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核電廠二回路汽水管道局部減薄管理的挑戰和應對

2021-02-03 13:14:54 作者：鐘志民來源：腐蝕與防護分享至：

工程經驗反饋及有關研究表明，輕水反應堆核電廠二回路汽水管道在管道內流體長期作用下，可能會發生流動加速腐蝕（FAC）、液滴沖擊（LDI）和汽蝕等老化，從而導致管道母材或焊縫發生局部減薄的老化劣化現象。如不進行有效的預防性檢測和系統的主動管理，可能會導致管道局部泄漏或破裂。

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業界對汽水管道的FAC已開展了較多研究、試驗、管理等工作，在設計、選材、檢測、評估及老化管理上都取得了很大進步和良好成效。

例如，美國電力研究院（EPRI）等機構自上世紀80年代開展相關研究工作，發布并定期更新“有效流動加速腐蝕大綱的建議（NSAC-202L）”技術導則以及CHEC-WORKS?軟件。法國電力公司（EDF）開發的BRT-CICERO?軟件同樣依據基于模型試驗和經驗反饋的計算模型對高能汽水管道FAC進行敏感部位篩選、減薄速率計算、剩余壽命預測與評估、檢測計劃編制和調整等工作。改造時，使用鉻含量相對較高的碳鋼或低合金鋼管道替換原碳鋼管道，這使管道的抗FAC能力顯著提高。

LDI、汽蝕或其與FAC共同作用引起的汽水管道局部減薄，也應引起重視，為此，國核電站運行服務技術有限公司的技術人員進行了系統性、針對性總結，包括新經驗反饋的應對、檢測有效性的改進和標準化等工作，以使輕水堆核電廠二回路汽水管道局部減薄管理工作更有效、更系統、更經濟。

管理現狀

美國、日本等國在核電廠汽水管道FAC管理上，依托相關研究、應用實踐和經驗反饋，在管理工具、檢測和評價、實踐和標準化等方面都得到了很大的發展和完善。

例如，美國EPRI開發的CHECWORKS軟件輔助用戶進行管線篩選、測點篩選、腐蝕速率預測和修正、檢測數據管理和檢測計劃編制等工作。其發布的技術報告NSAC-202L指導用戶如何建立FAC管理大綱和實施管理活動，并指出“管理職責、分析篩選、行業經驗反饋、檢測、工程判斷、長期策略”是開展有效、長期、完整FAC管理的六大關鍵要素，缺一不可并且不能相互替代。該報告的不斷升版完善了有關篩選、檢測、監測、預測和評價的技術和方法，更指出應加強水質管理或通過更換材料等設計變更來控制和緩解FAC劣化。

日本在美濱3號機組給水管道FAC導致減薄破裂事件發生后，系統進行了相應的改進和提高。例如，2006年日本發布了JSME S NG1-2006《PWR管道壁厚減薄管理技術要求》。該標準與EPRI導則在技術上主要有以下不同：

1 只適用于PWR，但考慮FAC和LDI兩種減薄機理；

2 不強制要求使用帶有減薄速率預測功能的軟件進行篩選和預測，但給出了根據壁厚測量數據進行減薄速率計算和壽命預測的方法；

3 基于統計數據和經驗反饋，詳細給出管線、部位篩選原則、定期檢測范圍和測點分布及間距，可操作性強。

在標準化方面，ASME XI卷技術委員會為滿足各電廠的實踐需求，在1993年頒布了Code Case N597-2《管壁減薄分析評價要求》和ASM EB31.3非強制性附錄IV《動力管道系統的腐蝕控制》，分別為核安全級和非核安全級管道的局部壁厚減薄提供了結構完整性評價準則。

我國核電廠從秦山一期開始就重視汽水管道FAC管理。在多次大修中對FAC敏感管道進行壁厚測量并根據測量結果更換了大部分的敏感管道。其他核電廠也根據廠內外經驗反饋，建立了二回路汽水管道FAC管理大綱，或采用帶有預測功能的軟件進行篩選、評價并結合經驗反饋推進相關工作，或基于統計數據和經驗反饋制訂詳細檢測計劃并不斷優化。此外，2014年，我國發布行業標準NB/T 25033-2014《壓水堆核電廠常規島流體加速腐蝕敏感管線篩選導則》，指導敏感管線、部位的篩選、檢查、計劃調整工作。

整體而言，對較大口徑高能汽水管線的FAC管理，國內外都比較成熟且有效。但就核電廠二回路汽水管道壁厚減薄管理而言，仍需面對如下挑戰：

1 汽水管道局部減薄機理研究：除重點關注FAC外，還應關注LDI和汽蝕。在LDI的作用機理、影響因素和檢測方法上，日本開展了較多工作并在其行業標準中給出了針對性強的要求，我國應加強相關研究、應對措施優化和標準化工作。關于汽蝕，除了在設計階段進行結構優化以盡可能防止其發生外還應在定期檢修時加強敏感部位的狀態核查，如壁厚監檢測或閥門解體檢修時其上下游管道內部腐蝕情況的目視檢查等。此外，還應關注并持續提升汽水管道FAC、LDI機理和影響因素的認知水平，這將影響檢測/監測部位的選擇、檢測方法的優化、網格點法超聲壁厚抽測的有效性和經濟性等。

