核电厂管道支管接头泄漏维护分析*

邵长磊，张 锴，孟凡江，张 旭，张俊宝

(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

0 引 言

核电是大型复杂系统性工程[1]，其中设置有大量工艺系统和管道[2]，为满足流体的安全运行和控制要求，设计有大量管道加支管的结构形式，母管和支管通常采用焊接的方式固定连接。在核电厂运行过程中，常见此类型焊接接头泄露的现象发生[3-5]，形成原因和解决措施也不尽相同。笔者针对某核电厂重要管道的支管接头泄露问题，开展包括声致振动高周疲劳、疲劳裂纹扩展、以及应力腐蚀在内的全面分析研究，为系统性解决此类问题提供一种新的思路和借鉴。

1 泄露问题概述

母管和支管接头的结构形式如图1所示，其中母管材料为106B低碳钢，管座材料为SA105N，适配器材料为304 L不锈钢，两者之间有异种金属对接焊缝。管线内为流动的反应堆冷却剂介质，泄露发生于异种金属对接焊缝位置，在一系列类似形式接头中，过去十年运行期间共发生2个此类泄露的问题。

图1 接头示意图

初步分析认为，导致泄露的缺陷以应力腐蚀为主。考虑到此处工作环境特殊性，以及超声相控阵方法只能检测到深度0.40 mm以上的裂纹等客观情况。需要进一步从设计分析、微裂纹的发展规律等角度进一步开展论证，确认同类接头在下一个检修周期内是否存在开裂泄漏风险，为全面的优化改造提供支撑。

2 声致振动高周疲劳分析

当管线中存在高速流动时，支管口形成旋涡脱落，如果旋涡脱落频率与短管空腔声固有频率接近，则旋涡脱落频率会锁定在共振频率上，引起声共振，产生以此频率为主的大幅脉动压力，引起高周振动和疲劳损伤[6]。

支管及其接头处的计算模型和网格如图2所示。

图2 计算模型和网格

母管内的压力为9.78 MPa，温度为266 ℃，流量1 920 kg/s。支管长50 m，管外空气温度为200 ℃。计算结果如图3所示。

图3 计算结果

在支管内取4个不同监测位置，记录压力的变化，监测点位置如图4所示。

图4 监测点位置

监测点1的压力变化幅度约为300 Pa，监测点2的压力变化幅度约为800 Pa，监测点3的压力变化幅度约为600 Pa，监测点4的压力变化幅度约为6 500 Pa。图5为监测点4的压力时程，可见存在较为稳定的压力脉动频率。

图5 监测点4的压力时程

建立支管接头及相应管线的有限元模型。由于母和支管的直径相差大，支管的振动不会影响母管。因此分析中不建立主管道的模型，仅在母管和支管接头位置设置固支约束。有限元模型的有效密度包括支管金属材料密度，流体单位长度质量的折算密度。分析模型如图6所示。

图6 支管接头分析模型

根据图7所示声共振载荷的压力时程，开展支管接头压力脉动的时程瞬态分析。

图7 支管接头声共振载荷的压力时程

沿支管和适配器的过渡变径段和支管管线弯管段对压力脉动进行积分，水平(x)方向和竖直(y)方向的净力由下式积分得到：

(1)

(2)

分析得到支管接头的弯曲应力时程如图8所示。声共振载荷导致的主管道支管接头的最大瞬态应力为9.97 MPa。

图8 支管接头弯曲应力时程

由于声共振的应力循环次数无限，按照ASME BPVC(American Society of Mechanical Engineers Boiler and Pressure Vessel Code)第III卷NB-3222.4(d)(6)的规定，载荷导致的应力必须小于材料的无限疲劳寿命限值。对应限值为86 MPa。

综合以上数值，高周疲劳的评定结果详见表1。由分析结果可知，声共振载荷下主管道支管接头高周疲劳满足ASME BPVC规范的相关要求，声共振载荷不会直接引起支管焊缝结构失效。

表1 应力评定表

3 疲劳裂纹扩展分析

考类此类型支管曾失效的裂纹分别为内壁轴向表面裂纹和环向内壁表面裂纹，故依据ASME BPVC第XI卷进行裂纹缺陷分析评估，对其余支管分别进行如图9和图10所示的轴向和环向假想表面裂纹缺陷进行分析，假设两种裂纹的尺寸在壁厚方向上均为0.4 mm。

图9 假想环向裂纹形态 图10 假想轴向裂纹形态

支管接头仅承受内压和温度载荷，且出现较大温度压力波动的次数总共为29次，保守考虑共出现58次该范围的循环交变的内压及温度载荷，应力强度因子幅值为40 MPa·m1/2。由于无法检测其他可能出现的波动载荷，其应力强度因子采用门槛值ΔKth进行计算，以50 000次。

由于ASME BPVC XI卷中对于奥氏体不锈钢材料的疲劳裂纹扩展速率仅给出了空气环境的疲劳裂纹扩展速率曲线，如图11所示。研究表明，水环境中疲劳裂纹扩展出现门槛值降低、速率增快的情况[7]，门槛值ΔKth保守采用3 MPa·m1/2，扩展速率保守处理，乘以1.5作为安全系数。

