在役检查缺陷评价方法

夏 朋

（苏州热工研究院有限公司,广东 深圳 518026）

在役检查缺陷评价方法

夏 朋

（苏州热工研究院有限公司,广东 深圳 518026）

缺陷评价是核电站在役检查中非常重要的一项活动。对于经过无损检测的缺陷，必须经过确定的“缺陷评价”方法的一整套操作，以鉴定和分析偏差工况，确认是否存在真实缺陷，选择最优的处理方案。根据RSEM和RCCM，确定了一套缺陷评价方法，包括缺陷评价步骤、记录阈值、评判阈值、验收标准以及缺陷评价力学分析，为在役检查人员进行缺陷评价提供了参考。

缺陷评价；验收标准；力学分析

0 引言

核电站与常规电站一样, 有着众多的管道、容器及热交换器等机械部件和设备, 在其制造、安装及运行中必须进行相关的无损检测来验证或确保其现有的安全状态与设计标准相符或满足设备继续运行的安全准则的需求[1]。

随着清洁能源的大力发展, 在运核电站的数量增加很快, 而其运行时间的不断累积, 使设计、制造、安装及运行管理中的问题逐渐产生和暴露, 导致事故的发生[2]。限于核设备的使用状况, 不可能对所有含有缺陷的核设备进行更换或返修, 因此, 针对压力管道的结构及受载特点, 建立科学而适用的核电站在役检查缺陷评价规程, 对核设备缺陷进行安全评定, 有重要的理论意义和实用价值。

1 缺陷评价步骤

缺陷评价是核电站在役检查的核心环节，所有超过记录阈值的显示都要经过确定的“缺陷评价”方法的一整套操作。

处理过程包括以下四个主要阶段：

——显示识别；

——偏差分析；

——选择或生效处理方案；

——实施处理方案。

1.1 显示识别

如果达到或超过记录阈值，应进行显示识别，其目的是确认显示的存在以及其物理特性（位置、大小、幅度等），并与上次检验结果进行比较。通过与上次检验的比较，可确定显示是否是新产生的，或与以前相同，或已经消失，或产生了显著变化。

如果显示是物理缺陷，或不是伪显示，则认为设备处于偏差状态，应进一步进行偏差分析，然后要制定偏差处理文件，还应要求专项监督。如果导致制定偏差文件的显示的参数在连续两次检查期间都没有确认时，则可关闭偏差处理文件，并且不再要求后续监督。

偏差文件的打开预示着分析进入下一流程，即偏差分析。

1.2 偏差分析

本阶段的目的是确认真实缺陷的存在，包括缺陷的特征（类型、性质、来源、位置、大小等）以及缺陷潜在扩展性分析，同时也包括危害性评价、设备状况、设备和人员安全评述以及维修和后续监督的可能性。

在进行分析之前，应首先准备好下述文件：

——以前相同起因的偏差处理文件；

——证明对目前分析可能有帮助的、包含相似案例的偏差处理文件；

——可能改进和简化分析程序的一致性文件。

（1）缺陷评判。应进行如下工作：

——确定是否存在真实的物理缺陷；

——通过表面、体积等检查确定缺陷为线性或非线性；

——确定缺陷性质（裂纹、未熔合、沟槽、缩孔、几何形状问题、冲击缺口、撕裂）；

——确定可能的起源（制造、安装或在役）；

——在测量误差范围内确定缺陷的位置、尺寸、方向，如若难以确定则应确定缺陷的包络几何特征。

——确定给定紧邻区域是否存在缺陷及其数量。

缺陷评判应基于显示评判的结论，以及必要的金相检验或在结构模型体上进行的力学试验。

（2）缺陷扩展分析。仅凭无损检验发现的缺陷无显著变化的事实，并不能得出缺陷不会扩展的假设，分析仍取决于缺陷涉及的设备和缺陷在结构中的位置。缺陷扩展假设分析的目的如下：

——确定是否进行缺陷危害性定量定性分析或扩展动力研究；

——确定后续监督的内容和周期；

——选择偏差解决方案。

对于通过无损检验得出的缺陷，如若不置可否，任其在设备运行过程中继续扩展，最终导致设备破损断裂，产生严重的事故，造成重大的人员财产损失。如若不对缺陷进行分析就更换设备，同样会对经济效应产生重大的影响。因此，有必要对缺陷进行扩展分析，确定其是否会发生裂纹起裂，是否会扩展，在下个检验周期内的扩展量，以最终确定是对设备进行立即更换，还是延迟更换或是保持现状，继续使用。

