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核電廠二回路汽水管道局部減薄管理的挑戰(zhàn)和應(yīng)對

2021-02-03 13:14:54 作者：鐘志民來源：腐蝕與防護分享至：

工程經(jīng)驗反饋及有關(guān)研究表明，輕水反應(yīng)堆核電廠二回路汽水管道在管道內(nèi)流體長期作用下，可能會發(fā)生流動加速腐蝕（FAC）、液滴沖擊（LDI）和汽蝕等老化，從而導(dǎo)致管道母材或焊縫發(fā)生局部減薄的老化劣化現(xiàn)象。如不進行有效的預(yù)防性檢測和系統(tǒng)的主動管理，可能會導(dǎo)致管道局部泄漏或破裂。

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業(yè)界對汽水管道的FAC已開展了較多研究、試驗、管理等工作，在設(shè)計、選材、檢測、評估及老化管理上都取得了很大進步和良好成效。

例如，美國電力研究院（EPRI）等機構(gòu)自上世紀(jì)80年代開展相關(guān)研究工作，發(fā)布并定期更新“有效流動加速腐蝕大綱的建議（NSAC-202L）”技術(shù)導(dǎo)則以及CHEC-WORKS?軟件。法國電力公司（EDF）開發(fā)的BRT-CICERO?軟件同樣依據(jù)基于模型試驗和經(jīng)驗反饋的計算模型對高能汽水管道FAC進行敏感部位篩選、減薄速率計算、剩余壽命預(yù)測與評估、檢測計劃編制和調(diào)整等工作。改造時，使用鉻含量相對較高的碳鋼或低合金鋼管道替換原碳鋼管道，這使管道的抗FAC能力顯著提高。

LDI、汽蝕或其與FAC共同作用引起的汽水管道局部減薄，也應(yīng)引起重視，為此，國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司的技術(shù)人員進行了系統(tǒng)性、針對性總結(jié)，包括新經(jīng)驗反饋的應(yīng)對、檢測有效性的改進和標(biāo)準(zhǔn)化等工作，以使輕水堆核電廠二回路汽水管道局部減薄管理工作更有效、更系統(tǒng)、更經(jīng)濟。

管理現(xiàn)狀

美國、日本等國在核電廠汽水管道FAC管理上，依托相關(guān)研究、應(yīng)用實踐和經(jīng)驗反饋，在管理工具、檢測和評價、實踐和標(biāo)準(zhǔn)化等方面都得到了很大的發(fā)展和完善。

例如，美國EPRI開發(fā)的CHECWORKS軟件輔助用戶進行管線篩選、測點篩選、腐蝕速率預(yù)測和修正、檢測數(shù)據(jù)管理和檢測計劃編制等工作。其發(fā)布的技術(shù)報告NSAC-202L指導(dǎo)用戶如何建立FAC管理大綱和實施管理活動，并指出“管理職責(zé)、分析篩選、行業(yè)經(jīng)驗反饋、檢測、工程判斷、長期策略”是開展有效、長期、完整FAC管理的六大關(guān)鍵要素，缺一不可并且不能相互替代。該報告的不斷升版完善了有關(guān)篩選、檢測、監(jiān)測、預(yù)測和評價的技術(shù)和方法，更指出應(yīng)加強水質(zhì)管理或通過更換材料等設(shè)計變更來控制和緩解FAC劣化。

日本在美濱3號機組給水管道FAC導(dǎo)致減薄破裂事件發(fā)生后，系統(tǒng)進行了相應(yīng)的改進和提高。例如，2006年日本發(fā)布了JSME S NG1-2006《PWR管道壁厚減薄管理技術(shù)要求》。該標(biāo)準(zhǔn)與EPRI導(dǎo)則在技術(shù)上主要有以下不同：

1 只適用于PWR，但考慮FAC和LDI兩種減薄機理；

2 不強制要求使用帶有減薄速率預(yù)測功能的軟件進行篩選和預(yù)測，但給出了根據(jù)壁厚測量數(shù)據(jù)進行減薄速率計算和壽命預(yù)測的方法；

3 基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗反饋，詳細(xì)給出管線、部位篩選原則、定期檢測范圍和測點分布及間距，可操作性強。

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，ASME XI卷技術(shù)委員會為滿足各電廠的實踐需求，在1993年頒布了Code Case N597-2《管壁減薄分析評價要求》和ASM EB31.3非強制性附錄IV《動力管道系統(tǒng)的腐蝕控制》，分別為核安全級和非核安全級管道的局部壁厚減薄提供了結(jié)構(gòu)完整性評價準(zhǔn)則。