图11 奥氏体不锈钢空气环境疲劳裂纹扩展速率

根据ASME SEC XI D1 NMA APP C8420奥氏体钢部分，得到该材料高温环境下基准da/dN-ΔKI方程如下：

da/dN=8.218×10-9ΔK3.3

(3)

依据ASME XI C7400，计算相关轴向裂纹应力强度因子，得到门槛裂纹深度值为0.411 mm，疲劳裂纹扩展量为1.17 mm。

轴向裂纹出现扩展的门槛裂纹深度为0.411 mm，超过了当前探测系统的探测精度值。假设存在0.4 mm及以下深度的轴向裂纹缺陷，在下一个检查间隔内可能出现的疲劳裂纹扩展量为1.17 mm，低于支管壁厚值，不会最终贯穿壁厚而导致泄漏，但是多个检查周期的累加可能会导致泄漏发生。

4 应力腐蚀开裂分析

应力腐蚀分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段，如图12所示，裂纹萌生周期主要取决于环境条件、材料微观组织和应力大小，很难通过量化的手段进行分析和评估[8]。而在获得特定环境大量试验和运行数据的基础上，是可以开展裂纹扩展定量评定的。针对支管接头应力腐蚀开裂的分析建立在已经萌生裂纹的基础上。

图12 应力腐蚀趋势图

4.1 裂纹扩展

假设应力腐蚀裂纹已经萌生，但是通过超声相共振的方法未检测出裂纹，保守认为裂纹的长度为其检测限0.4 m。且保守采用压水堆核电厂一回路条件下不锈钢材料的应力腐蚀开裂速率。

焊接热影响区是薄弱部位，是发生应力腐蚀开裂的敏感区域。假设裂纹在304 L侧焊接热影响区萌生并发生了一定程度的扩展。一般认为焊接热影响区有冷加工，因此应力腐蚀开裂分析评价采用冷加工304 L不锈钢的裂纹扩展速率进行计算。

4.2 应力腐蚀开裂裂纹生长速率

在压水堆一回路中，冷加工304 L不锈钢应力腐蚀开裂裂纹生长速率在不同工况条件下存在一定差异，需要综合考虑两种工况下的情况。

针对正常水化学条件，在315～340 ℃，含氢水化学条件下，冷加工304 L的裂纹扩展速率范围为1.3～5.7×10-8mm/s。针对异常水化学条件，在含氧水化学条件下，冷加工304 L的裂纹扩展速率为8.7×10-7mm/s，若含有少量的氯离子，则裂纹扩展速率比该值高出约一个数量级。

4.3 24个月裂纹扩展长度

在正常工况条件下，取裂纹扩展速率为1.3×10-8mm/s，则24个月裂纹扩展长度为0.82 mm。则裂纹总长度为0.82 mm+0.40 mm=1.22 mm。取裂纹扩展速率为5.7×10-8mm/s，则24个月裂纹扩展长度为3.60 mm，则裂纹总长度为3.60 mm+0.40 mm=4.00 mm。所以裂纹长度范围为1.22～4.00 mm，存在裂纹贯穿支管管壁的风险。

在异常工况条件下，取裂纹扩展速率为8.7×10-7mm/s，则24个月裂纹扩展长度为54.87 mm，则裂纹总长度为55.27 mm，裂纹将会贯穿支管管壁。

4.4 裂纹穿透管壁时间

在正常工况条件下，取裂纹扩展速率为1.3×10-8mm/s，则裂纹穿透支管管壁的时间为(3.91-0.40)/(1.3×10-8)=104.12(月)。取裂纹扩展速率为5.7×10-8mm/s，对应的裂纹穿透支管管壁的时间为23.76月。所以，应力腐蚀裂纹穿透支管管壁的时间范围为23.76～104.12月。在异常工况条件下，取裂纹扩展速率为8.7×10-7mm/s，则裂纹穿透管壁的时间为1.56月。

在正常和异常情况下，均存在下一个检修周期内裂纹贯穿壁厚的风险。

5 总 结

初步失效分析认为，此管道支管接头开裂泄漏的主要失效机理为声致振动高周疲劳、疲劳裂纹扩展、以及应力腐蚀开裂。

声致振动高周疲劳分析表明，声载荷导致的应力小于高周疲劳寿命限值。疲劳裂纹扩展分析表明，轴向裂纹出现扩展的门槛裂纹深度超过当前探测系统的探测精度。在下一个检查间隔内可能出现的疲劳裂纹扩展量低于支管壁厚，不会贯穿壁厚而导致泄漏。应力腐蚀分析表明，正常和异常水化学条件下应力腐蚀裂纹穿透支管管壁的时间范围为23.76～104.12月和1.56月，存在下一个检查间隔内贯穿壁厚导致泄漏的风险。

根据上述结论，电厂进行了有针对性的预防性维修和更换，有效避免了在下一个检查间隔时间内再次发生泄漏的风险。所述方法可以为分析类似形式支管泄露问题提供有益参考。