如若相关显示出现了显著变化；或是根据缺陷特征和其可能起因的物理现象，可以怀疑缺陷在其初始出现后已经扩展，或在后续运行中将扩展；又或是对于涉及的设备及其应力状态，在危害性定性分析时对缺陷扩展风险评价可以怀疑因为性质和位置的关系缺陷可能扩展，则认为存在缺陷扩展。

（3）缺陷危害性评价。目的是为了评价构件中是否存在缺陷和其可能的扩展对于部件的完整性的危害。其关注的重点在于现在到将来某一规定的时间段。危害性评价是对缺陷特性的研究，即对失稳和裂纹扩展风险的研究。其包括系统性缺陷特性定性评价、不同类型缺陷特性定量分析系统性的评价以及对设备、人身、财产安全的影响分析。

（4）部件状况评价。部件状况评价以缺陷评判、扩展假设、力学特性分析（裂纹扩展和失稳）为基础，旨在揭示复合损伤，以及快速扩展，或随机扩展的动力。通过评估局部或整体修理的风险，以决定是否进行局部或整体部件更换。

（5）装置安全及人身风险评价。根据装置安全分析报告和设备的安全分级，确定失效部件安全后果分析的内容和范围，在分析中应考虑在偏差处理中遇到的缺陷、缺陷的危害性、预防和降低危害的措施。如若怀疑缺陷穿透了管壁，则应确认泄漏对装置安全性评价的影响。

1.3 选择和生效处理方法

本阶段帮助运营单位确定处理方法，其依据前面阶段获取的信息而展开。其包括不同处理方法的评估以及分析所设想方法的后果。

在偏差分析之后，应选择偏差解决方案。进行方案选择时，应同时考虑按照偏差得出的结论以及部件的RSE-M级别。主一回路和主二回路部件应完全执行这些准则。对于其它部件，准则的执行根据部件对于装置安全、人员和财产安全的影响来确定。

当裂纹扩展或失稳风险很高，应选择立即修理或延后择时修理的方案对偏差进行处理，在缺陷的可能起源追溯为装置运行条件时尤应如此；如果不存在偏差扩展的可能性，偏差可不做处理而原样接受。如果准备延后择时修理，该决定应同时得到缺陷力学特性定量分析和缺陷扩展动力研究的论证。

1.4 修理方案的执行

修理方案包括：

——原样接受；

——永久修理；

——延迟修理；

——临时修理。

2 相关阈值

缺陷评价过程中的阈值包括记录阈值、评判阈值以及扩展阈值。

2.1 记录阈值

显示的记录阈值是一个测量参数值，超过这个值应进行处理。依据的检查方法和检查区域不同，记录阈值也不相同。

（1）超声检验记录阈值

根据RSEM（核电厂核岛机械设备在役检查规则），使用2 MHz的标准探头，与参考回波相比，如下回波高度的显示须记录：

——对主一回路部件的检查，大于或等于参考反射体回波幅度的25%；

——其他系统部件的检查，大于或等于参考反射体回波幅度的50%；

——在适用不同的规程（探头，参考反射体，等），应采用与灵敏度等级相对应的记录阈值。

（2）射线检验记录阈值。对于射线检验方法，所有大于或等于4mm的显示，无论是否与物理缺陷相关，均应记录。

（3）渗透检验记录阈值。

——单道密封焊缝（如射线检测孔塞等）、异种金属焊缝和密封面：所有渗透检测的显示均应记录。

——多道密封焊缝和其他区域：所有长度大于2 mm的显示均应记录。

（4）磁粉检验记录阈值。检测区域内所有大于2mm的显示均应记录。

（5）目视检验记录阈值。以下显示应予以记录：

——机械异常，例如断裂、松动或零件缺失；

——任何外来异物；

——明显的变形，包括冲击造成的变形；

——泄漏、渗漏或硼结晶的痕迹；

——缺陷外表痕迹，例如红褐色、氧化层、沉积物、氧化皮或其它明显的污染。

2.2 评判阈值

显示的评判阈值的设定通常大于或等于对应的记录阈值。当测量值超过评判阈值时，应实施其他检测以评判该缺陷是真实的或是值得怀疑的。所依据的检验方法和检验部位的不同，则评判阈值也不同。