2 管理體系的提升：應從FAC管理實踐提升到汽水管道局部減薄管理大綱指導下的實踐，且應積極推進風險指引的汽水管道局部減薄管理理念、方法，以便優化監測檢測部位、周期和方法，進一步提升壁厚減薄管理的有效性和經濟性。

3 小徑管壁厚管理：諸如EPRI等機構已開始關注直徑50mm以下的小徑管壁厚減薄管理，如一些具有疏水或測量功能的小徑管。應開展小徑管局部壁厚減薄失效風險分析以便優化部位篩選和檢測資源的投入。

4 長周期運行、變更改造、材料替代等帶來的新挑戰。長周期運行階段應重點關注汽水管道局部減薄管理的系統性、全面性和覆蓋性問題，既要全面評價當前管理績效和狀態，也要面對新經驗反饋、長期服役帶來的新挑戰。應關注并評估變更改造、功率提升等對流速、流量、結構等帶來的變化及上述變化對管道局部減薄的影響。材料替代可能會新增異種金屬環焊縫，應關注其是否易于發生局部減薄，是否有針對性的檢測技術，同時也要考慮材料替代后其他老化機理和老化效應的影響。

5 標準化、信息化方面應進一步加強核電廠二回路汽水管道局部減薄管理標準化工作，重點優化長期策略、管理范圍界定和敏感部位篩選排序、監檢測計劃和實施、評價預測和計劃優化等內容。此外，還應加強業內相關信息采集、整理、共享等的規范化，提升信息交流、共享和利用的水平。

6 檢測、監測方面應優化傳統超聲測厚檢測工藝，積極推進檢測新技術、新工藝的應用，重點開展監測、檢測技術驗證和改進提高工作。主要包括：網格點法超聲壁厚檢測的有效性，不拆卸保溫條件下脈沖渦流測量管道壁厚，管道環焊縫根部壁厚的超聲衍射時差法（TOFD）測量，冷陰極數字X射線管道壁厚測量，電磁超聲高溫檢測技術等。

檢測方法

1 網格點法超聲測厚的有效性

采用網格點法超聲測量壁厚時，在檢測效率和局部減薄檢出率之間應有良好的平衡。結合國外相關標準、項目組推薦方法、部分汽水管道局部減薄實測數據（含FAC/LDI減薄），對網格點法的有效性進行初步分析。可粗略用局部減薄面積除以測厚網格面積的百分數值表征局部減薄的檢出率，其與百分百的差值可定義為漏檢率。表1給出了不同方法推薦的測厚網格點間距（D為管徑）。表2給出了10個樣本數據（32個真實樣本數據中具有代表性的部分數據）按上述原則計算得出的理論漏檢率。分析上述數據和計算結果可知，采用項目組推薦的網格，漏檢率相對較小，但測點最多；JSME規范的網格漏檢率相對較大，而EPRI導則中的居中。

表1

不同標準推薦的測厚網格點間距

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表2

實際工作中，應考慮以下因素優化網格點間距和布置：

01 局部減薄機理的特點，即應結合敏感部位發生特定減薄機理的可能性和對應的形貌特征、局部減薄區域尺寸大小優化測點。例如彎頭或三通結構LDI敏感部位處應補充針對性測點，如流體改變方向前正對的彎頭或三通特定部位及發生沖擊后流體變向可能影響的部位。

02 應重點關注敏感結構，如彎頭或三通，其上下游環焊縫附近區域。

03 介質是單相流或雙相流，管內流速，是否存在流道結構變化、壓力急劇變化、介質相變等的影響，也是優化網格點間距和布置的重要參考。

2 脈沖渦流檢測管道局部減薄

同傳統超聲測厚或超聲掃查測厚成像相比，脈沖渦流測量管道壁厚是近30年興起的新方法。其技術特點主要如下：

1 可不拆卸保溫層進行管道掃查測厚成像且不區分內外壁減薄，適合快速檢測和初步篩查，包括高溫條件下的非接觸掃查測厚。

2 相比傳統渦流檢測，對提離作用不敏感，又不需要超聲檢測常用的耦合劑，也可用于保溫層拆卸后的局部減薄快速掃查成像，檢測效率高。

3 隨著聚焦脈沖渦流檢測和分析技術的研究應用，可以檢測原先檢測困難的較小管徑汽水管道（如Φ50mm）的局部減薄。

4 主要適用于碳鋼、低合金鋼汽水管道。隨著技術發展，國內已開發出檢測非鐵磁性管道局部減薄的脈沖渦流儀器。

5 主要適用于較大面積減薄的檢測，因為脈沖渦流測量的是渦流分布區域的平均壁厚，且隨深度增加作用區域顯著擴散，故信號強度呈指數衰減。一般FAC引起的局部減薄較宜采用脈沖渦流檢測。但應注意，大壁厚下的單點穩定測量需要更長時間且此時內部局部減薄檢出率更低，測量值可能更不保守；對于直徑較小（如Φ20mm及以下）的單點局部減薄漏檢率可能較大，但汽水管道中除了偶發的點蝕外，很少有此類局部減薄。

