歐陽(yáng)欽，周正平，茆秋華

(江蘇核電有限公司，江蘇??連云港??222042)

設(shè)備剩余壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在田灣核電站的應(yīng)用

歐陽(yáng)欽，周正平，茆秋華

(江蘇核電有限公司，江蘇??連云港??222042)

疲勞強(qiáng)度計(jì)算是核級(jí)設(shè)備設(shè)計(jì)中需要考慮的一項(xiàng)重要內(nèi)容。設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)假定的各種設(shè)計(jì)工況組合，計(jì)算整個(gè)壽期內(nèi)疲勞強(qiáng)度能否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。而設(shè)備在役實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其遭受的運(yùn)行工況和設(shè)計(jì)工況不可能完全一致，可能偏于保守，有時(shí)考慮不周全，設(shè)備遭受了設(shè)計(jì)工況外的瞬態(tài)或超過(guò)其預(yù)定的瞬態(tài)次數(shù)。因此，掌握設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際遭受的疲勞損傷狀態(tài)就顯得尤其重要，這對(duì)于掌握設(shè)備的安全狀態(tài)，進(jìn)行設(shè)備的延壽，都具有重要的意義。田灣核電站在國(guó)內(nèi)首次安裝了在線疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了1號(hào)機(jī)組波動(dòng)管的疲勞損傷較大，為此進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)出一個(gè)燃料循環(huán)周期內(nèi)波動(dòng)管的疲勞損傷增長(zhǎng)，可用于指導(dǎo)今后機(jī)組運(yùn)行的控制。

疲勞強(qiáng)度；波動(dòng)管；疲勞壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

疲勞是引起工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件失效的主要原因之一，是結(jié)構(gòu)失效的最常見(jiàn)形式。在某點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完成斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的過(guò)程，稱(chēng)為疲勞。疲勞強(qiáng)度涉及到載荷的多次作用，是個(gè)動(dòng)態(tài)的問(wèn)題，是一個(gè)長(zhǎng)期的損傷積累過(guò)程。對(duì)于疲勞強(qiáng)度的控制，是通過(guò)校核疲勞損傷因子來(lái)進(jìn)行的。

根據(jù)“Unified?procedure?for?lifetime?assessment?of?components?and?piping?in?VVER?NPPs?VERLIFE”（2008版）的要求，運(yùn)行過(guò)程中部件的疲勞損傷因子如果不滿足：D≤0.8，那么應(yīng)在該部位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)由于疲勞而造成的缺陷，對(duì)其進(jìn)行表征化并進(jìn)一步進(jìn)行評(píng)估；如果該部位無(wú)法進(jìn)行無(wú)損監(jiān)測(cè)或無(wú)損監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)缺陷，那么假定一個(gè)半橢圓起始裂紋，其裂紋尺寸為a=0.1s，a/2c=1/6（s為壁厚），對(duì)此假想裂紋進(jìn)行評(píng)估，包括評(píng)估由于機(jī)械和腐蝕載荷而導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展。

為確認(rèn)設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)反應(yīng)堆裝置的強(qiáng)度和安全運(yùn)行，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)工況對(duì)設(shè)備和管道進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的計(jì)算。

但是，在反應(yīng)堆裝置運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際負(fù)荷與在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)假定的載荷是有區(qū)別的。因此，計(jì)算運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備部件實(shí)際積累的疲勞損傷，對(duì)于掌握設(shè)備的安全狀態(tài)，進(jìn)行設(shè)備的延壽，都具有重要的意義。

1 田灣核電站一回路設(shè)備和管道的剩余壽命監(jiān)測(cè)

在田灣核電站俄供MCDS系統(tǒng)中包含了剩余壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SACOR系統(tǒng)），該系統(tǒng)的目的是評(píng)估VVER1000型反應(yīng)堆一回路設(shè)備和部件在實(shí)際熱力載荷參數(shù)下的疲勞損傷。

根據(jù)疲勞強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果，對(duì)于其中疲勞損傷較大的部位（疲勞損傷因子大于0.1），運(yùn)行時(shí)SACOR系統(tǒng)監(jiān)測(cè)其累積的疲勞損傷。

SACOR系統(tǒng)根據(jù)指定傳感器記錄的設(shè)備當(dāng)前熱工狀態(tài)值，使用特定的近似函數(shù)計(jì)算控制點(diǎn)的應(yīng)力，其出現(xiàn)疲勞損傷。在應(yīng)力計(jì)算中，考慮了由于一回路和二回路重量、壓力、管道溫度自動(dòng)補(bǔ)償、熱沖擊、熱波動(dòng)和冷卻劑分層引起的負(fù)載因數(shù)。

