邵長(zhǎng)磊，張 鍇，孟凡江，張 旭，張俊寶

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

0 引 言

核電是大型復(fù)雜系統(tǒng)性工程[1]，其中設(shè)置有大量工藝系統(tǒng)和管道[2]，為滿足流體的安全運(yùn)行和控制要求，設(shè)計(jì)有大量管道加支管的結(jié)構(gòu)形式，母管和支管通常采用焊接的方式固定連接。在核電廠運(yùn)行過(guò)程中，常見(jiàn)此類(lèi)型焊接接頭泄露的現(xiàn)象發(fā)生[3-5]，形成原因和解決措施也不盡相同。筆者針對(duì)某核電廠重要管道的支管接頭泄露問(wèn)題，開(kāi)展包括聲致振動(dòng)高周疲勞、疲勞裂紋擴(kuò)展、以及應(yīng)力腐蝕在內(nèi)的全面分析研究，為系統(tǒng)性解決此類(lèi)問(wèn)題提供一種新的思路和借鑒。

1 泄露問(wèn)題概述

母管和支管接頭的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其中母管材料為106B低碳鋼，管座材料為SA105N，適配器材料為304 L不銹鋼，兩者之間有異種金屬對(duì)接焊縫。管線內(nèi)為流動(dòng)的反應(yīng)堆冷卻劑介質(zhì)，泄露發(fā)生于異種金屬對(duì)接焊縫位置，在一系列類(lèi)似形式接頭中，過(guò)去十年運(yùn)行期間共發(fā)生2個(gè)此類(lèi)泄露的問(wèn)題。

圖1 接頭示意圖

初步分析認(rèn)為，導(dǎo)致泄露的缺陷以應(yīng)力腐蝕為主?？紤]到此處工作環(huán)境特殊性，以及超聲相控陣方法只能檢測(cè)到深度0.40 mm以上的裂紋等客觀情況。需要進(jìn)一步從設(shè)計(jì)分析、微裂紋的發(fā)展規(guī)律等角度進(jìn)一步開(kāi)展論證，確認(rèn)同類(lèi)接頭在下一個(gè)檢修周期內(nèi)是否存在開(kāi)裂泄漏風(fēng)險(xiǎn)，為全面的優(yōu)化改造提供支撐。

2 聲致振動(dòng)高周疲勞分析

當(dāng)管線中存在高速流動(dòng)時(shí)，支管口形成旋渦脫落，如果旋渦脫落頻率與短管空腔聲固有頻率接近，則旋渦脫落頻率會(huì)鎖定在共振頻率上，引起聲共振，產(chǎn)生以此頻率為主的大幅脈動(dòng)壓力，引起高周振動(dòng)和疲勞損傷[6]。

支管及其接頭處的計(jì)算模型和網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型和網(wǎng)格

母管內(nèi)的壓力為9.78 MPa，溫度為266 ℃，流量1 920 kg/s。支管長(zhǎng)50 m，管外空氣溫度為200 ℃。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 計(jì)算結(jié)果

在支管內(nèi)取4個(gè)不同監(jiān)測(cè)位置，記錄壓力的變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的壓力變化幅度約為300 Pa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的壓力變化幅度約為800 Pa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的壓力變化幅度約為600 Pa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的壓力變化幅度約為6 500 Pa。圖5為監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的壓力時(shí)程，可見(jiàn)存在較為穩(wěn)定的壓力脈動(dòng)頻率。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的壓力時(shí)程

建立支管接頭及相應(yīng)管線的有限元模型。由于母和支管的直徑相差大，支管的振動(dòng)不會(huì)影響母管。因此分析中不建立主管道的模型，僅在母管和支管接頭位置設(shè)置固支約束。有限元模型的有效密度包括支管金屬材料密度，流體單位長(zhǎng)度質(zhì)量的折算密度。分析模型如圖6所示。

圖6 支管接頭分析模型

根據(jù)圖7所示聲共振載荷的壓力時(shí)程，開(kāi)展支管接頭壓力脈動(dòng)的時(shí)程瞬態(tài)分析。

圖7 支管接頭聲共振載荷的壓力時(shí)程

沿支管和適配器的過(guò)渡變徑段和支管管線彎管段對(duì)壓力脈動(dòng)進(jìn)行積分，水平(x)方向和豎直(y)方向的凈力由下式積分得到：

(1)

(2)

