疲劳监测系统在核电厂老化管理及延寿中的应用研究

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（深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518045）

疲劳监测系统在核电厂老化管理及延寿中的应用研究

孟阿军，刘浪，凌君，刘洪涛，章贵和

（深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518045）

核级管道热疲劳失效是核电厂金属部件失效的主要形式之一，也是核电厂老化管理及延寿中的关注重点之一。本文采用核电厂疲劳监测系统测得管道的温度数据，掌握其真实的温度影响过程，对监测区域管道的疲劳状态进行评估，实现管道热疲劳状态寿命管理，最终可以为核电厂延寿工作提供数据支持。

疲劳监测系统；核电厂老化管理；延寿；热疲劳

核电厂老化［1］是指系统、构筑物和部件（SSCs）的物理特性随时间或者使用逐步退化改变的过程。数据显示［2］，在全球约450座在役及约70座在建核电机组中，约有20%的机组运行年限超过30年，70%的机组运行年限超过20年。这些机组即将达到其设计寿命，面临设备老化和将达设计寿命的问题。但考虑到机组初始设计时的诸多保守假设，很多关键设备远未达到老化退役的限值，如何有效延长这些机组的寿命，又能保障核电厂的安全运行，便显得日益重要［3］。图1［4］标示了部件老化与核电厂寿命之间的总体关系。部件在寿命期间内安全、经济地运行，但由于运行过程中老化效应的影响，部件的安全裕量随着核电厂的运行时间而改变，因此理解部件的老化机理并掌握影响老化的关键参数，分析部件真实的老化状态，有效管理老化曲线，改进影响部件老化作用的影响因素，从而可以合理地延长重要关键部件的使用寿命，达到核电厂延寿的目标。

l 疲劳失效监测

l.l金属疲劳

金属疲劳［5］是核电厂部件的重要老化机理之一，压水堆核电厂的金属疲劳和核电厂的结构及运行方式关系密切，核一级金属部件均按照法规进行设计，设计时完成详细的应力分析和疲劳分析。但是核电厂大量的设备、管道和阀门相互关联，在运行过程中，温度连续变化，可能会出现热冲击、热分层、热震荡等热工现象，尤其在管道弯头，低速流体的水平管段、三通湍流搅混区域和阀门渗流区域的附件较为明显，这些交变温度的产生增加了部件的局部热应力，严重时会造成热疲劳损伤。其次，大量材料试验结果表明，压水堆核电厂的环境因素也会对部件造成疲劳老化，目前设计疲劳曲线没有考虑环境因素，因此该疲劳曲线的安全裕度会受到环境因素的影响而变小。另外由于设计中未能完全考虑上述因素或者是人为的误操作，金属部件还会出现不可预见的疲劳老化现象。

图l 部件老化曲线和寿命延长示意图Fig.l Aging curve and life extension of components

l.2疲劳失效监测

通过加装疲劳监测系统［6］对部件的特定功能参数与状态指标加以监测并对部件的热疲劳状况进行评估，可以为老化管理和延寿工作提供数据支持［7］。美国老化管理经验报告 （NUREG-1801）［8］中要求为确保疲劳使用在允许限值范围内，减少材料预期周期应变引起的金属部件的疲劳裂纹，应对选定部件的温度和压力瞬态开展监测和跟踪，开展真实载荷的疲劳分析，确保实际运行瞬态 （包括环境影响）引起的疲劳使用系数＜1．0［9］。

