核电站压力管道焊缝缺陷的评估方法与应用研究

上海核工程研究设计院有限公司 陈 坤 潘科琪 祁 涛

核电站内有大量的压力管道，压力管道运行中会受到诸多载荷因素的影响导致管道上可能有各种裂纹型缺陷萌生或裂纹扩展，管道缺陷是导致管道破坏失效的主要原因之一。受建造、安装和在役运行等因素影响，管道焊缝位置较易产生裂缝缺陷，其存在会影响到核电站的安全运营。由于在役运行核电厂厂房内存在核辐射较高、区域内不易达等因素，有效快速的判断焊缝缺陷扩展对寿期内管道的影响，对于管线的安全运行、维修、更换决策以及降低维修风险等显得尤为重要。

在裂纹疲劳扩展的研究中普遍采用有限元的方法对裂纹扩展进行计算，其存在分析周期长、过程复杂、占用计算资源多、不利于快速计算等约束。管道裂纹扩展分析亦可采用ASME规范第XI卷的公式法进行，可将管道焊缝存在的裂缝型缺陷视为裂纹进行疲劳扩展分析。某核电厂核级支管座焊缝存在未熔合或未焊透缺陷，该类型的焊缝缺陷可视为裂缝型缺陷。按照规范要求，裂纹的扩展分析应分为碳钢和不锈钢两种情况，在评定过程中选取具有代表性的缺陷尺寸并保守视为管道内表面周向裂纹，考虑各种管道载荷工况和焊缝残余应力的作用，分析了寿期内缺陷疲劳裂纹扩展情况，为管道焊缝缺陷评估提供快速有效的方法和流程。

1 ASME第XI卷缺陷评价过程

如果在役检查中发现了管道焊缝缺陷，可根据ASME第XI卷IWA-3000和C-2000确定缺陷类型，进行缺陷的归并。

1.1 焊缝缺陷的筛选

依据ASME第XI卷IWB-3514.3节奥氏体钢管的允许缺陷标准要求，允许缺陷尺寸不得超过表IWB-3514-2允许缺陷限值；对于碳钢材料，依据IWB-3514-1铁素体钢的允许缺陷标准要求对碳钢管道缺陷进行筛选。如现存缺陷超出规范的筛选要求，可依据ASME第XI卷附录C进行缺陷的进一步分析评定。

1.2 焊缝缺陷的计算分析过程

ASME第XI卷附录C计算评定缺陷扩展的主要流程如图1，缺陷扩展分析主要是应力强度因子的计算，疲劳扩展分析以缺陷计算分析后的评定和验收准则选用。

1.2.1 应力强度因子计算

根据ASME第XI卷附录C-2500管道应力规定，结合管道运行压力和管道载荷计算周向缺陷的膜应力、弯曲应力分别为：σm=pD/4t,σb=DMb/2I,σe=DMe/2I,根 据ASME第XI卷附录C-7410和C-4311计算周向缺陷的应力强度因子 ：KI=KIm+KIb+KIr，KIm+[P/2πRmt](πa/1000)0.5Fm，KIb=[M/2πR2mt](πa/1000)0.5Fb，KIr=σIr(πa/1000)0.5，其中M=Mb+Me；σIr为残余应力；KIm、KIb为薄膜、弯曲载荷应力强度因子；系数Fm，Fb的表达式分别为 ：Fm=1.1+x[0.1524+16.772(xθ/π)0.855-14.944(xθ/π)]，Fb=1.1+x[-0.09967+5.0057(xθ/π)0.565-2.8329(xθ/π)]，。

1.2.2 疲劳裂纹扩展分析

不锈钢材料依据ASME第XI卷C-8410奥氏体不锈钢疲劳裂纹扩展公式(1)计算寿期末裂纹深度af和长度lf。其中， C是考虑温度影响比例参数，S是考虑载荷比影响的比例参数，具体表达式分别为：

对于碳钢材料，式（1）中材料参数参考附录A-4300，对于低ΔK，C=1.48×10-1，对于高ΔK，C=2.13×10-6，具体其它参数均参考A-4300。

1.2.3 缺陷验收准则

依据ASME第XI卷附录C-4210，奥氏体不锈钢的失效模式为塑性垮塌。依据ASME规范第II卷PartD可获取材料屈服应力强度σy、抗拉应力强度σu及设计应力强度σm，计算流动应力强度为σf=(σy+σu)/2。ASME第XI卷C-5310允 许 裂纹缺陷深度（表值解）可计算允许裂纹深度。依据表C-5310-1～4计算得到许用裂纹深度aallow。依据ASME第XI卷附录C-2611要求评定寿期末缺陷参数是否满足准则要求。

