核电厂二回路汽水管道局部减薄管理的挑战和应对

(国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233)

轻水堆核电厂二回路汽水管道主要包括主蒸汽管线、主给水管线、凝结水管线、疏水管线、抽汽管线、再热蒸汽管线等。上述管线多采用碳钢(如A106B钢)或低合金钢(如A335和P11低合金钢)制造，管道内径通常为25.4～800 mm，壁厚通常为3.4～80 mm。管线中存在弯头、变径、三通、节流孔板、阀门等结构形状变化显著且易发生湍流的部位。管线材质、结构形状、服役环境等因素的影响以及流动加速腐蚀(FAC)、液滴冲击(LDI)、汽蚀(Cavitati on erosion)等老化机理的长期作用易导致管线在上述敏感部位发生局部减薄[1]。其中，FAC引起的局部减薄是汽水管道失效的主要原因。例如，碳钢汽水管道湍流显著部位(如弯头、弯后直管、管道异种金属焊缝碳钢侧等)，易发生FAC。此外，汽水管道内结构突变区域(如主蒸汽、抽汽、疏水管线上的三通、节流孔板后、弯头、节流阀后等区域)，易发生LDI。在单相介质管道内，由于结构突变导致流速突升的区域(如控制阀或流量调节阀处)易发生汽蚀现象。

业界对汽水管道的FAC已开展了较多研究、试验、管理等工作，在设计、选材、检测、评估及老化管理上都取得了很大进步和良好成效。例如，美国电力研究院(EPRI)等机构自上世纪80年代开展相关研究工作，发布并定期更新“有效流动加速腐蚀大纲的建议(NSAC-202L)”技术导则以及CHECWORKSTM软件。法国电力公司(EDF)开发的BRT-CICEROTM软件同样依据基于模型试验和经验反馈的计算模型对高能汽水管道FAC进行敏感部位筛选、减薄速率计算、剩余寿命预测与评估、检测计划编制和调整等工作。改造时，使用铬含量相对较高的碳钢或低合金钢管道替换原碳钢管道，这使管道的抗FAC能力显著提高。

LDI、汽蚀或其与FAC共同作用引起的汽水管道局部减薄，也应引起重视，故本工作对此进行了系统性、针对性总结，包括新经验反馈的应对、检测有效性的改进和标准化等工作，以使轻水堆核电厂二回路汽水管道局部减薄管理工作更有效、更系统、更经济。

1 主要机理

核电厂二回路汽水管道局部减薄的老化机理主要包括FAC、LDI和汽蚀，其发生的部位、特点、影响因素等主要如下。

1.1 流动加速腐蚀

FAC，早期也称为冲刷腐蚀(Erosion corrosion)，是由于单相液流或汽/液双相流在局部湍流部位加速了碳钢或低合金钢表面的保护性氧化膜溶解，造成碳钢或低合金钢局部腐蚀速率增大的现象[2]。核电厂二回路汽水管道由于蒸汽品质、水化学条件、材料、流速及结构特点等原因，易发生FAC并且通常具有以下特点。

(1) 位置特征 FAC多发生在汽水管道结构突变或易发生湍流部位，如弯头、三通、大小头、节流孔板后直管段及环焊缝邻近区域等。例如，1986年12月9日美国萨里核电站2号机组满功率运行时，其给水泵入口管线的一个A234碳钢制弯头因FAC减薄导致破裂,附近正在进行其他管线保温更换工作的8人受蒸汽灼伤，4死4伤[3]。2004年8月9日,日本关西电力公司美滨3号机组给水回路中低压加热器与除氧器之间给水管道上一个孔板流量计下游的管段发生FAC减薄并破裂,造成11人伤亡,其中5人死亡、6人受伤[1]。此外，汽水管道环焊缝根部及其附近区域，由于湍流和Cr元素含量差异，也会发生FAC引起的局部减薄现象[4-5]。

(2) 形貌特征 通常FAC有独特的形貌特征。肉眼难于鉴别，但适当放大后，在单相液流中，多为马蹄坑、扇贝状或橘子皮状，汽液双相流中多表现为明暗相间的条带或斑纹状[3-4]。腐蚀区域及附近通常有氧化膜且高倍下无显著机械形变。

(3) 机理特征 FAC是电化学腐蚀与流动加速溶质传质起主要作用，有时可能会叠加机械力作用的一种过程。

(4) 合金元素的影响 通常,随着Cr、Mo、Cu含量的增加，特别是Cr含量的增加，碳钢、低合金钢的FAC速率会显著降低。

碳钢、低合金钢FAC速率也受流速、结构形状、温度、pH、水化学条件等因素影响[6],本工作不再详述。其主要应对措施是提高管道材料Cr含量、控制pH、对敏感区域定期或持续进行厚度测量。

