核電站小支管焊接接頭的老化監(jiān)測和檢測技術

鐘志民，李 杰，李 鍇，鄭 會

(國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233)

壓水堆核電廠中的小支管通常指的是與大口徑管道或主要管道相連接的口徑小于一定尺寸的支管。主要包括以下管道：運行期間不可隔離的公稱直徑不大于50.8 mm的儀表管、取樣管；核級輔助管道系統(tǒng)或汽水回路系統(tǒng)的疏水、排氣和旁路等高溫高壓小支管；負壓真空抽氣系統(tǒng)支管和油回路系統(tǒng)支管等。上述小支管在核電廠中分布廣泛且數(shù)量龐大，例如，某900 MW核電機組核安全相關系統(tǒng)中約有400根小支管。小支管與主管相連接，多用于執(zhí)行測量、旁路、疏水和排氣等功能。核島小支管一旦破裂，可能導致放射性介質泄漏或控制系統(tǒng)的系列響應和動作；常規(guī)島小支管的失效雖不會直接導致放射性物質外泄，但其失效也可能導致機組降功率、功率大幅度波動、非計劃停機和停堆、帶壓堵漏等，對機組的安全性和經(jīng)濟性也造成一定影響[1]。

國內外核電廠相關運行經(jīng)驗表明，由于受到機械疲勞、熱疲勞、流動加速腐蝕、應力腐蝕開裂、外壁振動接觸磨損等老化機理的長期作用，小支管及其焊接接頭會發(fā)生疲勞斷裂、局部減薄、局部開裂、破裂等老化效應，其失效可能導致介質泄漏、儀表示數(shù)不正確，嚴重者甚至可能導致停堆、停機或降功率運行。其中，核電行業(yè)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，公稱直徑小于50.8 mm的小支管失效占所有失效管道的46.6%，失效形式中泄漏占75.6%[2]。美國電力研究院(EPRI)的統(tǒng)計結果表明，小支管插套焊縫疲勞斷裂是主要的失效形式，其主要失效原因是振動疲勞。因此，有必要加強小支管的老化管理和監(jiān)測檢測技術的研發(fā)和應用，特別在機組長期服役后，老化敏感且失效后果嚴重小支管的老化管理和監(jiān)測檢測工作變得越加迫切和重要。

1 小支管焊接接頭的監(jiān)測檢測介紹

通常，小支管與主管可采用的支管連接結構主要有：支管臺(螺紋連接支管臺、插套焊支管臺、對接焊支管臺)、半管接頭、焊接支管、三通或四通等。筆者重點分析討論了核電廠較常見的采用支管臺連接結構的小支管及其焊接接頭，其結構示意如圖1所示。支管臺、小支管材料有碳鋼/低合金鋼，也有碳鋼/不銹鋼、不銹鋼/不銹鋼等的組合，外徑約12.7～50.8 mm的小支管占比較大。

圖1 支管臺連接結構示意

一般而言，采用插套焊結構或對接焊結構的支管接頭受制造和服役等因素的影響，產(chǎn)生的典型缺陷主要為：① 小支管插套焊焊接接頭制造過程中易存在未熔合、未焊透等焊接缺陷，并且在焊接缺陷附近存在顯著的應力集中;② 在長期服役過程中，低周疲勞作用易導致從內向外擴展的焊根裂紋或從外向內擴展的焊趾裂紋(見圖2);③ 與一回路冷卻劑接觸的核島內不銹鋼或異種金屬小支管焊接接頭也存在應力腐蝕開裂的現(xiàn)象，且多從內向外發(fā)展并多起源于應力集中部位，特別是小支管焊接接頭內表面的焊根和熱影響區(qū)等部位;④ 對接接頭在一定條件下也存在流動加速腐蝕現(xiàn)象，會導致焊接接頭或鄰近母材局部減薄并最終失效;⑤ 某些小支管焊接接頭和管線特定部位由于易積液、易受伴熱管線的影響,并在周期性的冷凝作用、外保溫破損等的長期作用下，可能發(fā)生保溫層下腐蝕;⑥ 由于管線布置的原因，部分小支管鄰近振動管道、設備或其他小支管，可能發(fā)生接觸摩擦，長期作用會導致外壁局部磨損。

