设备剩余寿命监测系统在田湾核电站的应用

欧阳钦，周正平，茆秋华

(江苏核电有限公司，江苏  连云港  222042)

设备剩余寿命监测系统在田湾核电站的应用

欧阳钦，周正平，茆秋华

(江苏核电有限公司，江苏  连云港  222042)

疲劳强度计算是核级设备设计中需要考虑的一项重要内容。设计过程中根据假定的各种设计工况组合，计算整个寿期内疲劳强度能否满足标准规范要求。而设备在役实际运行过程中，其遭受的运行工况和设计工况不可能完全一致，可能偏于保守，有时考虑不周全，设备遭受了设计工况外的瞬态或超过其预定的瞬态次数。因此，掌握设备在运行过程中的实际遭受的疲劳损伤状态就显得尤其重要，这对于掌握设备的安全状态，进行设备的延寿，都具有重要的意义。田湾核电站在国内首次安装了在线疲劳寿命监测系统，利用该系统，发现了1号机组波动管的疲劳损伤较大，为此进一步统计出一个燃料循环周期内波动管的疲劳损伤增长，可用于指导今后机组运行的控制。

疲劳强度；波动管；疲劳寿命监测系统

疲劳是引起工程结构和构件失效的主要原因之一，是结构失效的最常见形式。在某点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完成断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的过程，称为疲劳。疲劳强度涉及到载荷的多次作用，是个动态的问题，是一个长期的损伤积累过程。对于疲劳强度的控制，是通过校核疲劳损伤因子来进行的。

根据“Unified procedure for lifetime assessment of components and piping in VVER NPPs VERLIFE”（2008版）的要求，运行过程中部件的疲劳损伤因子如果不满足：D≤0.8，那么应在该部位进行无损检测，如果发现由于疲劳而造成的缺陷，对其进行表征化并进一步进行评估；如果该部位无法进行无损监测或无损监测未发现缺陷，那么假定一个半椭圆起始裂纹，其裂纹尺寸为a=0.1s，a/2c=1/6（s为壁厚），对此假想裂纹进行评估，包括评估由于机械和腐蚀载荷而导致的裂纹扩展。

为确认设计使用期限内反应堆装置的强度和安全运行，在设计阶段应根据设计工况对设备和管道进行疲劳强度的计算。

但是，在反应堆装置运行过程中，实际负荷与在进行疲劳强度设计计算时假定的载荷是有区别的。因此，计算运行过程中设备部件实际积累的疲劳损伤，对于掌握设备的安全状态，进行设备的延寿，都具有重要的意义。

1 田湾核电站一回路设备和管道的剩余寿命监测

在田湾核电站俄供MCDS系统中包含了剩余寿命监测系统（SACOR系统），该系统的目的是评估VVER1000型反应堆一回路设备和部件在实际热力载荷参数下的疲劳损伤。

根据疲劳强度计算的结果，对于其中疲劳损伤较大的部位（疲劳损伤因子大于0.1），运行时SACOR系统监测其累积的疲劳损伤。

SACOR系统根据指定传感器记录的设备当前热工状态值，使用特定的近似函数计算控制点的应力，其出现疲劳损伤。在应力计算中，考虑了由于一回路和二回路重量、压力、管道温度自动补偿、热冲击、热波动和冷却剂分层引起的负载因数。

