng)進(jìn)行光滑打磨，并盡可能使管壁均勻過渡。評(píng)價(jià)中認(rèn)為，管壁減薄處的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)與臨近節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)相同，或設(shè)定一個(gè)增加比例（可根據(jù)壁厚實(shí)際較少量和打磨后的結(jié)構(gòu)計(jì)算出應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的增加比例）。

3）在小范圍內(nèi)的壁厚減薄，可假設(shè)管道外部載荷未發(fā)生變化，認(rèn)為管壁減薄后的載荷與減薄前的載荷保持不變。

基于上述假設(shè)，文中提出的管道完整性設(shè)計(jì)要求評(píng)定流程如圖1所示，主要包含三個(gè)方面的內(nèi)容：1）最小壁厚計(jì)算；2）結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)；3）功能性評(píng)價(jià)。

圖1 管道完整性/功能性評(píng)定流程Fig.1 Flow chart of pipe integrity and functionality estimation

1.1 管道最小壁厚設(shè)計(jì)要求

以法國RCC-M設(shè)計(jì)規(guī)范為例，介紹核電廠規(guī)范2級(jí)管道直管段最小壁厚t的計(jì)算方法。受內(nèi)壓直管要求的最小壁厚（包括機(jī)械強(qiáng)度裕量），不應(yīng)小于式（1）和式（2）所確定的值。

式中：為所需最小壁厚，mm，如果管道按公稱壁厚定義，應(yīng)考慮壁厚的制造公差，公稱壁厚至少應(yīng)為由式（1）、式（2）確定的值加上制造公差；為設(shè)計(jì)內(nèi)壓，MPa；為管道外徑，mm；為管道材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；為附加厚度，腐蝕發(fā)生時(shí)，管道壁厚的裕量應(yīng)與管道壽期保持一致，主要考慮管道壽命和腐蝕速率等的影響，對(duì)碳鋼管一般取1.6 mm，不銹鋼取0 mm；為系數(shù)，取值0.4，但對(duì)＜6的管道，其值由下式確定：

對(duì)于彎管，最小壁厚不應(yīng)小于直管所要求的壁厚乘式（4）或式（5）的系數(shù)。

式中：為彎頭的彎曲半徑與管道內(nèi)徑之比。

如果實(shí)測(cè)壁厚值不大于最小壁厚，則需要進(jìn)行管道更換；如果實(shí)測(cè)壁厚不小于最小壁厚，需進(jìn)行后續(xù)的管道完整性評(píng)定等內(nèi)容。

1.2 管道完整性設(shè)計(jì)要求

1）設(shè)計(jì)工況（O級(jí)準(zhǔn)則）。設(shè)計(jì)工況主要考慮設(shè)計(jì)壓力、質(zhì)量和其他設(shè)計(jì)機(jī)械載荷在管道上產(chǎn)生的應(yīng)力總和，其不能超過許用應(yīng)力，應(yīng)力計(jì)算公式和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如式（6）所示。

式中：為管道壁厚；為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；為永久性載荷作用在管道上的力矩；為截面模量，=(π/4)(-)；為設(shè)計(jì)壓力；為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力。

2）正常工況（A級(jí)準(zhǔn)則）。正常工況主要考慮熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力變化范圍，其不能超過許用應(yīng)力，應(yīng)力計(jì)算公式和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如式（7）所示。

式中：為熱膨脹和其他循環(huán)載荷作用下的彎矩范圍，N·mm；為熱疲勞下的許用應(yīng)力變化范圍，MPa。

如式（7）校驗(yàn)不通過，根據(jù)RCC-M的要求，可選擇式（8）進(jìn)行評(píng)定，如若式（8）通過，也可視為滿足要求。由壓力、質(zhì)量、其他持續(xù)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力和熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力變化范圍的總和應(yīng)滿足式（8）。

3）異常工況（B級(jí)準(zhǔn)則）。異常工況主要評(píng)定擾動(dòng)、緊急、事故工況下的最大工作壓力和管道、介質(zhì)質(zhì)量、地震等載荷在管道上產(chǎn)生的應(yīng)力總和，其不能超過許用應(yīng)力，應(yīng)力計(jì)算公式和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如式（9）所示。

4）事故工況（D級(jí)準(zhǔn)則）。事故工況時(shí)，若壓應(yīng)力很低，，則應(yīng)滿足式（10）。

式中：為最大壓力，MPa；為最高設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；為永久性載荷作用下的彎矩，N·mm；為偶然機(jī)械載荷作用下的彎矩，N·mm；為限值系數(shù)，B級(jí)準(zhǔn)則取1.2，緊急工況（C級(jí)準(zhǔn)則）取1.8，事故工況（D級(jí)準(zhǔn)則）取2.4。

5）錨固點(diǎn)位移應(yīng)力。錨固點(diǎn)位移應(yīng)力主要評(píng)定由非往復(fù)式錨固點(diǎn)位移（地基沉降等）等載荷在管道上產(chǎn)生的應(yīng)力總和不能超過許用應(yīng)力，根據(jù)RCC-M規(guī)范C3653節(jié)內(nèi)容，應(yīng)力計(jì)算公式和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如式（11）。