圖2 插套焊焊接接頭常見開裂位置示意

核電廠小支管焊接接頭結構完整性的監(jiān)測檢測主要包括無損檢測、振動測量和應變測量等。其中，制造缺陷和役致缺陷的無損檢測一般應根據(jù)小支管焊接接頭的安全等級、結構形式、規(guī)格尺寸和材料等選擇不同的檢測方法。例如：美國機械工程師協(xié)會鍋爐壓力容器規(guī)范第三卷NB分卷(2015版)針對規(guī)范一級小支管全焊透對接焊接接頭的驗收檢測，要求進行射線檢測(首選)或超聲檢測，加上液體滲透檢測(適用于奧氏體不銹鋼材料，核級管道中應用廣泛)或磁粉檢測(適用于鐵磁性材料)；插套焊焊接接頭(一般僅適用于直徑為50.8 mm以下規(guī)范一級小支管)應進行射線檢測加上液體滲透檢測或磁粉檢測。役前檢查和在役檢查階段，鍋爐壓力容器規(guī)范第XI卷(2015版)對外徑小于101.6 mm的規(guī)范一級小支管全焊透對接焊接接頭、插套焊等應定期進行表面檢測，但不要求進行體積性檢測(射線或超聲檢測)。核電廠常規(guī)島小支管焊接接頭在制造安裝階段，通常參考標準NB/T 47013-2015 《承壓設備無損檢測》 進行射線檢測或超聲檢測；服役階段，NB/T 47013.3-2015 《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》 中規(guī)定的管道超聲檢測方法僅適用于外徑不小于32 mm，且壁厚不小于4 mm的環(huán)向對接接頭。

小支管的振動測量是判定其是否易于發(fā)生低周疲勞開裂的主要措施。國內外目前主要采用目視檢查篩選，并輔以加速度計接觸法測量的方法。如測量發(fā)現(xiàn)小支管在特定條件下(如啟動工況或降功率運行)的振動情況超過適用的驗收準則，需要開展原因分析和應變測量，以支持設計變更改造等工作，此時，通常采取臨時安裝高溫應變片的方法測量表面敏感區(qū)域的應變情況。但上述傳統(tǒng)的振動測量和應變測量方法因需要在運行或啟停瞬態(tài)工況下測量，所以存在安全風險。

分析上述監(jiān)督檢查方法可知：① 目視檢查可用于保溫層下腐蝕、外壁局部磨損等的探測以及振動小支管的初步篩查，但其對役致內部減薄、起源于內壁的開裂基本無預防性檢測作用；② 射線檢測可用于小支管流動加速腐蝕、制造缺陷等的檢測，但由于役致裂紋類缺陷的射線檢測檢出率受射線束與裂紋相對方位的影響顯著，其預防性檢測作用有限且檢測綜合成本高；③ 外徑小于32 mm的小支管全焊透環(huán)向對接焊接接頭難以實施傳統(tǒng)的超聲檢測，其原因主要是直徑小、曲率大、管壁薄等導致聲耦合困難，檢測聲束發(fā)散和能量衰減顯著，檢測分辨力降低等。

2 超聲檢測

在制造階段，小支管焊接接頭的體積檢測主要使用射線檢測，對焊接缺陷有較好的質量控制作用；在服役階段，射線檢測對小支管焊接接頭的役致開裂類缺陷，如應力腐蝕開裂、疲勞開裂等，射線檢測檢出率較低、作業(yè)窗口選擇受限制、輻射防護成本高，并影響同工作區(qū)其他作業(yè)活動的安排。因此，在壓水堆核電廠小支管焊接接頭服役階段的預防性體積檢測中，主要以超聲檢測為主。

