核電廠二回路汽水管道局部減薄管理的挑戰(zhàn)和應對

(國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233)

輕水堆核電廠二回路汽水管道主要包括主蒸汽管線、主給水管線、凝結水管線、疏水管線、抽汽管線、再熱蒸汽管線等。上述管線多采用碳鋼(如A106B鋼)或低合金鋼(如A335和P11低合金鋼)制造，管道內徑通常為25.4～800 mm，壁厚通常為3.4～80 mm。管線中存在彎頭、變徑、三通、節(jié)流孔板、閥門等結構形狀變化顯著且易發(fā)生湍流的部位。管線材質、結構形狀、服役環(huán)境等因素的影響以及流動加速腐蝕(FAC)、液滴沖擊(LDI)、汽蝕(Cavitati on erosion)等老化機理的長期作用易導致管線在上述敏感部位發(fā)生局部減薄[1]。其中，F(xiàn)AC引起的局部減薄是汽水管道失效的主要原因。例如，碳鋼汽水管道湍流顯著部位(如彎頭、彎后直管、管道異種金屬焊縫碳鋼側等)，易發(fā)生FAC。此外，汽水管道內結構突變區(qū)域(如主蒸汽、抽汽、疏水管線上的三通、節(jié)流孔板后、彎頭、節(jié)流閥后等區(qū)域)，易發(fā)生LDI。在單相介質管道內，由于結構突變導致流速突升的區(qū)域(如控制閥或流量調節(jié)閥處)易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

業(yè)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(fā)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CHECWORKSTM軟件。法國電力公司(EDF)開發(fā)的BRT-CICEROTM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，故本工作對此進行了系統(tǒng)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(tǒng)、更經濟。

1 主要機理

核電廠二回路汽水管道局部減薄的老化機理主要包括FAC、LDI和汽蝕，其發(fā)生的部位、特點、影響因素等主要如下。

1.1 流動加速腐蝕

FAC，早期也稱為沖刷腐蝕(Erosion corrosion)，是由于單相液流或汽/液雙相流在局部湍流部位加速了碳鋼或低合金鋼表面的保護性氧化膜溶解，造成碳鋼或低合金鋼局部腐蝕速率增大的現(xiàn)象[2]。核電廠二回路汽水管道由于蒸汽品質、水化學條件、材料、流速及結構特點等原因，易發(fā)生FAC并且通常具有以下特點。

(1) 位置特征 FAC多發(fā)生在汽水管道結構突變或易發(fā)生湍流部位，如彎頭、三通、大小頭、節(jié)流孔板后直管段及環(huán)焊縫鄰近區(qū)域等。例如，1986年12月9日美國薩里核電站2號機組滿功率運行時，其給水泵入口管線的一個A234碳鋼制彎頭因FAC減薄導致破裂,附近正在進行其他管線保溫更換工作的8人受蒸汽灼傷，4死4傷[3]。2004年8月9日,日本關西電力公司美濱3號機組給水回路中低壓加熱器與除氧器之間給水管道上一個孔板流量計下游的管段發(fā)生FAC減薄并破裂,造成11人傷亡,其中5人死亡、6人受傷[1]。此外，汽水管道環(huán)焊縫根部及其附近區(qū)域，由于湍流和Cr元素含量差異，也會發(fā)生FAC引起的局部減薄現(xiàn)象[4-5]。

(2) 形貌特征 通常FAC有獨特的形貌特征。肉眼難于鑒別，但適當放大后，在單相液流中，多為馬蹄坑、扇貝狀或橘子皮狀，汽液雙相流中多表現(xiàn)為明暗相間的條帶或斑紋狀[3-4]。腐蝕區(qū)域及附近通常有氧化膜且高倍下無顯著機械形變。

(3) 機理特征 FAC是電化學腐蝕與流動加速溶質傳質起主要作用，有時可能會疊加機械力作用的一種過程。

(4) 合金元素的影響 通常,隨著Cr、Mo、Cu含量的增加，特別是Cr含量的增加，碳鋼、低合金鋼的FAC速率會顯著降低。

碳鋼、低合金鋼FAC速率也受流速、結構形狀、溫度、pH、水化學條件等因素影響[6],本工作不再詳述。其主要應對措施是提高管道材料Cr含量、控制pH、對敏感區(qū)域定期或持續(xù)進行厚度測量。

需要注意，核電廠二回路汽水管道中，受介質品質和流速影響，存在沖蝕(包括LDI和汽蝕)和FAC共同作用導致的局部減薄。此時，可粗略根據主導作用是機械力還是化學腐蝕+局部傳質來區(qū)分主導減薄機理。