近似函數(shù)中的杜哈梅爾積分，反映了瞬態(tài)模式下控制點(diǎn)熱應(yīng)力隨冷卻劑溫度的變化。知道每個(gè)控制點(diǎn)的基函數(shù)，利用杜哈梅爾積分，可計(jì)算此點(diǎn)隨溫度任意變化的應(yīng)力值。

根據(jù)設(shè)計(jì)階段的計(jì)算結(jié)果，田灣核電站VVER1000機(jī)組共選取了一回路設(shè)備和管道上的92個(gè)控制點(diǎn)，具體包括：

●?DN850管嘴、ECCS管嘴、監(jiān)測(cè)儀表管嘴、上部備用通道管嘴、除氣系統(tǒng)管嘴；

●?隔離環(huán)；

●?脈沖管緊固件；

●?主密封法蘭、螺栓、焊接連接部位、牛腿；

●?控制保護(hù)系統(tǒng)管嘴；

●?給水管嘴、應(yīng)急給水管嘴；

●?蒸汽發(fā)生器傳熱管、底部D N500人孔、DN800人孔；

●?蒸汽發(fā)生器一回路集流管螺栓、出口、帶孔區(qū)、下部區(qū)域；

●?穩(wěn)壓器檢查孔、噴淋管嘴、應(yīng)急注硼管嘴、波動(dòng)管嘴焊接套管、電加熱器孔、排氣管嘴焊接部位、向泄壓箱排放管嘴；

●?主管道熱段、冷段；

●?波動(dòng)管和主管道熱段連接彎管區(qū)、中間部位、接頭彎曲部位。

例如，穩(wěn)壓器本體的控制點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖1，列表見(jiàn)表1。

圖1 穩(wěn)壓器控制點(diǎn)示意圖Fig.1 Control points of pressurizer

2 SACOR系統(tǒng)計(jì)算流程

剩余壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SACOR系統(tǒng)）采用“雨流計(jì)數(shù)法”作為循環(huán)統(tǒng)計(jì)算法，根據(jù)該方法組織和建立整個(gè)使用期限內(nèi)的完整循環(huán)數(shù)據(jù)庫(kù)和非完整循環(huán)積累損傷數(shù)據(jù)庫(kù)。

SACOR系統(tǒng)積累疲勞損傷的一般計(jì)算流程就是根據(jù)正式傳感器讀數(shù)來(lái)確定運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算應(yīng)力，根據(jù)“雨流計(jì)數(shù)法”簡(jiǎn)化負(fù)載周期和計(jì)算每半個(gè)周期的疲勞損傷，然后對(duì)其進(jìn)行線性求和，其計(jì)算流程如圖2所示。

3 田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組疲勞損傷結(jié)果

對(duì)于田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組，截至2011年12月底，每月定期計(jì)算了兩臺(tái)機(jī)組一回路主設(shè)備的累積疲勞損傷因子，其中疲勞損傷因子較大的設(shè)備及其部位列表見(jiàn)表2、表3。

表1 穩(wěn)壓器控制點(diǎn)列表Table1 The list of control points of pressurizer

從表2、表3中可以看出：

1）?兩臺(tái)機(jī)組波動(dòng)管的累積疲勞損傷因子最大，其評(píng)估的剩余壽命都小于30年。

2）?其次為壓力容器主密封法蘭的累積疲勞損傷因子較大。

3）?另外，SACOR系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的其余主設(shè)備各測(cè)點(diǎn)累積疲勞損傷都較小，其評(píng)估的剩余壽命都大于80年。

田灣核電站兩臺(tái)機(jī)組在首次裝料后，就投入SACOR系統(tǒng)對(duì)各控制點(diǎn)的疲勞損傷進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。自1號(hào)機(jī)組首次裝料以來(lái)，JEF10－21測(cè)點(diǎn)的累積疲勞損傷因子趨勢(shì)圖、每月疲勞損傷的趨勢(shì)圖如圖3所示。

從圖3可見(jiàn)，在1號(hào)機(jī)組前期調(diào)試階段，波動(dòng)管JEF10-21測(cè)點(diǎn)的疲勞損傷較大，商業(yè)運(yùn)行后波動(dòng)管疲勞損傷增長(zhǎng)比較平緩。