小支管焊接接頭的超聲檢測過程中，主要存在以下技術難點：① 被檢管管徑小曲率大，檢測聲束發(fā)散顯著，檢測聲束能量低，不利于缺陷的檢出；② 壁厚薄，焊縫窄，焊根和焊冠等結構顯示與缺陷緊鄰，缺陷信號難以識別和判斷；③ 由于支管臺尺寸的多樣性，插套焊存在僅單側可進行超聲掃查的情況；即使雙側可進行超聲掃查，也存在檢測聲束難以有效覆蓋檢測區(qū)域、缺陷主平面聲反射率低的問題，易漏檢；④ 檢測鑒定或能力驗證用試樣中的缺陷難以制造且難以獲得標準答案；⑤ 無成熟的超聲檢測標準供直接使用。目前，國內外核電承壓管道超聲檢測標準主要適用于50.8～101.6 mm外徑管道對接接頭的在役檢查。標準NB/T 47013.3-2015僅適用于外徑大于32 mm的小徑管對接接頭，不適用于核電廠中常見的外徑小于32 mm的對接接頭以及小支管插套焊焊接接頭的超聲檢測，特別是在役檢測。

雖然存在上述困難，但超聲檢測對役致開裂的檢出率相對較高，國外有關機構開展了小支管對接焊或插套焊焊接接頭相控陣超聲檢測的研究和應用。其優(yōu)勢在于：① 可以靈活控制超聲發(fā)射/接收時序，從而實現(xiàn)聚焦抵抗聲束發(fā)散作用；② 專用定制的透聲斜楔可提供良好的耦合效果；③ 構件、缺陷、檢測聲場的仿真及實時成像可以提升缺陷識別和判定的準確性。

例如，韓國水電核電公司下屬的中央研究院以及美國電力研究院在國際上較早開展了相關相控陣超聲檢測技術研究，并取得了階段性成果。例如，韓國開發(fā)的小支管插套焊相控陣超聲檢測系統(tǒng)主要由緊湊型掃查器、專用相控陣探頭(3.5 MHz,16晶元線陣)和透聲斜楔(35°)、相控陣超聲儀器等組成，適用于外徑為25.4～50.8 mm的小支管及插套焊焊縫檢測。美國電力研究院(EPRI)分別使用2.25 MHz 11晶元線陣相控陣探頭和5 MHz 16晶元線陣相控陣探頭進行外徑為19.05～50.8 mm的小支管插套焊焊縫檢測。雖然目前小支管插套焊焊縫超聲檢測存在一定的漏檢率和誤判率，特別是管徑較小的支管，但上述研究和應用工作為工程實踐中逐步解決該問題奠定了良好的技術基礎。在核級重要小支管及其焊縫的檢測周期、檢測部位和檢測方法的選擇上，檢測結果評價和應對緩解措施上，EPRI開展了較多工作,其推薦核電廠在許可證更新前開展了一次針對性檢查，以保證其延續(xù)運行期內的老化得到控制。

國內外在超聲檢測能力驗證試樣及標準答案的制作上，受技術和成本限制，目前主要采用的是焊接缺陷，如未熔合、根部未焊透、焊接裂紋、氣孔和夾渣等，如美國FLAWTECH 公司的試樣。

借鑒國外相關研究進展，結合核電廠小支管焊縫超聲檢測需求，通過試塊設計、標準答案制作、超聲檢測仿真、工藝試驗和應用等工作，取得了以下階段性研究和應用成果。

核電廠小支管焊縫超聲試塊主要設計了3種缺陷類型。第一種是人工模擬體，目前國內能夠提供含機加工或電火花加工的人工缺陷，為超聲檢測系統(tǒng)校準和靈敏度校準提了參考試塊，制作的標準答案也不存在技術問題，整體制作成本較低；第二種是制造缺陷，特別是焊接缺陷，如氣孔、夾雜、夾渣、未焊透、未熔合等，目前國內僅少數(shù)試塊加工企業(yè)可以提供，但在缺陷尺寸、位置的控制，試塊成品率上都存在質量提升空間，標準答案的制作難度大，整體制作成本較高；第三種是役致缺陷，特別是核電廠中常見的疲勞裂紋或應力腐蝕開裂。因這兩類缺陷的取向、分布以及尺寸特征等的特殊性，目前國內外都沒有成熟的供應商，標準答案的制作難度更大，整體制作成本更高。