需要注意，核电厂二回路汽水管道中，受介质品质和流速影响，存在冲蚀(包括LDI和汽蚀)和FAC共同作用导致的局部减薄。此时，可粗略根据主导作用是机械力还是化学腐蚀+局部传质来区分主导减薄机理。

1.2 液滴冲击

液滴冲击，也称“液滴冲击冲蚀”或“液滴冲击腐蚀”。汽水管道易发生LDI的区域，主要是被汽流中所携带的液滴间歇反复冲击的区域(如弯头的背弯区域和节流孔板后的特定区域)，这些区域会在局部产生强大的脉冲力并引起冲蚀，如图1所示。汽水管道内壁由于连续暴露在这种反复而离散的冲击作用下，会使内壁氧化膜或母材被逐渐侵蚀而发生减薄。核电厂二回路汽水管道液滴冲击通常具有如下特点。

(a) 流动加速腐蚀(FAC) (b) 液滴冲击腐蚀(LDI)图1 FAC和LDI形成的局部减薄Fig. 1 Localized thinning caused by FAC (a) or LDI (b)

(1) 位置特征 易发生在汽相为主的汽液两相流汽水管线中,通常发生在介质流动方向有显著变化的区域，如图1中，水平向前的汽流中所携带的液滴直接冲击弯头的背弯区域。

(2) 形貌特征 通常LDI影响区域比FAC影响区域小，且多为一个局部的蚀坑，其形状也受多种条件影响。宏观可见蚀坑表面存有流线切割特点的冲蚀痕迹。高倍下可见显著的机械形变。图2中为某核电厂碳钢集汽管受与之相连的排放管中两相流的液滴冲击作用，形成一个环形的局部减薄区域并导致高温蒸汽泄漏[6]，图中亮色区域为管道母材。液滴冲击区域存在松散四氧化三铁锈层，这与液滴碰撞后产生的高速液滴对氧化膜的冲蚀作用有关。笔者在2000年抽检国内某核电厂汽轮机乏汽管道时，发现其弯头内壁局部区域一个“鹅蛋”大小的局部减薄，壁厚从11.7 mm减薄至4.5 mm,而周围的大面积母材无任何其他局部减薄。1976年，Oconee 核电厂3号机组汽轮机乏汽管线的局部减薄泄漏疑似也是由LDI作用导致的。

图2 LDI引起的管道局部减薄Fig. 2 Localized thinning of pipeline caused by LDI

(3) 机理特征 汽水两相流中的高速液滴对金属表面间歇但反复碰撞以及碰撞后的冲击、剪切等机械力主导的局部减薄，也可能伴随氧化膜的破裂。

(4) 可忽略合金元素影响 碳钢、低合金钢、不锈钢的汽水管道都有可能发生LDI。

核电厂汽水管道LDI主要受蒸汽品质、流速、流道形状变化情况影响。因此，其主要应对措施是控制蒸汽品质、抑制流速、特定部位增加抗液滴冲击结构、定期进行厚度测量等。

1.3 汽蚀

汽蚀，又称空蚀、穴蚀。汽水管道中的汽蚀主要是指高温高压水在高速流动和压力变化条件下，即高速减压区，形成气泡或空穴，而后其随高温高压水流动到压力超过气泡压力的区域时，气泡溃灭并冲击与之接触的金属表面或其保护膜的过程。核电厂二回路汽水管道汽蚀通常具有如下特点。

(1) 位置特征 易发生在液相管道结构尺寸突变区域(如阀门及其下游或节流孔板下游)。此外，高速流动液相管道中气泡较多时，流经环焊缝之后易形成固定气穴的区域(特别是内部焊瘤较高时)或流经弯头处在局部管壁发生大量气泡溃灭的区域。

(2) 形貌特征 不同的汽蚀阶段，宏观损伤形貌会有一定差别，但高倍下都会发现显著的机械变形。通常，汽蚀初期，金属表面首先会形成许多细小麻点并变粗糙，继而表面呈现沟槽状、蜂窝状、鱼鳞状、海绵状等痕迹；严重时形成坑穴并可造成穿孔或破裂。

