施少波 張 維 欒興峰 孫 玉

1（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司 武漢 430223）2（中核核電運行管理有限公司二廠 海鹽 314300）3（中核集團(tuán)三門核電有限公司 寧波 317112）

核電廠二回路管道FAC壁厚減薄強度評定方法

施少波1張 維2欒興峰2孫 玉3

1（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司 武漢 430223）2（中核核電運行管理有限公司二廠 海鹽 314300）3（中核集團(tuán)三門核電有限公司 寧波 317112）

FAC造成二回路管道的壁厚減薄，致使管道的強度降低，當(dāng)管道減薄到一定程度時，管道會發(fā)生破裂，容易引起嚴(yán)重的安全事故。本文針對管道FAC壁厚減薄問題，建立了完整的分析評定路線。重點介紹以API579指導(dǎo)實現(xiàn)的壁厚減薄Level 3評定方法：利用有限元軟件ANSYS的APDL參數(shù)化建模功能，建立了直管、彎頭、大小頭的參數(shù)化模型，該方法可方便定義管道的幾何參數(shù)和材料參數(shù)、管端載荷和約束，通過直接調(diào)用在役檢測的壁厚檢測數(shù)據(jù)，自動建立管道的FAC壁厚減薄的真實壁厚模型。并利用極限載荷法評定壁厚減薄管道的強度，實現(xiàn)了API579壁厚減薄體積型缺陷的Level 3評定。

壁厚減薄，參數(shù)化建模，Level 3評定，極限載荷

核電廠二回路主給水管線、凝結(jié)水管線、疏水管線、部分抽汽管線等主要是由碳鋼制造的，在運行過程中，與流體接觸的碳鋼管線會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，而流體流動會加劇這一過程，這種腐蝕被稱為流動加速腐蝕(FAC)。一般認(rèn)為，F(xiàn)AC 就是碳鋼或低合金鋼的正常保護(hù)性氧化膜溶進(jìn)流動的水或者汽水混合流體中，與流體直接接觸的材料表面氧化膜會變薄且保護(hù)性降低，同時材料的腐蝕速率變大，最終材料的腐蝕速率與氧化膜的溶解速率達(dá)到平衡，并且這一過程會隨著運行而持續(xù)下去。

FAC造成管道的壁厚減薄，致使管道的強度降低，當(dāng)管道減薄到一定程度時，管道會發(fā)生破裂，容易引起嚴(yán)重的安全事故。

本文針對管道FAC壁厚減薄問題，建立了完整的分析評定路線，而本文的研究重點為以API579指導(dǎo)實現(xiàn)的壁厚減薄Level 3評定方法。

1 FAC壁厚減薄形貌及檢測方式

FAC現(xiàn)象易發(fā)生在流動方向改變、水流條件惡化部位，如圖1。壁厚減薄的形貌如圖2所示，可以看出，F(xiàn)AC的減薄并不是一個均勻腐蝕的過程，而是形成馬蹄型或虎斑型的凹坑。

圖1 彎頭發(fā)生FAC的位置Fig.1 Location of the FAC in elbow.

圖2 管道FAC凹坑Fig.2 Concavity of the pipe due to FAC.

對于管道壁厚減薄的強度評定，需要能提取實際的壁厚值，評定方法應(yīng)能和壁厚在役檢查方法靈活地結(jié)合，同時方便地利用在役檢查數(shù)據(jù)。

目前的管道壁厚的測量方法一般是基于網(wǎng)格法，測點是采用網(wǎng)格法沿軸向和周向布置，如圖3。

圖3 彎管網(wǎng)格型壁厚檢測布局圖Fig.3 Thickness inspection layout of elbow.

2 壁厚減薄整體評定路線

對核電廠二回路管道壁厚減薄分核級管道和非核級管道進(jìn)行評定。

核級管道按照ASME CC-N597標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壁厚減薄評定。首先預(yù)測下次檢測的壁厚值tp，若tp≥0.875tnom，滿足要求可以繼續(xù)使用，tp≥0.2tnom，減少下次檢測時間或者直接維修、更換。0.2tnom< tp≤0.875tnom，需要進(jìn)行進(jìn)一步評定確定是否更換。其中tnom為名義壁厚。