分析得到支管接頭的彎曲應(yīng)力時(shí)程如圖8所示。聲共振載荷導(dǎo)致的主管道支管接頭的最大瞬態(tài)應(yīng)力為9.97 MPa。

圖8 支管接頭彎曲應(yīng)力時(shí)程

由于聲共振的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無(wú)限，按照ASME BPVC(American Society of Mechanical Engineers Boiler and Pressure Vessel Code)第III卷NB-3222.4(d)(6)的規(guī)定，載荷導(dǎo)致的應(yīng)力必須小于材料的無(wú)限疲勞壽命限值。對(duì)應(yīng)限值為86 MPa。

綜合以上數(shù)值，高周疲勞的評(píng)定結(jié)果詳見(jiàn)表1。由分析結(jié)果可知，聲共振載荷下主管道支管接頭高周疲勞滿足ASME BPVC規(guī)范的相關(guān)要求，聲共振載荷不會(huì)直接引起支管焊縫結(jié)構(gòu)失效。

表1 應(yīng)力評(píng)定表

3 疲勞裂紋擴(kuò)展分析

考類(lèi)此類(lèi)型支管曾失效的裂紋分別為內(nèi)壁軸向表面裂紋和環(huán)向內(nèi)壁表面裂紋，故依據(jù)ASME BPVC第XI卷進(jìn)行裂紋缺陷分析評(píng)估，對(duì)其余支管分別進(jìn)行如圖9和圖10所示的軸向和環(huán)向假想表面裂紋缺陷進(jìn)行分析，假設(shè)兩種裂紋的尺寸在壁厚方向上均為0.4 mm。

圖9 假想環(huán)向裂紋形態(tài) 圖10 假想軸向裂紋形態(tài)

支管接頭僅承受內(nèi)壓和溫度載荷，且出現(xiàn)較大溫度壓力波動(dòng)的次數(shù)總共為29次，保守考慮共出現(xiàn)58次該范圍的循環(huán)交變的內(nèi)壓及溫度載荷，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值為40 MPa·m1/2。由于無(wú)法檢測(cè)其他可能出現(xiàn)的波動(dòng)載荷，其應(yīng)力強(qiáng)度因子采用門(mén)檻值ΔKth進(jìn)行計(jì)算，以50 000次。

由于ASME BPVC XI卷中對(duì)于奧氏體不銹鋼材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率僅給出了空氣環(huán)境的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，如圖11所示。研究表明，水環(huán)境中疲勞裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)門(mén)檻值降低、速率增快的情況[7]，門(mén)檻值ΔKth保守采用3 MPa·m1/2，擴(kuò)展速率保守處理，乘以1.5作為安全系數(shù)。

圖11 奧氏體不銹鋼空氣環(huán)境疲勞裂紋擴(kuò)展速率

根據(jù)ASME SEC XI D1 NMA APP C8420奧氏體鋼部分，得到該材料高溫環(huán)境下基準(zhǔn)da/dN-ΔKI方程如下：

da/dN=8.218×10-9ΔK3.3

(3)

依據(jù)ASME XI C7400，計(jì)算相關(guān)軸向裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子，得到門(mén)檻裂紋深度值為0.411 mm，疲勞裂紋擴(kuò)展量為1.17 mm。

軸向裂紋出現(xiàn)擴(kuò)展的門(mén)檻裂紋深度為0.411 mm，超過(guò)了當(dāng)前探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)精度值。假設(shè)存在0.4 mm及以下深度的軸向裂紋缺陷，在下一個(gè)檢查間隔內(nèi)可能出現(xiàn)的疲勞裂紋擴(kuò)展量為1.17 mm，低于支管壁厚值，不會(huì)最終貫穿壁厚而導(dǎo)致泄漏，但是多個(gè)檢查周期的累加可能會(huì)導(dǎo)致泄漏發(fā)生。

4 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂分析

應(yīng)力腐蝕分為裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段，如圖12所示，裂紋萌生周期主要取決于環(huán)境條件、材料微觀組織和應(yīng)力大小，很難通過(guò)量化的手段進(jìn)行分析和評(píng)估[8]。而在獲得特定環(huán)境大量試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，是可以開(kāi)展裂紋擴(kuò)展定量評(píng)定的。針對(duì)支管接頭應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的分析建立在已經(jīng)萌生裂紋的基礎(chǔ)上。