式中：為由非往復(fù)式錨固點(diǎn)位移產(chǎn)生的彎矩，N·mm；為室溫下的基本許用應(yīng)力，MPa。

1.3 管道功能性設(shè)計(jì)要求

在事故工況下，管道不僅僅要滿足壓力邊界完整性的要求，而且要保證一定的最低流速。對(duì)于一次應(yīng)力的做法是：用C級(jí)準(zhǔn)則的許用應(yīng)力校驗(yàn)，保證其功能性的實(shí)現(xiàn)，即一次應(yīng)力不超過1.8。對(duì)于二次應(yīng)力，比如熱膨脹和廠房位移，在管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中未給出在緊急和事故工況下保證管道完整性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，基于國外核電廠的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定二次應(yīng)力不超過3，以滿足功能性要求。

2 工程實(shí)踐

為了驗(yàn)證上述核電廠核島管道壁厚減薄快速評(píng)定方法的可靠性，選取國內(nèi)某核電廠核島某管道，分別采用快速評(píng)定方法和SYSPIPE軟件進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比研究分析結(jié)果。

2.1 輸入數(shù)據(jù)

某核電廠管道相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，壁厚減薄后管道實(shí)際測(cè)量的參數(shù)見表2。管道外徑、最大內(nèi)壓不變，僅管道壁厚發(fā)生改變。

表1 管道相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of the pipe

2.2 最小壁厚校核

基于式（1）—（6）計(jì)算最小壁厚，結(jié)果見表2，直管段和彎管段的最小壁厚仍滿足規(guī)范要求，安全裕量分別為2.40和1.09。

表2 壁厚減薄后管道參數(shù)Tab.2 Parameters after pipe wall thinning

2.3 管道完整性分析

分別采用管道壁厚減薄快速評(píng)定方法和SYSPIPE軟件有限元分析方法對(duì)管道減薄后的應(yīng)力和功能性進(jìn)行評(píng)定。壁厚未發(fā)生減薄前，管道分析位置（服役中發(fā)生沖刷減薄點(diǎn)）的應(yīng)力校核結(jié)果見表3，管道安全裕度最低有36%。

表3 管道未減薄前應(yīng)力分析結(jié)果Tab.3 Stress results of the pipeline before wall-thinning

管道外徑、內(nèi)壓不變，原壁厚為6.35 mm，減薄量為2.35 mm，壁厚減薄比例為37%，減薄點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。快速評(píng)定方法獲得的各個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則結(jié)果均偏保守，兩種方法計(jì)算得到的應(yīng)力比最大偏差為0.26?？焖僭u(píng)定方法是基于較為安全的假設(shè)條件，因此計(jì)算得出的結(jié)果較安全。在正常工況下，采用快速評(píng)定方法計(jì)算得到的應(yīng)力比為1.01，采用SYSPIPE軟件有限元分析方法計(jì)算得到的應(yīng)力比為0.75，兩者計(jì)算偏差為0.26。

表4 管道減薄后應(yīng)力分析結(jié)果Tab.4 Stress results of the pipeline after wall-thinning

2.4 管道功能性校核

事故工況下，未發(fā)生減薄前，分析位置管道功能性校核結(jié)果見表5，管道設(shè)計(jì)功能性具有較大的安全裕度。

表5 管道未減薄前分析點(diǎn)管道功能性校核結(jié)果Tab.5 Pipe functionality analysis before wall-thinning

壁厚減薄比例達(dá)0.37后，減薄點(diǎn)的管道功能性評(píng)定結(jié)果見表6。兩種計(jì)算方法的應(yīng)力比最大偏差是0.27，二次應(yīng)力采用快速評(píng)定方法計(jì)算得到的應(yīng)力比為1.03，采用SYSPIPE軟件有限元分析方法計(jì)算得到的應(yīng)力比為0.76，兩種方法計(jì)算結(jié)果偏差為0.27。快速評(píng)定方法獲得的結(jié)果仍是偏保守的。

表6 管道減薄后管道功能性評(píng)定結(jié)果Tab.6 Pipe functionality analysis after wall-thinning

3 結(jié)論

1）基于所提的3個(gè)分析假設(shè)，提出了管道完整性設(shè)計(jì)要求評(píng)定流程，主要包含最小壁厚計(jì)算、結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)、功能性評(píng)價(jià)這三個(gè)方面的內(nèi)容。

2）快速評(píng)定方法是一種偏安全的計(jì)算方法，計(jì)算得出的應(yīng)力比不小于SYSPIPE軟件計(jì)算得出的應(yīng)力比。在管道的功能性評(píng)定中，各公式下的計(jì)算應(yīng)力比不小于SYSPIPE軟件的計(jì)算應(yīng)力比。

3）管道壁厚減薄快速評(píng)定方法是一種通用工程實(shí)踐方法，并在國內(nèi)多個(gè)核電機(jī)組得到工程實(shí)踐應(yīng)用，為電廠實(shí)際運(yùn)行提供了一種快速、可靠的技術(shù)分析方法。