非核級管道壁厚減薄評定主要借鑒API579/ASME FFS標(biāo)準(zhǔn)。首先確定是整體壁厚減薄還是局部壁厚減薄，若是整體壁厚減薄則進(jìn)行Level 1整體壁厚減薄評定，不滿足選擇更換、維修或者可以整體Level 1評定、局部Level 1評定、Level 3評定等繼續(xù)進(jìn)行評定。同樣對其他等級評定方式，如果不滿足評定要求，可以選擇更換、維修或者是繼續(xù)以更高級別評定方式進(jìn)行評定。

目前國內(nèi)在核電廠二回路管道壁厚減薄的評定上面，主要基于最小壁厚原則，只要有任何一點的最小測量壁厚小于限定值，即認(rèn)為管道不能滿足設(shè)計要求需要更換或維修。類似于ASME N597及API579的1級評定，對于非核管道，分析過于保守。

3 非核級管道壁厚減薄Level 3評定路線

API579對整體和局部的Level 1、2評定步驟有明確的說明，但是對復(fù)雜載荷情況下管道系統(tǒng)的Level 2評定較難實現(xiàn)。API579同時還規(guī)定，以水壓試驗作為設(shè)計基準(zhǔn)的三通和大小頭管道，只能采用Level 3評定。針對Level 3評定，標(biāo)準(zhǔn)只是給出了指導(dǎo)性建議和規(guī)定，并沒有詳細(xì)步驟介紹。按照Level 3評定的要求，需要建立管道壁厚的真實模型，而對于評定工作來說，可以獲取的最直接的管道壁厚數(shù)據(jù)來自于在役的壁厚檢測，因此Level 3評定需要能方便提取在役檢測的壁厚數(shù)據(jù)。由于FAC壁厚減薄非常的不規(guī)則，一般建立管道模型的方法難以考慮這種不規(guī)則的管道壁厚模型，需要開發(fā)一種特殊的可以直接調(diào)用在役檢測壁厚數(shù)據(jù)的方法，建立由于FAC造成不規(guī)則壁厚減薄的管道模型。

本研究通過對API579的深入研究及利用在管道強度計算和完整性評定應(yīng)用的經(jīng)驗，開發(fā)一套針對FAC壁厚減薄的Level 3評定方法，本方法結(jié)合在役管道的壁厚檢測數(shù)據(jù)，按照API579對Level 3評定的指導(dǎo)性規(guī)定，利用ANSYS軟件的參數(shù)化建模功能，建立直管、彎管、大小頭等管道部件的三維實體網(wǎng)格型的壁厚減薄參數(shù)化模型，模型直接調(diào)用在役檢測的壁厚數(shù)據(jù)，可以反應(yīng)管道真實壁厚，然后通過有限元計算軟件ANSYS完成管道壁厚減薄的Level 3評定。

針對二回路系統(tǒng)的FAC的壁厚減薄Level 3評定工作流程如圖4。

圖4 壁厚減薄Level 3評定流程Fig.4 Level 3 assessment of pipe wall thinning.

3.1管道系統(tǒng)分析確定管端載荷

獲取壁厚減薄管道所在的二回路管道系統(tǒng)的信息，利用ANSYS或其他的管道軟件進(jìn)行管道系統(tǒng)分析，獲得壁厚減薄區(qū)細(xì)化分析模型的管端載荷。

3.2 ANSYS建立減薄缺陷的參數(shù)化模型

根據(jù)API579標(biāo)準(zhǔn)的Level 3級評定要求，需要建立壁厚減薄的實際真實模型，而對于評定能得到最直接的壁厚模型來自于在役壁厚檢測。由于壁厚減薄發(fā)生位置和大小、厚度的不確定性，考慮以后使用的通用性選擇通過ANSYS的APDL參數(shù)化建模來處理，參數(shù)化模型可以直接讀取檢測壁厚。而由于測量值比較稀疏，在測量值軸向和周向的兩點間都線性插值。對于沒有測量值的點，取周圍測量點的值進(jìn)行平均。

3.3基于ANSYS二次開發(fā)形成專業(yè)的壁厚減薄分析軟件

基于ANSYS開發(fā)的專業(yè)的壁厚減薄強度計算分析軟件，軟件可以選擇不同類型的管道，包括直管、彎管和大小頭等，有方便的操作界面，通過界面直接輸入缺陷管道的信息，包括尺寸、原始壁厚、彎管半徑、材料參數(shù)、內(nèi)壓和管端載荷。軟件可以生成一個表框輸入界面，用戶在表框中輸入在役檢查測出的網(wǎng)格型壁厚值或者是直接讀入實測的壁厚值，如圖5所示的實測壁厚值。通過軟件把輸入信息生成命令流，同時啟動ANSYS讀取命令流生成模型并計算，然后提取計算結(jié)果，生成簡單報告。

圖5 管道壁厚檢測網(wǎng)格圖Fig.5 Inspection grid of pipe thickness.