近似函数中的杜哈梅尔积分，反映了瞬态模式下控制点热应力随冷却剂温度的变化。知道每个控制点的基函数，利用杜哈梅尔积分，可计算此点随温度任意变化的应力值。

根据设计阶段的计算结果，田湾核电站VVER1000机组共选取了一回路设备和管道上的92个控制点，具体包括：

● DN850管嘴、ECCS管嘴、监测仪表管嘴、上部备用通道管嘴、除气系统管嘴；

● 隔离环；

● 脉冲管紧固件；

● 主密封法兰、螺栓、焊接连接部位、牛腿；

● 控制保护系统管嘴；

● 给水管嘴、应急给水管嘴；

● 蒸汽发生器传热管、底部D N500人孔、DN800人孔；

● 蒸汽发生器一回路集流管螺栓、出口、带孔区、下部区域；

● 稳压器检查孔、喷淋管嘴、应急注硼管嘴、波动管嘴焊接套管、电加热器孔、排气管嘴焊接部位、向泄压箱排放管嘴；

● 主管道热段、冷段；

● 波动管和主管道热段连接弯管区、中间部位、接头弯曲部位。

例如，稳压器本体的控制点示意图见图1，列表见表1。

图1 稳压器控制点示意图Fig.1 Control points of pressurizer

2 SACOR系统计算流程

剩余寿命监测系统（SACOR系统）采用“雨流计数法”作为循环统计算法，根据该方法组织和建立整个使用期限内的完整循环数据库和非完整循环积累损伤数据库。

SACOR系统积累疲劳损伤的一般计算流程就是根据正式传感器读数来确定运行参数，根据运行参数计算应力，根据“雨流计数法”简化负载周期和计算每半个周期的疲劳损伤，然后对其进行线性求和，其计算流程如图2所示。

3 田湾核电站1、2号机组疲劳损伤结果

对于田湾核电站1、2号机组，截至2011年12月底，每月定期计算了两台机组一回路主设备的累积疲劳损伤因子，其中疲劳损伤因子较大的设备及其部位列表见表2、表3。

表1 稳压器控制点列表Table1 The list of control points of pressurizer

从表2、表3中可以看出：

1） 两台机组波动管的累积疲劳损伤因子最大，其评估的剩余寿命都小于30年。

2） 其次为压力容器主密封法兰的累积疲劳损伤因子较大。

3） 另外，SACOR系统监测的其余主设备各测点累积疲劳损伤都较小，其评估的剩余寿命都大于80年。

田湾核电站两台机组在首次装料后，就投入SACOR系统对各控制点的疲劳损伤进行了实时监测。自1号机组首次装料以来，JEF10－21测点的累积疲劳损伤因子趋势图、每月疲劳损伤的趋势图如图3所示。

从图3可见，在1号机组前期调试阶段，波动管JEF10-21测点的疲劳损伤较大，商业运行后波动管疲劳损伤增长比较平缓。

统计2011年度1号机组波动管JEF10-21测点每个月的疲劳损伤变化情况见表4。

图2 SACOR计算流程Fig.2 Computation process of SACOR system

表2 1号机组一回路主设备累积疲劳损伤因子（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号机组一回路主设备累积疲劳损伤因子（截至2011年11月）Table3 Fatigue damage factors of primary equipment of Unit 2 (as of Dec. 2011)

图3 1号机组JEF10-21疲劳损伤趋势图Fig.3 Damage trend of control point JFE10-21 of Unit 1

从表1至表4可以看出，对于1号机组波动管JEF10-21测点：

1）正常满功率稳定运行时，JEF10-21的疲劳损伤为零。

2）2011年2月，机组降功率运行以及经历了T104大修停机前的降功率过程，疲劳损伤因子为0.000 129。

3）2011年3月，经历了从打闸停机到停堆的过程，疲劳损伤因子为0.001 547。

4）2011年4月，经历了整个启堆过程以及一回路强度水压试验，疲劳损伤因子为0.003 991。

表4 1号机组波动管JEF10-21测点的每月疲劳损伤列表（2011年）Table4 Monthly fatigue damage of control point JEF10-21 of Unit 1 (2011)

4 结论

田湾核电站安装了在线的一回路设备和管道剩余寿命监测系统，该系统根据机组的实际运行参数，可以计算设备和管道的实际剩余寿命，便于对设备和管道进行老化管理。根据SACOR系统计算得出的机组不同运行工况下的各部件疲劳损伤大小，可以得出不同工况下的各部件疲劳损伤情况，进一步可制定相应的运行、检查、监测、维修措施来控制和缓解疲劳累积损伤的发展，以确保一回路设备和管道在设计寿期内具有足够的安全裕度和功能裕度，并为延寿时提供技术基础，最终保障核电厂经济、可靠地运行。

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

欧阳钦（1978—），男，湖南郴州人，高级工程师，硕士，从事核电站技术管理工作。