統(tǒng)計(jì)2011年度1號(hào)機(jī)組波動(dòng)管JEF10-21測(cè)點(diǎn)每個(gè)月的疲勞損傷變化情況見(jiàn)表4。

圖2 SACOR計(jì)算流程Fig.2 Computation process of SACOR system

表2 1號(hào)機(jī)組一回路主設(shè)備累積疲勞損傷因子（截至2011年12月底）Table2 Fatigue damage factors of primary equipment of Unit 1 (as of the end of Dec. 2011)

表3 2號(hào)機(jī)組一回路主設(shè)備累積疲勞損傷因子（截至2011年11月）Table3 Fatigue damage factors of primary equipment of Unit 2 (as of Dec. 2011)

圖3 1號(hào)機(jī)組JEF10-21疲勞損傷趨勢(shì)圖Fig.3 Damage trend of control point JFE10-21 of Unit 1

從表1至表4可以看出，對(duì)于1號(hào)機(jī)組波動(dòng)管JEF10-21測(cè)點(diǎn)：

1）正常滿功率穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，JEF10-21的疲勞損傷為零。

2）2011年2月，機(jī)組降功率運(yùn)行以及經(jīng)歷了T104大修停機(jī)前的降功率過(guò)程，疲勞損傷因子為0.000?129。

3）2011年3月，經(jīng)歷了從打閘停機(jī)到停堆的過(guò)程，疲勞損傷因子為0.001?547。

4）2011年4月，經(jīng)歷了整個(gè)啟堆過(guò)程以及一回路強(qiáng)度水壓試驗(yàn)，疲勞損傷因子為0.003?991。

表4 1號(hào)機(jī)組波動(dòng)管JEF10-21測(cè)點(diǎn)的每月疲勞損傷列表（2011年）Table4 Monthly fatigue damage of control point JEF10-21 of Unit 1 (2011)

4 結(jié)論

田灣核電站安裝了在線的一回路設(shè)備和管道剩余壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，可以計(jì)算設(shè)備和管道的實(shí)際剩余壽命，便于對(duì)設(shè)備和管道進(jìn)行老化管理。根據(jù)SACOR系統(tǒng)計(jì)算得出的機(jī)組不同運(yùn)行工況下的各部件疲勞損傷大小，可以得出不同工況下的各部件疲勞損傷情況，進(jìn)一步可制定相應(yīng)的運(yùn)行、檢查、監(jiān)測(cè)、維修措施來(lái)控制和緩解疲勞累積損傷的發(fā)展，以確保一回路設(shè)備和管道在設(shè)計(jì)壽期內(nèi)具有足夠的安全裕度和功能裕度，并為延壽時(shí)提供技術(shù)基礎(chǔ)，最終保障核電廠經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行。

Application of Monitoring System of Residual Cyclic Resource of Equipment in Tianwan NPP

OUYANG?Qin，ZHOU?Zheng-ping，MAO?Qiu-hua
（Jiangsu?Nuclear?Power?Corporation，Lianyungang?of?Jiangsu?Prov.?222042，China）

Fatigue?strength?computation?is?an?important?item?during?design?of?nuclear?equipment.?According?to?various?combination?of?design?operation?conditions,?fatigue?strength?of?whole?design?lifetime?is?calculated?to?determine?whether?it?is?compliance?with?requirements?of?standard?and?specification.?But?the?actual?operation?condition?is?different?with?design?operation?condition?for?in-service?equipment,?and?the?design?operation?condition?is?possibly?conservative?than?the?actual?one,?and?sometimes?equipment?also?experiences?unexpected?transient?state?or?too?much?transient?state?due?to?inadequate?consideration?during?design.?So?it?is?important?to?know?the?actual?fatigue?damage?state?of?in-service?equipment,?which?also?has?a?bearing?to?know?about?the?safety?state?and?lifetime?extension?of?equipment.?The?monitoring?system?of?residual?cyclic?resource?was?first?installed?in?Tianwan?NPP?in?China,?and?large?fatigue?strength?is?found?in?surge?line.?Further,?increase?of?fatigue?damage?of?surge?line?is?counted?during?a?whole?fuel?cycle,?and?which?can?be?used?to?direct?the?control?of?follow-up?unit?operation.

fatigue?strength；surge?line；monitoring?system?of?residual?cyclic?resource

TM623??Article character：A??Article ID：1674-1617(2014)02-0140-05

TM623

A

1674-1617(2014)02-0140-05

2014-03-23

歐陽(yáng)欽（1978—），男，湖南郴州人，高級(jí)工程師，碩士，從事核電站技術(shù)管理工作。