3.4管道極限載荷的求解

利用API579附錄B極限載荷求解方法B1.2.3計算極限載荷。B1.2.3求解的是極限載荷的下限，是一種保守的求解方法，具體要求為：

材料定義為理想彈塑性材料，屈服強度取管道材料許用應(yīng)力的1.5倍(在ASME和RCCM體系中，材料的許用應(yīng)力是在屈服強度的2/3和其他幾個值之間取最小值，因此實際材料的屈服強度≥許用應(yīng)力的1.5倍，因此按照1.5倍的許用應(yīng)力取的屈服強度是偏保守的)[3,4]，選擇小位移理論，定義載荷和約束后進(jìn)行求解。當(dāng)載荷增大到某一數(shù)值時，結(jié)果不收斂，計算中斷，認(rèn)為此時的載荷為管道的極限載荷Plimit，判定準(zhǔn)則為式(1)，滿足條件則管道強度滿足要求。

其中，P內(nèi)壓或外壓的最大允許工作壓強MAWP；Ps水頭壓力落差；Pd由于設(shè)備、容器、附件等重力和溫度等效應(yīng)造成的附加載荷；RSFa允許剩余強度系數(shù)，基于B31.1、ASME VIII等規(guī)范的管道API579一般取為0.9。

需要說明的是，式(1)得出的Plimit是MAWP的1.5倍。

計算分兩個階段，第一階段確定最大的壓強是否超過了MAWP，如果超過則滿足強度要求；第二階段確定最大極限載荷。

4 壁厚減薄評價算例

為了比較針對管道實際檢測壁厚的極限載荷方法的計算精度，本文選取有理論公式對照的直管和彎管進(jìn)行計算，對兩組計算結(jié)果進(jìn)行比較：一組是直管均勻值和直管實測值進(jìn)行對照，一組是彎管均勻值和彎管實測值進(jìn)行對照。均勻值指管的壁厚是均勻的，沒有局部的壁厚減薄，實測值是指管道的壁厚是非均勻的，各個測量點的壁厚不一樣，具體壁厚數(shù)值見表1。其中表1為算例使用的假設(shè)名義壁厚為7.1 mm的實際測量壁厚值，最小壁厚為3.3mm，表橫向為周向方向，表縱向為軸向方向。其中厚度為0的是指沒有檢測結(jié)果的值，其厚度由周圍點進(jìn)行平均得出。

表1 名義壁厚7.1 mm管道的壁厚實測值Table 1 Real measured thickness of pipe of nominal thickness 7.1 mm.

兩組計算結(jié)果見表2，為比較計算的精度，表中所列極限載荷計算結(jié)果未考慮0.9的允許剩余強度系數(shù)。

表2均勻值指壁厚沒有減薄的管道，壁厚為3.3mm。實測值指含不均勻壁厚減薄的模型，實測值模型的壁厚指測量壁厚的最小值3.3 mm。屈服強度假設(shè)為100 MPa，彎管彎曲半徑450 mm， Lorenz系數(shù)1.22，載荷單位MPa，壁厚單位mm。

表2 直管和彎頭計算算例Table 2 Example of straight pipe and elbow.

如圖6為直管均勻壁厚3.3 mm的計算結(jié)果，MAWP=2.438/1.5=1.625 MPa。如圖7為直管實測的計算結(jié)果，MAWP=5.505/1.5=2.445 MPa。ANSYS計算采用基本的solid45號單元，直管均勻采用對稱約束，直管實測未考慮管端載荷和給管端約束。因為本文主要是研究方法的探討，將來進(jìn)行實際分析時，需要首先進(jìn)行管系分析，獲得分析管段的管端載荷，把計算的管端載荷施加在分析管段的兩端。彎管的分析模型和約束方式與直管一致。計算選擇小位移理論，內(nèi)壓逐步增大，當(dāng)內(nèi)壓增大到某一數(shù)值時，計算中斷，則可以根據(jù)公式1判定此時的壓強為Plimit。

圖6 直管均勻計算結(jié)果Fig.6 Result of straight pipe without thinning.

圖7 直管實測壁厚計算結(jié)果Fig.7 Result of straight pipe with thinning.