為獲得小支管焊接接頭焊接缺陷的標準答案，采用國產(chǎn)微焦點高能量X射線源高分辨力CT(電子計算機斷層掃描)成像系統(tǒng)對來自不同廠家的樣管進行檢測和缺陷三維重構。例如，分別對外徑為25.1 mm，壁厚為3.4 mm,對接環(huán)焊縫中含有一個焊接氣孔和一個未熔合共2個缺陷的樣管A, 外徑為25.1 mm，壁厚為3.14 mm，對接環(huán)焊縫中含有一個焊接夾渣和裂紋缺陷的樣管B進行缺陷檢測和三維重構,樣管A,B焊接缺陷的三維重構結果如圖3，4所示。結果表明，樣管A中的焊接缺陷與設計目標值吻合良好，樣管B中的焊接缺陷與設計目標值存在較大差異，特別是裂紋的控制技術急需提升。

圖3 樣管A 焊接缺陷(氣孔，側壁未熔合)的三維重構結果

圖4 樣管B 焊接缺陷(夾渣，焊接裂紋)的三維重構結果

針對小支管焊接接頭超聲檢測的工藝優(yōu)化，利用超聲檢測仿真軟件進行傳統(tǒng)脈沖反射法或相控陣超聲的檢測聲場、覆蓋性、缺陷響應的模擬，可指導并優(yōu)化檢測探頭的設計，特別是掃查工藝的優(yōu)化和透聲楔塊的設計。現(xiàn)階段的工藝試驗結果表明，利用專門設計的透聲楔塊和線陣相控陣超聲探頭，外徑為25.4 mm及以上的碳鋼小支管插套焊焊縫及外徑為28 mm及以上的不銹鋼或異種金屬小支管插套焊焊縫的超聲檢測效果良好，已開展工程應用。但更小外徑的小支管插套焊焊縫超聲檢測還應在探頭晶片設計、頻率選擇、透聲楔塊的設計上進一步優(yōu)化。小支管插套焊超聲檢測仿真結果如圖5所示。

圖5 小支管插套焊超聲檢測仿真結果

3 小支管的激光測振

核電廠小支管振動的測量一般需要在機組穩(wěn)定運行的工況或啟動以及關停等瞬態(tài)工況階段進行測量。目前，國內外多采用傳統(tǒng)接觸式加速度傳感器測量方法，其主要存在以下挑戰(zhàn)：① 需在管道上安裝加速度傳感器和基座，其附加質量對小支管振動及測量有影響；② 作業(yè)人員安全風險較高；③ 部分管道可達性差；④ 耐高溫加速度傳感器價格高。

針對傳統(tǒng)方法存在的需要接近待測量小支管、作業(yè)風險高等問題，采用基于激光多普勒測量原理的非接觸式光學振動測量技術對小支管振動進行遠距離非接觸測量和工藝試驗，得到以下規(guī)律：① 激光測量，可不考慮附加質量作用，測量精度高；② 非接觸測量，作業(yè)人員安全風險相對較低；③ 可在一定程度上解決管道可達性差的問題；④ 采用激光多普勒原理的單點振動測量儀通常只能測量面外振動，為評價小支管振動，需要改變測量方位，實際操作中激光頭移動空間可能受限；⑤ 某些情況下，需臨時安裝反光膜以便提高反射率和信號穩(wěn)定性，保證測量結果;⑥ 激光多普勒振動測量儀本身應處于靜止狀態(tài)，某些區(qū)域地面振動影響測試的可行性;⑦ 即使采用鋰電池供電，激光多普勒振動測量儀仍需進一步提升緊湊性和便攜性。

采用國產(chǎn)激光多普勒單點振動測量儀對核電廠部分小徑管開展現(xiàn)場應用試驗。結果表明，該方法可有效測量到管道運行狀態(tài)下的振動情況，給出測量方向上的振動主要頻率和速度幅值，真實地反映出被測物體的振動情況，貼反光膜對測量結果帶來的影響可忽略,卻能顯著提升測量的可行性(見圖6，7)。

圖6 測點振動曲線(無反光膜)