图2给出了某一部件在未安装疲劳监测系统时以及疲劳监测系统安装生效后的一段时间内各阶段的疲劳变化情况［10］。图中，调试阶段 （A）和初始操作阶段 （B）的疲劳变化率分别为γ、β；正常运行阶段 （C）的疲劳变化率为α。β、γ、α与操作历史有关，可以通过设计瞬态，操作日志，瞬态图表和调试程序确定。在C阶段的末期安装疲劳监测系统，并将此刻的疲劳使用系数U0作为疲劳监测的起点，采用疲劳监测系统后，真实的瞬态过程将被记录，通过真实的载荷分析得到部件的损伤状态及剩余寿命。同时由于疲劳监测系统的存在，在优化运行 （D）阶段可以发现一些对疲劳损伤有严重影响的操作，对这些操作进行优化处理，以减少容易造成疲劳损伤的运行操作［11］。E阶段为延寿阶段，疲劳监测系统提供真实瞬态数据和分析结果为延寿工作提供分析和评估基础，在此基础上合理地将该部件的设计寿命40年延寿至60年。最终部件的疲劳寿命曲线为a-b-c-d-e-f。

图2 采用疲劳监测系统对核电厂各运行阶段部件的疲劳使用系数的影响Fig.2 Theimpactof fatigue usage factor variationduring different operation phase of Nuclear power plan that fatiguemonitor system measured

2 疲劳监测系统

2.l疲劳监测方法

疲劳监测系统从结构上来说，主要分为两类［12］：一类是利用核电厂的分布式控制系统（Distributed Control System，简称DCS）的数据并开展应力和疲劳分析而评估疲劳使用系数来指导运行，完成疲劳部件的疲劳状态监测和寿命管理；另一类种是采用在部件上安装热电偶，测量热疲劳高风险区域的温度变化，使用专用的疲劳分析程序，对监测到的实际的温度变化进行疲劳使用系数计算，实现疲劳状态监测，运行指导和寿命管理。

对于第一种结构方式，由于DCS本身的限制，其计算结果不能真实地反映局部高应力区域的计算结果。本文采用在部件上安装热电偶的监测系统，利用热电偶局部测量的优越性，则可以取得高风险区域的管道外壁温度分布数据，并根据导热反演程序得到管道内壁的温度，因此，更能准确地取得承压部件真实的工作状态和寿命管理的真实信息。

2.2 实施步骤

疲劳监测主要是收集和计算作用在部件上的循环载荷及周期次数，从而对部件的疲劳寿命进行预测，通过疲劳失效监测，可以对部件的疲劳敏感区域进行安全性评估，也可以快速评估核电厂系统的各种瞬态。疲劳监测的实施包括以下五个步骤：

步骤1：确定核电厂系统运行中需要进行监测的热工水力现象；

步骤2：确定核电厂中易发生疲劳失效的监测部件及监测位置；

步骤3：确定在监测中需要记录的工程参数；

步骤4：根据记录数据等进行疲劳累积使用系数计算；

步骤5：根据设计数据确定部件在实施疲劳监测之前的疲劳损伤，计算部件的总疲劳损伤并评估剩余寿命。

2.3 监测部件及危险区域的确定

由于监测的测点有限，因此疲劳监测系统需要针对疲劳损耗严重部件上的危险区域进行监测，危险区域选不准确会使监测系统失去监测意义，甚至导致错误的结论，因此准确确定监测部件及需要监测的危险区域是疲劳监测系统的基础，确定监测部件，重点考虑图3［13］所示的选取原则；对于监测区域的选择，重点考虑如下因素：

（1）危险区域位于温度场复杂区域；

（2）危险区域位于管壁材料较差和管道壁厚较小的区域；

（3）危险区域位于管道弯曲大、壁厚减薄多的区域；

（4）危险区域位于管壁磨损大、腐蚀严重的区域。

图3 监测部件选择Fig.3 Components options for monitoring during operation

根据以上原则，危险点的确定还要参考现场安装、经验反馈以及管材规格等因素。

2.4管壁温度测量

由于核电厂承压部件内冷却剂的交变温度变化及热传导的影响，导致金属管件内外壁温度不同，热膨胀量不同，并随时间变化，管壁上产生交变的温差热应力，因此管壁温度是疲劳分析的基础，疲劳寿命损耗的监测需要掌握管壁温度分布情况。由于核电厂结构的安全性要求，危险点区域的内壁温度难以测量，而采用热电偶测量外壁温度较为方便，然后由外壁温度反演计算得到内壁温度，这种方法能够保持管道结构的完整性。本监测系统外壁测温的热电偶测量的布置形式［14］如图4所示。对于直管段和弯头区域，通过导热反演计算，内外壁温度对比曲线图如图5所示。对于三通区域，通过导热反演计算内外壁温度的CFD软件FLUENT模拟和试验的对比曲线如图6和图7所示。