我國核電廠從秦山一期開始就重視汽水管道FAC管理。在多次大修中對FAC敏感管道進行壁厚測量并根據(jù)測量結(jié)果更換了大部分的敏感管道。其他核電廠也根據(jù)廠內(nèi)外經(jīng)驗反饋，建立了二回路汽水管道FAC管理大綱，或采用帶有預(yù)測功能的軟件進行篩選、評價并結(jié)合經(jīng)驗反饋推進相關(guān)工作，或基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗反饋制訂詳細(xì)檢測計劃并不斷優(yōu)化。此外，2014年，我國發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 25033-2014《壓水堆核電廠常規(guī)島流體加速腐蝕敏感管線篩選導(dǎo)則》，指導(dǎo)敏感管線、部位的篩選、檢查、計劃調(diào)整工作。

整體而言，對較大口徑高能汽水管線的FAC管理，國內(nèi)外都比較成熟且有效。但就核電廠二回路汽水管道壁厚減薄管理而言，仍需面對如下挑戰(zhàn)：

1 汽水管道局部減薄機理研究：除重點關(guān)注FAC外，還應(yīng)關(guān)注LDI和汽蝕。在LDI的作用機理、影響因素和檢測方法上，日本開展了較多工作并在其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中給出了針對性強的要求，我國應(yīng)加強相關(guān)研究、應(yīng)對措施優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化工作。關(guān)于汽蝕，除了在設(shè)計階段進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以盡可能防止其發(fā)生外還應(yīng)在定期檢修時加強敏感部位的狀態(tài)核查，如壁厚監(jiān)檢測或閥門解體檢修時其上下游管道內(nèi)部腐蝕情況的目視檢查等。此外，還應(yīng)關(guān)注并持續(xù)提升汽水管道FAC、LDI機理和影響因素的認(rèn)知水平，這將影響檢測/監(jiān)測部位的選擇、檢測方法的優(yōu)化、網(wǎng)格點法超聲壁厚抽測的有效性和經(jīng)濟性等。

2 管理體系的提升：應(yīng)從FAC管理實踐提升到汽水管道局部減薄管理大綱指導(dǎo)下的實踐，且應(yīng)積極推進風(fēng)險指引的汽水管道局部減薄管理理念、方法，以便優(yōu)化監(jiān)測檢測部位、周期和方法，進一步提升壁厚減薄管理的有效性和經(jīng)濟性。

3 小徑管壁厚管理：諸如EPRI等機構(gòu)已開始關(guān)注直徑50mm以下的小徑管壁厚減薄管理，如一些具有疏水或測量功能的小徑管。應(yīng)開展小徑管局部壁厚減薄失效風(fēng)險分析以便優(yōu)化部位篩選和檢測資源的投入。

4 長周期運行、變更改造、材料替代等帶來的新挑戰(zhàn)。長周期運行階段應(yīng)重點關(guān)注汽水管道局部減薄管理的系統(tǒng)性、全面性和覆蓋性問題，既要全面評價當(dāng)前管理績效和狀態(tài)，也要面對新經(jīng)驗反饋、長期服役帶來的新挑戰(zhàn)。應(yīng)關(guān)注并評估變更改造、功率提升等對流速、流量、結(jié)構(gòu)等帶來的變化及上述變化對管道局部減薄的影響。材料替代可能會新增異種金屬環(huán)焊縫，應(yīng)關(guān)注其是否易于發(fā)生局部減薄，是否有針對性的檢測技術(shù)，同時也要考慮材料替代后其他老化機理和老化效應(yīng)的影響。

5 標(biāo)準(zhǔn)化、信息化方面應(yīng)進一步加強核電廠二回路汽水管道局部減薄管理標(biāo)準(zhǔn)化工作，重點優(yōu)化長期策略、管理范圍界定和敏感部位篩選排序、監(jiān)檢測計劃和實施、評價預(yù)測和計劃優(yōu)化等內(nèi)容。此外，還應(yīng)加強業(yè)內(nèi)相關(guān)信息采集、整理、共享等的規(guī)范化，提升信息交流、共享和利用的水平。

6 檢測、監(jiān)測方面應(yīng)優(yōu)化傳統(tǒng)超聲測厚檢測工藝，積極推進檢測新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，重點開展監(jiān)測、檢測技術(shù)驗證和改進提高工作。主要包括：網(wǎng)格點法超聲壁厚檢測的有效性，不拆卸保溫條件下脈沖渦流測量管道壁厚，管道環(huán)焊縫根部壁厚的超聲衍射時差法（TOFD）測量，冷陰極數(shù)字X射線管道壁厚測量，電磁超聲高溫檢測技術(shù)等。