(3) 机理特征 气泡或空穴形成、溃灭并冲击管道局部内壁的氧化膜或金属的非稳定损伤过程。

碳钢、低合金钢、不锈钢的汽水管道都有可能发生汽蚀。核电厂二回路汽水管道汽蚀主要受液体特性、温度、压力、流速、流道形状变化情况等影响。其主要应对措施是控制气泡或空穴的数量，如增加排气、喷淋等，减少阀门、节流孔板，控制焊缝成型质量，优化弯头结构以便减缓液体压力变化。所以，在设计阶段超前主动优化结构防止气穴产生，并在服役时保持适当的运行条件，是防止汽蚀最有效的方式。

2 管理现状

美国、日本等国在核电厂汽水管道FAC管理上，依托相关研究、应用实践和经验反馈，在管理工具、检测和评价、实践和标准化等方面都得到了很大的发展和完善。

例如，美国EPRI开发的CHECWORKS 软件辅助用户进行管线筛选、测点筛选、腐蚀速率预测和修正、检测数据管理和检测计划编制等工作。其发布的技术报告NSAC-202L指导用户如何建立FAC管理大纲和实施管理活动，并指出“管理职责、分析筛选、行业经验反馈、检测、工程判断、长期策略”是开展有效、长期、完整FAC管理的六大关键要素，缺一不可并且不能相互替代。该报告的不断升版完善了有关筛选、检测、监测、预测和评价的技术和方法，更指出应加强水质管理或通过更换材料等设计变更来控制和缓解FAC劣化。

日本在美滨3号机组给水管道FAC导致减薄破裂事件发生后，系统进行了相应的改进和提高。例如，2006年日本发布了JSME S NG1-2006《PWR管道壁厚减薄管理技术要求》。该标准与EPRI导则在技术上主要有以下不同。

(1) 只适用于PWR，但考虑 FAC和LDI两种减薄机理；

(2) 不强制要求使用带有减薄速率预测功能的软件进行筛选和预测，但给出了根据壁厚测量数据进行减薄速率计算和寿命预测的方法；

(3) 基于统计数据和经验反馈，详细给出管线、部位筛选原则、定期检测范围和测点分布及间距，可操作性强。

在标准化方面，ASME XI卷技术委员会为满足各电厂的实践需求，在1993年颁布了Code Case N-597-2《管壁减薄分析评价要求》和ASME B31.3 非强制性附录IV《动力管道系统的腐蚀控制》，分别为核安全级和非核安全级管道的局部壁厚减薄提供了结构完整性评价准则。

我国核电厂从秦山一期开始就重视汽水管道FAC管理。在多次大修中对FAC敏感管道进行壁厚测量并根据测量结果更换了大部分的敏感管道。其他核电厂也根据厂内外经验反馈，建立了二回路汽水管道FAC管理大纲，或采用带有预测功能的软件进行筛选、评价并结合经验反馈推进相关工作，或基于统计数据和经验反馈制订详细检测计划并不断优化[1]。此外，2014年，我国发布行业标准NB/T 25033-2014《压水堆核电厂常规岛流体加速腐蚀敏感管线筛选导则》，指导敏感管线、部位的筛选、检查、计划调整工作。

整体而言，对较大口径高能汽水管线的FAC管理，国内外都比较成熟且有效。但就核电厂二回路汽水管道壁厚减薄管理而言，仍需面对如下挑战。

(1) 汽水管道局部减薄机理研究：除重点关注FAC外，还应关注LDI和汽蚀。在LDI的作用机理、影响因素和检测方法上，日本开展了较多工作并在其行业标准中给出了针对性强的要求，我国应加强相关研究、应对措施优化和标准化工作。关于汽蚀，除了在设计阶段进行结构优化以尽可能防止其发生外还应在定期检修时加强敏感部位的状态核查，如壁厚监检测或阀门解体检修时其上下游管道内部腐蚀情况的目视检查等。此外，还应关注并持续提升汽水管道FAC、LDI机理和影响因素的认知水平，这将影响检测/监测部位的选择、检测方法的优化、网格点法超声壁厚抽测的有效性和经济性等。

(2) 管理体系的提升：应从FAC管理实践提升到汽水管道局部减薄管理大纲指导下的实践，且应积极推进风险指引的汽水管道局部减薄管理理念、方法，以便优化监测检测部位、周期和方法，进一步提升壁厚减薄管理的有效性和经济性。

(3) 小径管壁厚管理：诸如EPRI等机构已开始关注直径50 mm以下的小径管壁厚减薄管理，如一些具有疏水或测量功能的小径管。应开展小径管局部壁厚减薄失效风险分析以便优化部位筛选和检测资源的投入。