2.3 扩展阈值

扩展阈值是表述在先后进行的无损检测中所测量参数的变化限制：

（1）表面检验：长度变化5mm；

（2）射线检验：下面两个值中的较小者：

——长度变化：10mm或厚度的1/3；

（3）超声检验；超过下列三种情况之一将视为显著变化：

——幅值变化大于6dB；

——垂直于声束轴线的尺寸变化：大于缺陷声程处1.5倍声束宽度，或大于1.5倍聚焦点尺寸；

——当采用TOFD技术时缺陷深度方向的变化：取决于探头的频带，基于个案进行确定。

（4）涡流检测。前后进行的检验显示的变化满足下述条件之一：

——幅值变化：≥30%；

——长度变化：大于或等于2倍的传感器影响区域。

3 验收标准

验收标准是缺陷评价的重要阶段，满足验收标准的要求，说明缺陷可以接受，设备可以选择继续运行，否则，应选择修理方案。

对于平面型缺陷和体积型缺陷，所使用的验收标准是不同的。

3.1 平面型缺陷的验收标准

平面型缺陷根据其在设备中所处的位置可分为：

——平面型外表面缺陷；

——平面型埋藏缺陷；

——平面型内表面缺陷；

无论对于哪种类型的平面型缺陷，均可表征为长为L，深为A的椭圆或半椭圆缺陷。

对于引进法国技术的压水堆核电站，不同的设备对应不同的验收标准。

3.2 体积型缺陷的验收准则

体积型缺陷的验收准则如下：

（1）渗透检验。以下显示均为不合格：

——最大尺寸大于4mm的圆形显示；

——一条直线上的3个或超过3个显示,并且显示边与边之间的距离小于3mm；

——面积为100cm2的矩形框范围内存在8个或以上显示,矩形框应选择在显示最密集的区域且矩形框的最大边长不大于20cm。

（2）磁粉检验。以下显示均为不合格：

——大于4mm的非线性显示；

——一条直线上的3个或超过3个显示,其边缘之间的距离小于3mm的显示。

（3）射线检验。以下显示均为不合格：

——直径大于4mm的气孔；

——直径大于6mm的夹渣；

（4）超声检验。最大允许长度不超过20mm。

4 缺陷评价中的力学分析

4.1 疲劳扩展分析

构件在交变载荷的长时间作用下发生失效的现象称为疲劳。构件的疲劳破坏一般分为裂纹萌生、疲劳扩展、瞬时断裂等几个阶段。构件承受交变载荷的每一循环之后，金属局部就积累一定数量的微观缺陷，累计到一定程度就会萌生疲劳裂纹，裂纹随着交变载荷慢慢扩展，最后破坏。

缺陷扩展分析旨在研究缺陷扩展机理，确定缺陷在所考虑时间段内的扩展速率和扩展量，得出所考虑时间末期，以此来分析此缺陷是否会给设备安全性带来影响。

缺陷扩展的分析应考虑下述三个时刻：

——设备开始服役的时刻0；

——实施分析的时刻t0；

——设计中所考虑的在役末期时刻tf。

计算公式见式（1）：

ΔK——应力强度因子变化幅值；

C，n——系数。

4.2 快速断裂分析

对于大多数结构和零件来说，宏观裂纹的存在是不可避免的。由于裂纹的存在，并且其扩展到一定程度，便会引起断裂。快速断裂分析即是研究设备在所处的工况下，是否会由于缺陷的存在而断裂。

对于铁素体钢的部件，分析快速断裂模式取决于所考虑缺陷部位的温度T：

——T-RTNDT小于50℃时，脆性区域或过渡区域发生脆性断裂；

——T-RTNDT大于50℃时，发生韧性断裂。

4.3 塑性失稳分析

一次应力为直接参与和机械载荷平衡的应力类别。因此，在塑性变形的情况下，一次盈利还继续存在，当一次应力超过材料的屈服极限时，会引起过度变形。为此，必须对一次应力加以限制以防止过度变形失效。塑性变形仅在过度变形之后才会发生，所以一次应力准则同样保证无塑性失稳的危险。因此，可用许用应力强度来保证过度变形和塑性失稳之间具有足够的安全裕度。

分析缺陷部件的塑性失稳风险，分析时应考虑因存在缺陷而导致减少的承载截面。

5 结语

本文根据RSEM(核电厂核岛机械设备在役检查规则)与RCCM(压水堆核岛机械设备设计建造规则)，给出了一套缺陷评价方法，详细描述了针对缺陷的缺陷评价流程,验收准则以及缺陷评价方法，给核电在役检查从业人员进行缺陷评价提供了参考。本文给出的缺陷评价流程包括显示识别、偏差分析、选择处理方法、执行处理方案。本文给出的缺陷评价体系尚不够完善，由很多地方有待改进。

[1]王庆武.核电站在役检查探讨[J].中国核电,2008(02):156-161.

[2]梅德松.关于核电站在役检查标准的探讨[J].核动力工程,1994(03):219-221.

夏朋(1988—)，湖北黄冈人，助理工程师，硕士研究生，从事核电站在役检查相关工作。