檢測方法

1 網(wǎng)格點法超聲測厚的有效性

采用網(wǎng)格點法超聲測量壁厚時，在檢測效率和局部減薄檢出率之間應(yīng)有良好的平衡。結(jié)合國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、項目組推薦方法、部分汽水管道局部減薄實測數(shù)據(jù)（含F(xiàn)AC/LDI減薄），對網(wǎng)格點法的有效性進行初步分析。可粗略用局部減薄面積除以測厚網(wǎng)格面積的百分?jǐn)?shù)值表征局部減薄的檢出率，其與百分百的差值可定義為漏檢率。表1給出了不同方法推薦的測厚網(wǎng)格點間距（D為管徑）。表2給出了10個樣本數(shù)據(jù)（32個真實樣本數(shù)據(jù)中具有代表性的部分?jǐn)?shù)據(jù)）按上述原則計算得出的理論漏檢率。分析上述數(shù)據(jù)和計算結(jié)果可知，采用項目組推薦的網(wǎng)格，漏檢率相對較小，但測點最多；JSME規(guī)范的網(wǎng)格漏檢率相對較大，而EPRI導(dǎo)則中的居中。

表1

不同標(biāo)準(zhǔn)推薦的測厚網(wǎng)格點間距

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表2

實際工作中，應(yīng)考慮以下因素優(yōu)化網(wǎng)格點間距和布置：

01 局部減薄機理的特點，即應(yīng)結(jié)合敏感部位發(fā)生特定減薄機理的可能性和對應(yīng)的形貌特征、局部減薄區(qū)域尺寸大小優(yōu)化測點。例如彎頭或三通結(jié)構(gòu)LDI敏感部位處應(yīng)補充針對性測點，如流體改變方向前正對的彎頭或三通特定部位及發(fā)生沖擊后流體變向可能影響的部位。

02 應(yīng)重點關(guān)注敏感結(jié)構(gòu)，如彎頭或三通，其上下游環(huán)焊縫附近區(qū)域。

03 介質(zhì)是單相流或雙相流，管內(nèi)流速，是否存在流道結(jié)構(gòu)變化、壓力急劇變化、介質(zhì)相變等的影響，也是優(yōu)化網(wǎng)格點間距和布置的重要參考。

2 脈沖渦流檢測管道局部減薄

同傳統(tǒng)超聲測厚或超聲掃查測厚成像相比，脈沖渦流測量管道壁厚是近30年興起的新方法。其技術(shù)特點主要如下：

1 可不拆卸保溫層進行管道掃查測厚成像且不區(qū)分內(nèi)外壁減薄，適合快速檢測和初步篩查，包括高溫條件下的非接觸掃查測厚。

2 相比傳統(tǒng)渦流檢測，對提離作用不敏感，又不需要超聲檢測常用的耦合劑，也可用于保溫層拆卸后的局部減薄快速掃查成像，檢測效率高。

3 隨著聚焦脈沖渦流檢測和分析技術(shù)的研究應(yīng)用，可以檢測原先檢測困難的較小管徑汽水管道（如Φ50mm）的局部減薄。

4 主要適用于碳鋼、低合金鋼汽水管道。隨著技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)已開發(fā)出檢測非鐵磁性管道局部減薄的脈沖渦流儀器。

5 主要適用于較大面積減薄的檢測，因為脈沖渦流測量的是渦流分布區(qū)域的平均壁厚，且隨深度增加作用區(qū)域顯著擴散，故信號強度呈指數(shù)衰減。一般FAC引起的局部減薄較宜采用脈沖渦流檢測。但應(yīng)注意，大壁厚下的單點穩(wěn)定測量需要更長時間且此時內(nèi)部局部減薄檢出率更低，測量值可能更不保守；對于直徑較小（如Φ20mm及以下）的單點局部減薄漏檢率可能較大，但汽水管道中除了偶發(fā)的點蝕外，很少有此類局部減薄。

6 同超聲測厚相比，其在檢測較大面積麻點、密集分布腐蝕點坑等局部減薄時，具有一定優(yōu)勢。

綜上可知，在不拆卸保溫層條件下，聚焦脈沖渦流技術(shù)是檢測汽水管道局部減薄便捷的手段。如將其與傳統(tǒng)超聲測厚結(jié)合使用，應(yīng)是提高整體工作效率的一種可行方法，也需要我們在標(biāo)準(zhǔn)化和能力驗證方面進一步開展工作以推動其應(yīng)用。

3 管道環(huán)焊縫根部壁厚的超聲衍射時差法測量

國內(nèi)外經(jīng)驗反饋表明，汽水管道環(huán)焊縫處可能存在FAC或汽蝕引起的局部減薄。但汽水管道環(huán)焊縫外表面多存在焊冠，如采用脈沖反射法超聲測厚則需將焊冠磨平，工作量大，成本高。筆者在前期工作中曾開展超聲衍射時差法檢測汽水管道環(huán)焊縫根部及其鄰近母材局部壁厚減薄的研究和試驗。該方法主要具有以下特點：