1.2 液滴沖擊

液滴沖擊，也稱“液滴沖擊沖蝕”或“液滴沖擊腐蝕”。汽水管道易發(fā)生LDI的區(qū)域，主要是被汽流中所攜帶的液滴間歇反復沖擊的區(qū)域(如彎頭的背彎區(qū)域和節(jié)流孔板后的特定區(qū)域)，這些區(qū)域會在局部產生強大的脈沖力并引起沖蝕，如圖1所示。汽水管道內壁由于連續(xù)暴露在這種反復而離散的沖擊作用下，會使內壁氧化膜或母材被逐漸侵蝕而發(fā)生減薄。核電廠二回路汽水管道液滴沖擊通常具有如下特點。

(a) 流動加速腐蝕(FAC) (b) 液滴沖擊腐蝕(LDI)圖1 FAC和LDI形成的局部減薄Fig. 1 Localized thinning caused by FAC (a) or LDI (b)

(1) 位置特征 易發(fā)生在汽相為主的汽液兩相流汽水管線中,通常發(fā)生在介質流動方向有顯著變化的區(qū)域，如圖1中，水平向前的汽流中所攜帶的液滴直接沖擊彎頭的背彎區(qū)域。

(2) 形貌特征 通常LDI影響區(qū)域比FAC影響區(qū)域小，且多為一個局部的蝕坑，其形狀也受多種條件影響。宏觀可見蝕坑表面存有流線切割特點的沖蝕痕跡。高倍下可見顯著的機械形變。圖2中為某核電廠碳鋼集汽管受與之相連的排放管中兩相流的液滴沖擊作用，形成一個環(huán)形的局部減薄區(qū)域并導致高溫蒸汽泄漏[6]，圖中亮色區(qū)域為管道母材。液滴沖擊區(qū)域存在松散四氧化三鐵銹層，這與液滴碰撞后產生的高速液滴對氧化膜的沖蝕作用有關。筆者在2000年抽檢國內某核電廠汽輪機乏汽管道時，發(fā)現(xiàn)其彎頭內壁局部區(qū)域一個“鵝蛋”大小的局部減薄，壁厚從11.7 mm減薄至4.5 mm,而周圍的大面積母材無任何其他局部減薄。1976年，Oconee 核電廠3號機組汽輪機乏汽管線的局部減薄泄漏疑似也是由LDI作用導致的。

圖2 LDI引起的管道局部減薄Fig. 2 Localized thinning of pipeline caused by LDI

(3) 機理特征 汽水兩相流中的高速液滴對金屬表面間歇但反復碰撞以及碰撞后的沖擊、剪切等機械力主導的局部減薄，也可能伴隨氧化膜的破裂。

(4) 可忽略合金元素影響 碳鋼、低合金鋼、不銹鋼的汽水管道都有可能發(fā)生LDI。

核電廠汽水管道LDI主要受蒸汽品質、流速、流道形狀變化情況影響。因此，其主要應對措施是控制蒸汽品質、抑制流速、特定部位增加抗液滴沖擊結構、定期進行厚度測量等。

1.3 汽蝕

汽蝕，又稱空蝕、穴蝕。汽水管道中的汽蝕主要是指高溫高壓水在高速流動和壓力變化條件下，即高速減壓區(qū)，形成氣泡或空穴，而后其隨高溫高壓水流動到壓力超過氣泡壓力的區(qū)域時，氣泡潰滅并沖擊與之接觸的金屬表面或其保護膜的過程。核電廠二回路汽水管道汽蝕通常具有如下特點。

(1) 位置特征 易發(fā)生在液相管道結構尺寸突變區(qū)域(如閥門及其下游或節(jié)流孔板下游)。此外，高速流動液相管道中氣泡較多時，流經環(huán)焊縫之后易形成固定氣穴的區(qū)域(特別是內部焊瘤較高時)或流經彎頭處在局部管壁發(fā)生大量氣泡潰滅的區(qū)域。

(2) 形貌特征 不同的汽蝕階段，宏觀損傷形貌會有一定差別，但高倍下都會發(fā)現(xiàn)顯著的機械變形。通常，汽蝕初期，金屬表面首先會形成許多細小麻點并變粗糙，繼而表面呈現(xiàn)溝槽狀、蜂窩狀、魚鱗狀、海綿狀等痕跡；嚴重時形成坑穴并可造成穿孔或破裂。

(3) 機理特征 氣泡或空穴形成、潰滅并沖擊管道局部內壁的氧化膜或金屬的非穩(wěn)定損傷過程。

碳鋼、低合金鋼、不銹鋼的汽水管道都有可能發(fā)生汽蝕。核電廠二回路汽水管道汽蝕主要受液體特性、溫度、壓力、流速、流道形狀變化情況等影響。其主要應對措施是控制氣泡或空穴的數(shù)量，如增加排氣、噴淋等，減少閥門、節(jié)流孔板，控制焊縫成型質量，優(yōu)化彎頭結構以便減緩液體壓力變化。所以，在設計階段超前主動優(yōu)化結構防止氣穴產生，并在服役時保持適當?shù)倪\行條件，是防止汽蝕最有效的方式。