(4) 长周期运行、变更改造、材料替代等带来的新挑战。长周期运行阶段应重点关注汽水管道局部减薄管理的系统性、全面性和覆盖性问题，既要全面评价当前管理绩效和状态，也要面对新经验反馈、长期服役带来的新挑战。应关注并评估变更改造、功率提升等对流速、流量、结构等带来的变化及上述变化对管道局部减薄的影响。材料替代可能会新增异种金属环焊缝，应关注其是否易于发生局部减薄，是否有针对性的检测技术，同时也要考虑材料替代后其他老化机理和老化效应的影响。

(5) 标准化、信息化方面应进一步加强核电厂二回路汽水管道局部减薄管理标准化工作，重点优化长期策略、管理范围界定和敏感部位筛选排序、监检测计划和实施、评价预测和计划优化等内容。此外，还应加强业内相关信息采集、整理、共享等的规范化，提升信息交流、共享和利用的水平。

(6) 检测、监测方面应优化传统超声测厚检测工艺，积极推进检测新技术、新工艺的应用，重点开展监测、检测技术验证和改进提高工作。主要包括：网格点法超声壁厚检测的有效性，不拆卸保温条件下脉冲涡流测量管道壁厚，管道环焊缝根部壁厚的超声衍射时差法(TOFD)测量，冷阴极数字X射线管道壁厚测量，电磁超声高温检测技术等。

3 检测方法

3.1 网格点法超声测厚的有效性

采用网格点法超声测量壁厚时，在检测效率和局部减薄检出率之间应有良好的平衡。结合国外相关标准、项目组推荐方法、部分汽水管道局部减薄实测数据(含FAC/LDI减薄)，对网格点法的有效性进行初步分析。可粗略用局部减薄面积除以测厚网格面积的百分数值表征局部减薄的检出率，其与百分百的差值可定义为漏检率。表1给出了不同方法推荐的测厚网格点间距。表2给出了10个样本数据(32个真实样本数据中具有代表性的部分数据)按上述原则计算得出的理论漏检率。分析上述数据和计算结果可知，采用项目组推荐的网格，漏检率相对较小，但测点最多；JSME规范的网格漏检率相对较大，而EPRI导则中的居中。实际工作中，应考虑以下因素优化网格点间距和布置。

表1 不同标准推荐的测厚网格点间距(D,管径)Tab. 1 Thickness measuring grid interval recommeneded by different standards (D, pipe diameted)

表2 局部减薄的漏检率(理论分析法)Tab. 2 Missing rate of partial thinning (theoretical analysis method)

(1) 局部减薄机理的特点,即应结合敏感部位发生特定减薄机理的可能性和对应的形貌特征、局部减薄区域尺寸大小优化测点。例如弯头或三通结构LDI敏感部位处应补充针对性测点，如流体改变方向前正对的弯头或三通特定部位及发生冲击后流体变向可能影响的部位。

(2) 应重点关注敏感结构，如弯头或三通，其上下游环焊缝附近区域。

(3) 介质是单相流或双相流，管内流速，是否存在流道结构变化、压力急剧变化、介质相变等的影响，也是优化网格点间距和布置的重要参考。

3.2 脉冲涡流检测管道局部减薄

同传统超声测厚或超声扫查测厚成像相比，脉冲涡流测量管道壁厚是近30 a兴起的新方法。其技术特点主要如下：

(1) 可不拆卸保温层进行管道扫查测厚成像且不区分内外壁减薄，适合快速检测和初步筛查，包括高温条件下的非接触扫查测厚。

(2) 相比传统涡流检测，对提离作用不敏感，又不需要超声检测常用的耦合剂，也可用于保温层拆卸后的局部减薄快速扫查成像，检测效率高。

(3) 随着聚焦脉冲涡流检测和分析技术的研究应用，可以检测原先检测困难的较小管径汽水管道(如φ50 mm)的局部减薄。

(4) 主要适用于碳钢、低合金钢汽水管道。随着技术发展，国内已开发出检测非铁磁性管道局部减薄的脉冲涡流仪器。

(5) 主要适用于较大面积减薄的检测，因为脉冲涡流测量的是涡流分布区域的平均壁厚,且随深度增加作用区域显著扩散,故信号强度呈指数衰减。一般FAC引起的局部减薄较宜采用脉冲涡流检测。但应注意，大壁厚下的单点稳定测量需要更长时间且此时内部局部减薄检出率更低，测量值可能更不保守；对于直径较小(如φ20 mm及以下)的单点局部减薄漏检率可能较大，但汽水管道中除了偶发的点蚀外，很少有此类局部减薄。