1 一發(fā)一收探頭分別布置在焊縫兩側(cè)，焊縫余高對測量可達性影響顯著降低。

2 一次掃查可完成整圈的測量，效率高。但要求兩個探頭保持穩(wěn)定間距，這對掃查架的穩(wěn)定性、掃查過程中聲耦合、焊縫兩側(cè)進行除油漆及表面打磨等準(zhǔn)備工作都提出了較高要求。

3 測量結(jié)果自動存儲，便于后續(xù)分析處理以及多次檢測時對減薄區(qū)域的跟蹤。

綜上可知，受焊冠影響而無法實施超聲脈沖反射法測厚的核電廠二回路汽水管道環(huán)焊縫根部局部減薄，超聲衍射時差法是一種可行的檢測方法，但在環(huán)焊縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)不對稱（如閥門與管道環(huán)縫或變徑與直管環(huán)縫）等情況下的工藝優(yōu)化、應(yīng)用驗證等工作需進一步推進。

4 其他新檢測技術(shù)的應(yīng)用

管道壁厚或局部減薄的X射線檢測早有報道和應(yīng)用，特別是對于直徑100mm以下小徑管的檢測，其技術(shù)較成熟，但受限于輻射防護要求，作業(yè)多選擇在晚上進行。隨著冷陰極小型高能量X射線檢測裝置和數(shù)字X射線成像技術(shù)的應(yīng)用，輻射防護要求高、作業(yè)時間窗口靈活性差等問題都得到了一定程度的解決，國內(nèi)核電廠已經(jīng)有適當(dāng)控制作業(yè)區(qū)域、白天作業(yè)的成功實踐。相信其在小徑管管道局部減薄或焊縫檢測中將得到推廣應(yīng)用。

電磁超聲檢測管道壁厚的技術(shù)特別適合高溫條件，但也需要拆除保溫層進行檢測。其特點主要如下：

01 利用洛倫茲力或磁致伸縮力產(chǎn)生超聲波進行測量，無需超聲耦合劑，可在高溫條件下測量；

02 對表面條件要求低，可在有致密氧化皮的條件下測量；

03 能量轉(zhuǎn)換效率低，探頭尺寸較大，不利于小直徑管道或大區(qū)率彎頭局部減薄的檢測。

超聲導(dǎo)波可在管道內(nèi)激發(fā)沿管道傳播的導(dǎo)波而檢測局部腐蝕，但檢測靈敏度低，主要適用于粗篩查。此外，超聲導(dǎo)波更適用于貫穿于混凝土墻體的管道局部減薄的檢測，因為此時可能存在難以在管道外壁區(qū)域放置超聲探頭的情況。應(yīng)注意的是，需通過設(shè)計優(yōu)化，盡可能保證敏感區(qū)域或焊縫不在穿墻壁段。

結(jié)論和展望

輕水堆核電廠汽水管道局部減薄管理工作影響著核電廠的安全經(jīng)濟運行，需要加以重視并系統(tǒng)、持續(xù)、主動開展相關(guān)工作，其中，特別應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）

管理體系的提升和基礎(chǔ)研究的結(jié)合，既應(yīng)關(guān)注FAC、LDI、汽蝕等造成汽水管道局部減薄，也應(yīng)運用風(fēng)險指引的方法進行管理優(yōu)化，還應(yīng)結(jié)合老化機理特別是主要因素影響等的基礎(chǔ)研究開展工作。

（2）

檢測、監(jiān)測技術(shù)的進步和新技術(shù)的應(yīng)用及其有效性評價，如聚焦脈沖渦流、冷陰極X射線數(shù)字成像、電磁超聲測厚等新技術(shù)的應(yīng)用以及超聲測點分布的有效性評價和規(guī)范化等。

（3）

重視并加強相關(guān)經(jīng)驗反饋、信息共享和標(biāo)準(zhǔn)化工作，是提高相關(guān)管理水平的快速、可行且經(jīng)濟的手段。

汽水管道局部減薄管理是一個系統(tǒng)性工作，設(shè)計階段的選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、經(jīng)驗反饋的有效應(yīng)對等將為服役階段的管理奠定基礎(chǔ)，應(yīng)加以重視。目前，我國在核電廠汽水管道局部減薄管理工作上已經(jīng)取得一定效果，特別是在大口徑高能汽水管道FAC管理上，但也應(yīng)正視存在的問題和挑戰(zhàn)，明確應(yīng)對措施、落實管理方案，促進核電廠二回路汽水管道局部減薄管理水平的提升。

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