图4 热电偶布置形式Fig.4 The thermocouple layout of the fatigue monitor system

图5 管道内外壁温度变化曲线Fig.5 Temperature curves of pipe inside and outside walls

图6 三通区域内温度场CFD模拟与试验模拟Fig.6 Temperature simulation by CFD and test in lab for the tee region

2.5疲劳分析

图7 三通区域温度计算变化CFD模拟与试验对比曲线Fig.7 The temperature comparing curves of the tee measure point between simulation in CFD and test in lab

核级管道应力集中的峰值位于弯头、三通、焊缝附近，在确定这些监测高风险区域处的各种循环载荷应力之后，将应力分量叠加，求得最大循环应力幅［15］，引入环境对疲劳的影响因子，通过雨流计数法确定实际应力循环次数，使用Miner线性叠加原理对承压部件疲劳寿命损耗量计算。

2.6疲劳监测系统的应用

疲劳监测系统基于客户端/服务器型式，将一台计算机作为后台服务器，通过以太网与其他前台监测客户端相连接。系统网络结构如图8所示，系统的模块组成如图9所示。系统定期将现场监测位置处热电偶的监测数据存储于数据库中，按照老化管理的要求，后台服务器定期调取温度等数据计算监测部件的寿命损耗和总寿命损耗量并将计算的结果存储于数据库中。数据库中保存有大量定期计算的中间结果，用户可以通过选择相应的时段和数据显示内容及形式，访问数据库，查询部件在固定时段间的寿命损耗值，并对造成疲劳损耗的影响原因进行分析。

图8 疲劳监测系统网络结构图Fig.8 Fatigue monitor system network

图9 疲劳监测系统内部结构图Fig.9 Fatigue monitoring system internal modules

3 结语

本文阐述了疲劳监测系统在老化管理及延寿工作中的作用，采用疲劳监测系统实现了对核电厂老化关键部件及疲劳危险区域进行疲劳监测和疲劳寿命管理。疲劳监测系统能够长期保存计算数据，存储热疲劳危险区域在运行过程中的监测数据及疲劳老化的分析结果，可为核电厂关键部件的老化状态及寿命管理提供数据依据，为延寿工作提供技术支持。

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Applicationof the Fatigue Monitor Systemin NPP's Aging Management and Life extension

MENG Ajun，LIU Lang，LING Jun，LIU Hongtao，ZHANG Guihe
（Shenzhen China Nuclear Power Design Co．，Ltd．，Shenzhen 518045，China）

Nuclear Power Plant（NPP）'s primary pipe thermal fatigue failure is one of primary form of NPPs metal components failure，it's also one of the key points of NPPs aging management and life extension．These papers uses the fatigue monitor system to get the pipe temperature data，record the procedure of real thermal impact，to evaluate the pipe thermal fatigue state，actualizethe thermal fatigue agingmanagementofnuclearimportantpipes，and finally provide supporting evidence forNPPs life extension．

fatigue monitor system；aging management；life extension；thermal fatigue

TL353

：A

：1672-5360（2016）04-0048-04

2016-06-12

2016-07-23

中广核工程设计有限公司科研课题 “核电站延寿法规体系研究”，项目编号K-B2015．052．SJ

孟阿军 （1983—），安徽蚌埠人，工程师，硕士，现主要从事核岛系统力学分析工作