2 管理現(xiàn)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(fā)展和完善。

例如，美國EPRI開發(fā)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(shù)據管理和檢測計劃編制等工作。其發(fā)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(yè)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(jiān)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(fā)生后，系統(tǒng)進行了相應的改進和提高。例如，2006年日本發(fā)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(shù)據進行減薄速率計算和壽命預測的方法；

(3) 基于統(tǒng)計數(shù)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 N-597-2《管壁減薄分析評價要求》和ASME B31.3 非強制性附錄IV《動力管道系統(tǒng)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(tǒng)計數(shù)據和經驗反饋制訂詳細檢測計劃并不斷優(yōu)化[1]。此外，2014年，我國發(fā)布行業(yè)標準NB/T 25033-2014《壓水堆核電廠常規(guī)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(zhàn)。

(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(yè)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(yōu)化和標準化工作。關于汽蝕，除了在設計階段進行結構優(yōu)化以盡可能防止其發(fā)生外還應在定期檢修時加強敏感部位的狀態(tài)核查，如壁厚監(jiān)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(xù)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(jiān)測部位的選擇、檢測方法的優(yōu)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(yōu)化監(jiān)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50 mm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(yōu)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(zhàn)。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(tǒng)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(tài)，也要面對新經驗反饋、長期服役帶來的新挑戰(zhàn)。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(huán)焊縫，應關注其是否易于發(fā)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(yōu)化長期策略、管理范圍界定和敏感部位篩選排序、監(jiān)檢測計劃和實施、評價預測和計劃優(yōu)化等內容。此外，還應加強業(yè)內相關信息采集、整理、共享等的規(guī)范化，提升信息交流、共享和利用的水平。

(6) 檢測、監(jiān)測方面應優(yōu)化傳統(tǒng)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(jiān)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(huán)焊縫根部壁厚的超聲衍射時差法(TOFD)測量，冷陰極數(shù)字X射線管道壁厚測量，電磁超聲高溫檢測技術等。

3 檢測方法

3.1 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(shù)據(含F(xiàn)AC/LDI減薄)，對網格點法的有效性進行初步分析?？纱致杂镁植繙p薄面積除以測厚網格面積的百分數(shù)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。表2給出了10個樣本數(shù)據(32個真實樣本數(shù)據中具有代表性的部分數(shù)據)按上述原則計算得出的理論漏檢率。分析上述數(shù)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(guī)范的網格漏檢率相對較大，而EPRI導則中的居中。實際工作中，應考慮以下因素優(yōu)化網格點間距和布置。

表1 不同標準推薦的測厚網格點間距(D,管徑)Tab. 1 Thickness measuring grid interval recommeneded by different standards (D, pipe diameted)

表2 局部減薄的漏檢率(理論分析法)Tab. 2 Missing rate of partial thinning (theoretical analysis method)

(1) 局部減薄機理的特點,即應結合敏感部位發(fā)生特定減薄機理的可能性和對應的形貌特征、局部減薄區(qū)域尺寸大小優(yōu)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(fā)生沖擊后流體變向可能影響的部位。

(2) 應重點關注敏感結構，如彎頭或三通，其上下游環(huán)焊縫附近區(qū)域。

(3) 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(yōu)化網格點間距和布置的重要參考。

3.2 脈沖渦流檢測管道局部減薄

同傳統(tǒng)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 a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(qū)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(tǒng)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φ50 mm)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(fā)展，國內已開發(fā)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(qū)域的平均壁厚,且隨深度增加作用區(qū)域顯著擴散,故信號強度呈指數(shù)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(wěn)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φ20 mm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(fā)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(yōu)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(tǒng)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。

3.3 管道環(huán)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(huán)焊縫處可能存在FAC或汽蝕引起的局部減薄。但汽水管道環(huán)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(huán)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[6]：

(1) 一發(fā)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(wěn)定間距，這對掃查架的穩(wěn)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(xù)分析處理以及多次檢測時對減薄區(qū)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(huán)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(huán)焊縫兩側結構不對稱(如閥門與管道環(huán)縫或變徑與直管環(huán)縫)等情況下的工藝優(yōu)化、應用驗證等工作需進一步推進。

3.4 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100 mm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(yè)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(shù)字X射線成像技術的應用，輻射防護要求高、作業(yè)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(yè)區(qū)域、白天作業(yè)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：

(1) 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；

(2) 對表面條件要求低，可在有致密氧化皮的條件下測量；

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

超聲導波可在管道內激發(fā)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(qū)域放置超聲探頭的情況。應注意的是，需通過設計優(yōu)化，盡可能保證敏感區(qū)域或焊縫不在穿墻壁段。

4 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(tǒng)、持續(xù)、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(yōu)化，還應結合上述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(jiān)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(shù)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(guī)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(tǒng)性工作，設計階段的選材、結構優(yōu)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(zhàn)，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。