6 同超聲測厚相比，其在檢測較大面積麻點、密集分布腐蝕點坑等局部減薄時，具有一定優勢。

綜上可知，在不拆卸保溫層條件下，聚焦脈沖渦流技術是檢測汽水管道局部減薄便捷的手段。如將其與傳統超聲測厚結合使用，應是提高整體工作效率的一種可行方法，也需要我們在標準化和能力驗證方面進一步開展工作以推動其應用。

3 管道環焊縫根部壁厚的超聲衍射時差法測量

國內外經驗反饋表明，汽水管道環焊縫處可能存在FAC或汽蝕引起的局部減薄。但汽水管道環焊縫外表面多存在焊冠，如采用脈沖反射法超聲測厚則需將焊冠磨平，工作量大，成本高。筆者在前期工作中曾開展超聲衍射時差法檢測汽水管道環焊縫根部及其鄰近母材局部壁厚減薄的研究和試驗。該方法主要具有以下特點：

1 一發一收探頭分別布置在焊縫兩側，焊縫余高對測量可達性影響顯著降低。

2 一次掃查可完成整圈的測量，效率高。但要求兩個探頭保持穩定間距，這對掃查架的穩定性、掃查過程中聲耦合、焊縫兩側進行除油漆及表面打磨等準備工作都提出了較高要求。

3 測量結果自動存儲，便于后續分析處理以及多次檢測時對減薄區域的跟蹤。

綜上可知，受焊冠影響而無法實施超聲脈沖反射法測厚的核電廠二回路汽水管道環焊縫根部局部減薄，超聲衍射時差法是一種可行的檢測方法，但在環焊縫兩側結構不對稱（如閥門與管道環縫或變徑與直管環縫）等情況下的工藝優化、應用驗證等工作需進一步推進。

4 其他新檢測技術的應用

管道壁厚或局部減薄的X射線檢測早有報道和應用，特別是對于直徑100mm以下小徑管的檢測，其技術較成熟，但受限于輻射防護要求，作業多選擇在晚上進行。隨著冷陰極小型高能量X射線檢測裝置和數字X射線成像技術的應用，輻射防護要求高、作業時間窗口靈活性差等問題都得到了一定程度的解決，國內核電廠已經有適當控制作業區域、白天作業的成功實踐。相信其在小徑管管道局部減薄或焊縫檢測中將得到推廣應用。

電磁超聲檢測管道壁厚的技術特別適合高溫條件，但也需要拆除保溫層進行檢測。其特點主要如下：

01 利用洛倫茲力或磁致伸縮力產生超聲波進行測量，無需超聲耦合劑，可在高溫條件下測量；

02 對表面條件要求低，可在有致密氧化皮的條件下測量；

03 能量轉換效率低，探頭尺寸較大，不利于小直徑管道或大區率彎頭局部減薄的檢測。

超聲導波可在管道內激發沿管道傳播的導波而檢測局部腐蝕，但檢測靈敏度低，主要適用于粗篩查。此外，超聲導波更適用于貫穿于混凝土墻體的管道局部減薄的檢測，因為此時可能存在難以在管道外壁區域放置超聲探頭的情況。應注意的是，需通過設計優化，盡可能保證敏感區域或焊縫不在穿墻壁段。

結論和展望

輕水堆核電廠汽水管道局部減薄管理工作影響著核電廠的安全經濟運行，需要加以重視并系統、持續、主動開展相關工作，其中，特別應注意以下幾個方面：

（1）

管理體系的提升和基礎研究的結合，既應關注FAC、LDI、汽蝕等造成汽水管道局部減薄，也應運用風險指引的方法進行管理優化，還應結合老化機理特別是主要因素影響等的基礎研究開展工作。

（2）

檢測、監測技術的進步和新技術的應用及其有效性評價，如聚焦脈沖渦流、冷陰極X射線數字成像、電磁超聲測厚等新技術的應用以及超聲測點分布的有效性評價和規范化等。

（3）

重視并加強相關經驗反饋、信息共享和標準化工作，是提高相關管理水平的快速、可行且經濟的手段。

汽水管道局部減薄管理是一個系統性工作，設計階段的選材、結構優化、經驗反饋的有效應對等將為服役階段的管理奠定基礎，應加以重視。目前，我國在核電廠汽水管道局部減薄管理工作上已經取得一定效果，特別是在大口徑高能汽水管道FAC管理上，但也應正視存在的問題和挑戰，明確應對措施、落實管理方案，促進核電廠二回路汽水管道局部減薄管理水平的提升。

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