圖12 應(yīng)力腐蝕趨勢(shì)圖

4.1 裂紋擴(kuò)展

假設(shè)應(yīng)力腐蝕裂紋已經(jīng)萌生，但是通過(guò)超聲相共振的方法未檢測(cè)出裂紋，保守認(rèn)為裂紋的長(zhǎng)度為其檢測(cè)限0.4 m。且保守采用壓水堆核電廠一回路條件下不銹鋼材料的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂速率。

焊接熱影響區(qū)是薄弱部位，是發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感區(qū)域。假設(shè)裂紋在304 L側(cè)焊接熱影響區(qū)萌生并發(fā)生了一定程度的擴(kuò)展。一般認(rèn)為焊接熱影響區(qū)有冷加工，因此應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂分析評(píng)價(jià)采用冷加工304 L不銹鋼的裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行計(jì)算。

4.2 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂裂紋生長(zhǎng)速率

在壓水堆一回路中，冷加工304 L不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂裂紋生長(zhǎng)速率在不同工況條件下存在一定差異，需要綜合考慮兩種工況下的情況。

針對(duì)正常水化學(xué)條件，在315～340 ℃，含氫水化學(xué)條件下，冷加工304 L的裂紋擴(kuò)展速率范圍為1.3～5.7×10-8mm/s。針對(duì)異常水化學(xué)條件，在含氧水化學(xué)條件下，冷加工304 L的裂紋擴(kuò)展速率為8.7×10-7mm/s，若含有少量的氯離子，則裂紋擴(kuò)展速率比該值高出約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4.3 24個(gè)月裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度

在正常工況條件下，取裂紋擴(kuò)展速率為1.3×10-8mm/s，則24個(gè)月裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為0.82 mm。則裂紋總長(zhǎng)度為0.82 mm+0.40 mm=1.22 mm。取裂紋擴(kuò)展速率為5.7×10-8mm/s，則24個(gè)月裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為3.60 mm，則裂紋總長(zhǎng)度為3.60 mm+0.40 mm=4.00 mm。所以裂紋長(zhǎng)度范圍為1.22～4.00 mm，存在裂紋貫穿支管管壁的風(fēng)險(xiǎn)。

在異常工況條件下，取裂紋擴(kuò)展速率為8.7×10-7mm/s，則24個(gè)月裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為54.87 mm，則裂紋總長(zhǎng)度為55.27 mm，裂紋將會(huì)貫穿支管管壁。

4.4 裂紋穿透管壁時(shí)間

在正常工況條件下，取裂紋擴(kuò)展速率為1.3×10-8mm/s，則裂紋穿透支管管壁的時(shí)間為(3.91-0.40)/(1.3×10-8)=104.12(月)。取裂紋擴(kuò)展速率為5.7×10-8mm/s，對(duì)應(yīng)的裂紋穿透支管管壁的時(shí)間為23.76月。所以，應(yīng)力腐蝕裂紋穿透支管管壁的時(shí)間范圍為23.76～104.12月。在異常工況條件下，取裂紋擴(kuò)展速率為8.7×10-7mm/s，則裂紋穿透管壁的時(shí)間為1.56月。

在正常和異常情況下，均存在下一個(gè)檢修周期內(nèi)裂紋貫穿壁厚的風(fēng)險(xiǎn)。

5 總 結(jié)

初步失效分析認(rèn)為，此管道支管接頭開(kāi)裂泄漏的主要失效機(jī)理為聲致振動(dòng)高周疲勞、疲勞裂紋擴(kuò)展、以及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

聲致振動(dòng)高周疲勞分析表明，聲載荷導(dǎo)致的應(yīng)力小于高周疲勞壽命限值。疲勞裂紋擴(kuò)展分析表明，軸向裂紋出現(xiàn)擴(kuò)展的門(mén)檻裂紋深度超過(guò)當(dāng)前探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)精度。在下一個(gè)檢查間隔內(nèi)可能出現(xiàn)的疲勞裂紋擴(kuò)展量低于支管壁厚，不會(huì)貫穿壁厚而導(dǎo)致泄漏。應(yīng)力腐蝕分析表明，正常和異常水化學(xué)條件下應(yīng)力腐蝕裂紋穿透支管管壁的時(shí)間范圍為23.76～104.12月和1.56月，存在下一個(gè)檢查間隔內(nèi)貫穿壁厚導(dǎo)致泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)上述結(jié)論，電廠進(jìn)行了有針對(duì)性的預(yù)防性維修和更換，有效避免了在下一個(gè)檢查間隔時(shí)間內(nèi)再次發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。所述方法可以為分析類(lèi)似形式支管泄露問(wèn)題提供有益參考。