依据ASME第XI卷附录C-4210，对于碳钢材料需要依据 C-4310计算进而计算然后根据SC的数值进一步选择评定规程（图2）。然后依据C-6000表值解方法计算得到许用裂纹深度aallow，依据ASME第XI卷附录C-2611要求评定寿期末缺陷参数是否满足准则要求。

2 压力管道焊缝缺陷计算评定

在役检查射线检查显示，部分核级管道管座的焊缝出现了未熔合或未焊透等类型的缺陷，如图3.1，具体数值见表1。基于该裂纹型管道焊缝缺陷，依据ASME第XI卷对典型焊缝进行裂纹扩展分析评定，管线的信息见表2。

表1 缺陷数据

表2 管线信息

保守假设缺陷类型为管道内表面周向缺陷（图4），其中L为缺陷裂纹长度，a为缺陷裂纹深度，图5中为管道裂纹参数示意图，其中Rm为管道平均半径，θ为缺陷角的一半，t为管道壁厚。

2.1 不锈钢管道焊缝缺陷的评定

对于Φ19.05×6.87mm的支管类型，管道材料为奥氏体材料，依据ASME第XI卷IWB-3514.3节的允许缺陷标准要求，允许缺陷尺寸不得超过表IWB-3514-2允许缺陷限值。实际管道裂纹深度a=3.035mm，表面缺陷a/t=0.442，超出表IWB-3514-2中名义壁厚列对应的允许表面缺陷。通过对已有压水堆核电站中3/8英寸管道的自重、热胀、地震工况下的3/8英吋支管处载荷、固定支撑处载荷、设备接管处载荷等进行统计整理，将载荷包络值作为载荷输入（表3），同时依据ASME第III卷NB-3338.2节应力指数法的要求取焊缝处应力指数为3.3。

表3 不锈钢管道载荷

根据设计瞬态信息可知瞬态循环次数为13521次，考虑地震载荷循环次数取管道焊缝残余应力为69MPa。依据ASME第XI卷C-8410奥氏体不锈钢疲劳裂纹扩展公式（1）计算寿期末裂纹深度af=2.888mm和长度Lf=17.259mm。依据表 C-5310-1计算得到保守考虑时许用裂纹深度aallow=4.466mm，af

2.2 碳钢管道焊缝缺陷的评定

对于Φ38.1×9.63的支管类型，管道材料为奥氏体材料，管道材料为铁素体材料，依据IWB-3514-1的允许缺陷标准要求对管道缺陷进行筛选。若缺陷尺寸超出表IWB-3514-4中9.63mm壁厚对应的允许线状缺陷长度5.288mm，需要进一步进行裂纹的扩展分析和评定。根据ASME第XI卷附录C-2500管道应力规定，结合管道运行压力以及管道载荷（表4），计算周向缺陷薄膜应力、弯曲应力等。

表4 碳钢管道载荷

取管道焊缝残余应力为69MPa。在碳钢管道焊缝缺陷评估过程中，高ΔK和低ΔK对应的裂纹扩展比例系数C0相差5个量级，因此评定中需监测载荷比值R以便准确选取裂纹扩展系数。依据ASME第XI卷A-4300疲劳裂纹扩展公式计算寿期末裂纹深度af=5.661mm和长度lf=32.62mm。据ASME第XI卷附录C-4210，对于碳钢材料应依据 C-4310计算 K’r、S’r，进而计算 SC=K’r/S’r。根据SC的数值确定评定机理选择评定规程，流程如图2。计算 得 到 K’r=0.204，S’r=0.165，SC=1.236，依据C-6000表值解方法计算得到许用裂纹深度aallow=7.223mm，af

3 结语

对核级管道焊缝缺陷的扩展评估分析中，应用ASME第XI卷缺陷扩展的评估方法和验收准则，根据母材材料属性分为碳钢管道和不锈钢管道两种情况，别对管道焊缝的裂纹型缺陷进行了扩展分析并得到以下结论：ASME第XI卷包含的验收准则可对有缺陷管道焊缝进行评价，评定结果可以作为修复或更换决策的参考和依据；针对碳钢和不锈钢材料的管道，结合出现的典型未熔合、未焊透问题的焊缝缺陷情况进行定性评估，使用规范的公式法能简单快速获取缺陷扩展的影响；从理论方面验证了寿期内缺陷扩展的趋势和结果，能够有力支撑了核电厂管线的安全评审，在确保安全的情况下能够显著降低了核电厂业主方的维修代价。