表2 ANSYS計算極限載荷時并沒有考慮公式1的允許剩余強度系數(shù)，不考慮0.9的允許剩余強度系數(shù)RSFa，對于均勻直管，利用式(1)計算的MAWP和ANSYS計算的極限載荷值非常接近，可以看出通過此方法計算的結(jié)果和公式計算結(jié)果一樣，驗證了方法的準(zhǔn)確性。

彎管計算值比公式值偏大有幾個方面的原因：

1. 公式計算基于彎頭兩端是沒有約束的，本次計算時考慮兩端是約束的，因此增加了彎頭的剛度。

2. 彎管的公式計算相對于極限載荷的方法，是偏于保守的。極限載荷是需要整個區(qū)域都是達(dá)到屈服強度，直管因為是采用對稱約束，所以避免了這部分的保守余量。

公式計算MWAP是指利用公式2和3[5–7]計算的最大允許工作壓強：其中，D為管道外徑，y是管道系數(shù)，取0.4，S為許用應(yīng)力，t為管道的壁厚，Lf為Lorenz系數(shù)。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，雖然管道的名義壁厚是7.1 mm，最小壁厚是3.3 mm，但是除了壁厚減薄區(qū)的厚度<7.1 mm以外，其他部分都是大于或等于名義壁厚。由于其他部分等效是對壁厚減薄區(qū)壁厚進(jìn)行了一定的補強，因此，實測值的極限載荷是大于最小壁厚3.3均勻值的極限載荷。如果直接以最小壁厚準(zhǔn)則進(jìn)行判定，會過于保守。

5 總結(jié)

本文針對核電廠二回路管道系統(tǒng)的FAC壁厚減薄建立了完整的分析評定路線，根據(jù)管道類型確定了核級管道和非核級管道兩類進(jìn)行評定。針對更容易發(fā)生FAC的非核級管道，以API579的Level 3評定方法為指導(dǎo)開發(fā)了一套方便通用的直接利用在役壁厚實測數(shù)據(jù)的基于極限載荷的有限元數(shù)值分析評定方法，可以提高目前以最小壁厚為評定依據(jù)的壁厚減薄強度評定的計算精度。

API579應(yīng)用于以ASME VIII、B31.1、B31.3、API650、API620等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的管道，因此本文基于API579的Level 3評定研究的方法也可以應(yīng)用在其他行業(yè)利用以上標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的管道非均勻壁厚減薄分析工作上。

1 ASME Code Cases N-597 2003[S]

2 API 579-1/ASME Fitness-For-Service -1[S], JUNE 5, 2007

3 ASME Section II[S], Part D, 2007

4 RCCM Section II Subsection Z[S], 2007

5 ASME B31.1[S], 2007

6 DL/T 5054《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[S] Code for design of thermal power plant steam/water piping[S]

7 DL/T 5366《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算規(guī)程》[S] Technical code for stress calculating of steam-water piping in fossil fuel power plant[S]

Assessment method of secondary loop pipe wall thinning due to flow accelerated corrosion in nuclear power plants

SHI Shaobo1ZHNANG Wei2LUAN Xingfeng2SUN Yu3
1(China Nuclear Power Operation Technology Corporation, Ltd., Wuhan 430223, China) 2(CNNC Nuclear Power Operation Management Co. Ltd. Plant II, Haiyan 314300, China) 3(CNNC Sanmen Nuclear Power Co., Ltd., Ningbo 317112, China)

Background: Flow Accelerated Corrosion (FAC) leads to wall thinning (metal lose) and strength reduction of steel piping. Piping degradation due to FAC can affect plant reliability and may cause serious accident. Purpose: This paper sets up the analysis and assessment method for the wall thinning due to FAC. Methods: This method mainly bases on local metal loss Level 3 of API 579. Using FEA software ANSYS develop parameterized models, including straight pipe, elbow, reducer, etc. The models can be expediently defined geometry and material parameter, load and constraint condition. Furthermore, the real thickness model of the pipe can be established by using the data of in-service inspection. Results: With the limit-load analysis method to assessment the strength of piping, the method achieved local metal loss Level 3 assessment effectively. Conclusions: Using this method to establish the true model of pipe wall thickness, can improve the accuracy of analysis of pipe wall thickness thinning evaluation.

Wall thinning, Parameterized model, Level 3 assessment, Limit-load analysis

TL353

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040655

施少波，男，1982年出生，2008年畢業(yè)于華中科技大學(xué)力學(xué)系，目前主要研究領(lǐng)域為核電廠老化管理及容器和管道的完整性評定

2012-11-30，

2013-02-01

CLC TL353