(6) 同超声测厚相比，其在检测较大面积麻点、密集分布腐蚀点坑等局部减薄时，具有一定优势。

综上可知，在不拆卸保温层条件下，聚焦脉冲涡流技术是检测汽水管道局部减薄便捷的手段。如将其与传统超声测厚结合使用，应是提高整体工作效率的一种可行方法，也需要我们在标准化和能力验证方面进一步开展工作以推动其应用。

3.3 管道环焊缝根部壁厚的超声衍射时差法测量

国内外经验反馈表明，汽水管道环焊缝处可能存在FAC或汽蚀引起的局部减薄。但汽水管道环焊缝外表面多存在焊冠，如采用脉冲反射法超声测厚则需将焊冠磨平，工作量大，成本高。笔者在前期工作中曾开展超声衍射时差法检测汽水管道环焊缝根部及其邻近母材局部壁厚减薄的研究和试验。该方法主要具有以下特点[6]：

(1) 一发一收探头分别布置在焊缝两侧，焊缝余高对测量可达性影响显著降低。

(2) 一次扫查可完成整圈的测量，效率高。但要求两个探头保持稳定间距，这对扫查架的稳定性、扫查过程中声耦合、焊缝两侧进行除油漆及表面打磨等准备工作都提出了较高要求。

(3) 测量结果自动存储，便于后续分析处理以及多次检测时对减薄区域的跟踪。

综上可知，受焊冠影响而无法实施超声脉冲反射法测厚的核电厂二回路汽水管道环焊缝根部局部减薄，超声衍射时差法是一种可行的检测方法，但在环焊缝两侧结构不对称(如阀门与管道环缝或变径与直管环缝)等情况下的工艺优化、应用验证等工作需进一步推进。

3.4 其他新检测技术的应用

管道壁厚或局部减薄的X射线检测早有报道和应用，特别是对于直径100 mm以下小径管的检测，其技术较成熟，但受限于辐射防护要求,作业多选择在晚上进行。随着冷阴极小型高能量X射线检测装置和数字X射线成像技术的应用，辐射防护要求高、作业时间窗口灵活性差等问题都得到了一定程度的解决,国内核电厂已经有适当控制作业区域、白天作业的成功实践。相信其在小径管管道局部减薄或焊缝检测中将得到推广应用。

电磁超声检测管道壁厚的技术特别适合高温条件，但也需要拆除保温层进行检测。其特点主要如下：

(1) 利用洛伦兹力或磁致伸缩力产生超声波进行测量，无需超声耦合剂，可在高温条件下测量；

(2) 对表面条件要求低，可在有致密氧化皮的条件下测量；

(3) 能量转换效率低，探头尺寸较大，不利于小直径管道或大区率弯头局部减薄的检测。

超声导波可在管道内激发沿管道传播的导波而检测局部腐蚀，但检测灵敏度低，主要适用于粗筛查。此外，超声导波更适用于贯穿于混凝土墙体的管道局部减薄的检测，因为此时可能存在难以在管道外壁区域放置超声探头的情况。应注意的是，需通过设计优化，尽可能保证敏感区域或焊缝不在穿墙壁段。

4 结论和展望

轻水堆核电厂汽水管道局部减薄管理工作影响着核电厂的安全经济运行，需要加以重视并系统、持续、主动开展相关工作，其中，特别应注意以下几个方面：

(1) 管理体系的提升和基础研究的结合,既应关注FAC、LDI、汽蚀等造成汽水管道局部减薄，也应运用风险指引的方法进行管理优化，还应结合上述老化机理特别是主要因素影响等的基础研究开展工作。

(2) 检测、监测技术的进步和新技术的应用及其有效性评价,如聚焦脉冲涡流、冷阴极X射线数字成像、电磁超声测厚等新技术的应用以及超声测点分布的有效性评价和规范化等。

(3) 重视并加强相关经验反馈、信息共享和标准化工作，是提高相关管理水平的快速、可行且经济的手段。

汽水管道局部减薄管理是一个系统性工作，设计阶段的选材、结构优化、经验反馈的有效应对等将为服役阶段的管理奠定基础，应加以重视。目前，我国在核电厂汽水管道局部减薄管理工作上已经取得一定效果，特别是在大口径高能汽水管道FAC管理上，但也应正视存在的问题和挑战，明确应对措施、落实管理方案，促进核电厂二回路汽水管道局部减薄管理水平的提升。