圖7 測點振動曲線(貼反光膜)

4 小支管焊接接頭的原位應變和溫度監(jiān)測

為了掌握小支管特定部位的疲勞失效驅動力(特別是熱疲勞或機械疲勞)的影響，需要在運行條件下實時測量其應變和溫度，以便為變更改造、失效分析等提供詳細的輸入數(shù)據(jù)。通過調研，選擇基于光纖瑞利散射效應和光纖頻域反射譜分析技術的原位應變和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，開展實驗室內的工藝試驗和現(xiàn)場應用驗證。其技術特點主要為：① 其可用于核電廠實際工況下管道疲勞應變的精確測量,并給出可視化的監(jiān)測結果;② 在線監(jiān)測小支管外表面局部敏感區(qū)域的應變或溫度，有利于掌握應變響應及其分布情況,并利用監(jiān)測結果進行優(yōu)化設計和變更改造;③ 采用具有不同涂層的光纖，其適用于常溫到400 ℃或500 ℃；其應變測量重復性可達±5 με(微應變)，最小每隔1 mm一個測點；100 Hz重復采樣條件下，每隔5 mm一個測點；溫度測量的相對精度約為2～3 ℃。

某核電廠高加抽汽疏水袋疏水管線彎頭頻繁開裂,為確定其失效的根本原因并支撐后續(xù)變更改造，使用如圖8所示的監(jiān)測裝置在彎頭前后兩個部位進行在線監(jiān)測，結果如圖9所示。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得出：① 疏水管線采用間歇式疏水，此時，上游閥門的三次啟閉對應下游彎頭的三次應變-溫度沖擊;② 閥門開啟瞬間，由于高溫疏水向管道彎頭排放，使彎頭前后A/B兩點應變迅速上升，最大應變分別達到1 630 με和1 230個 με，同時，A/B兩點測量的溫度變化量最大分別達到70 ℃和43 ℃；③ 查詢設計調試資料，確認閥門動作周期與彎頭應變、溫度的周期性變化對應良好。

圖8 原位應變和溫度監(jiān)測裝置外觀

圖9 彎頭前后原位溫度(左圖)和應變(右圖)測量結果

基于上述分析結果，電廠確認彎頭失效的主要原因為熱疲勞，而后，電廠將間歇式疏水改造為連續(xù)式疏水，運行多個周期后，同類彎頭沒有再發(fā)生同類失效。

傳統(tǒng)高溫應變片也可實現(xiàn)上述在線測量，但基于瑞利散射效應和光纖頻域反射譜分析技術的原位應變、溫度測量方法可同時提供測量點、線上的應變分布、測量結果和溫度變化量，結果顯示直觀。

5 結語

核電廠小支管的全生命周期老化管理需要先進的監(jiān)測、檢測、評價技術研究和應用的支撐。在風險指引的小支管管理理念指導下的敏感管線和部位篩選的基礎上，通過可靠、有效、針對性強的現(xiàn)場監(jiān)測檢測技術的實施以及監(jiān)測檢測結果的分析與評價，將有利于提升核電廠小支管管理水平。對于關鍵性的核級小支管及其插套焊焊接接頭，其預防性檢測、監(jiān)測技術仍需開展進一步的研發(fā)、驗證和應用，并關注以下工作。

(1) 微焦點高能量X射線源、高分辨力CT成像技術雖然可為能力驗證試樣缺陷標準答案的制作提供有效的支撐，但役致缺陷的制作和控制仍然是業(yè)界的難題。

(2) 小支管插套焊的超聲檢測較同規(guī)格對接焊的超聲檢測挑戰(zhàn)更大，當管徑小于19.05 mm或為異種金屬焊縫時尤其突出。

(3) 小支管相控陣超聲檢測工藝、能力驗證和標準化的工作仍需進一步深入推進。

(4) 應根據(jù)小支管焊接接頭的老化降質機理和失效后果及影響，選擇目視檢查、表面檢查、體積性檢查、加速度傳感器測振或激光非接觸測振、原位應變-溫度監(jiān)測中的監(jiān)測檢測技術或其組合實施檢測。