基于瞬態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測的核電廠承壓管道評估系統(tǒng)開發(fā)

中圖分類號 TL48 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）03-0503-06

壓水堆核電廠承壓管道的疲勞老化管理是保證承壓邊界完整性的重要工作之一[1]，運行經(jīng)驗表明僅依據(jù)設(shè)計階段假定的瞬態(tài)參數(shù)進行疲勞壽命評估存在不精確和非保守的情況[2]。國際上已發(fā)生多起壓水堆核電廠承壓管道開裂事件，需要開發(fā)基于運行參數(shù)在線監(jiān)測的精確疲勞分析技術(shù)[3]。

當(dāng)前，全球主要核電科研機構(gòu)已開發(fā)了多款基于瞬態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測的疲勞分析系統(tǒng)，如美國核電力科學(xué)研究院開發(fā)的FatiguePro疲勞分析系統(tǒng)、德國阿?，m開發(fā)的FAMOS疲勞分析系統(tǒng)，西屋公司開發(fā)的WESTEMSTM疲勞分析系統(tǒng)[4.5]。在我國，三代機組設(shè)計中均配套開發(fā)了相應(yīng)的疲勞分析系統(tǒng)，如中國核動力院為華龍一號開發(fā)的疲勞監(jiān)測和瞬態(tài)統(tǒng)計系統(tǒng)（IFT）[6]。筆者團隊開發(fā)了基于瞬態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測的核電廠一回路承壓管道熱與環(huán)境狀態(tài)評估系統(tǒng)（TECMAS），并成功應(yīng)用在了國內(nèi)某大型壓水堆核電廠[7.8]，該軟件技術(shù)配置上將包含3個層次系統(tǒng)化的疲勞分析模塊：

a.設(shè)計瞬態(tài)疲勞分析模塊（DTF模塊）。通過瞬態(tài)自動識別功能（TAC功能）在監(jiān)測信息中自動識別出發(fā)生的設(shè)計瞬態(tài)次數(shù)信息，并在DTF模塊中計算出設(shè)計瞬態(tài)實際疲勞損傷消耗情況。

b.瞬態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)疲勞分析模塊（TMF模塊）?；谒矐B(tài)實際監(jiān)測信息，通過TMF模塊詳細計算管道的疲勞損傷系數(shù)。c.環(huán)境促進疲勞分析模塊（EAF模塊）?？紤]反應(yīng)堆一回路水環(huán)境對疲勞壽命的影響。

TECMAS軟件開發(fā)目的是通過分層次的疲勞管理，建立可滿足基于設(shè)計信息的疲勞損傷初步分析、基于監(jiān)測的精確疲勞分析和考慮環(huán)境促進疲勞影響的多層次的管道疲勞損傷管理平臺。筆者介紹了TECMAS軟件的基本框架、分析原理和工程應(yīng)用情況。

1軟件功能介紹

對于存在熱沖擊和熱分層的一回路管道，TECMAS軟件系統(tǒng)通過新增部分外壁的傳感器組件，補充監(jiān)測管道局部區(qū)域的溫度變化過程。如圖1所示，TECMAS系統(tǒng)主要由溫度傳感器、采集單元、光電轉(zhuǎn)換單元及數(shù)據(jù)處理單元等組成[7]，通過將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件模塊，可自動計算出管道的實際損傷系數(shù)。TECMAS軟件系統(tǒng)的登錄界面如圖2所示，筆者后續(xù)重點介紹數(shù)據(jù)處理的功能與算法原理。

1.1 DTF模塊

基于設(shè)計假設(shè)和運行經(jīng)驗反饋，壓水堆核電廠設(shè)計階段均給出了設(shè)計瞬態(tài)參數(shù)信息，包含瞬態(tài)壓力、溫度及流量等數(shù)據(jù)，同時給出了設(shè)計年限內(nèi)的發(fā)生次數(shù)限值[9]?；谠O(shè)計瞬態(tài)信息，設(shè)計階段需要完成一回路承壓邊界管道的疲勞評價。同時，在運行階段需要對實際發(fā)生的瞬態(tài)進行統(tǒng)計和歸類，以保障設(shè)計假想瞬態(tài)參數(shù)和發(fā)生次數(shù)的保守性。

如圖3所示，TECMAS軟件通過TAC模塊在監(jiān)測信息中自動識別出發(fā)生的設(shè)計瞬態(tài)的種類和次數(shù)信息，并完成每次換料循環(huán)后的趨勢特性分析：

e.瞬態(tài)發(fā)生趨勢預(yù)測，TAC模塊同時提供瞬態(tài)預(yù)測的功能，軟件開發(fā)團隊根據(jù)核電廠實際運行狀態(tài)，將瞬態(tài)分為3種情況進行預(yù)測，分別為運行初期發(fā)生較多后期逐漸減少并趨于穩(wěn)定的瞬變（A型）較少發(fā)生或未發(fā)生過的瞬變（B型）和水壓試驗或特殊性能試驗類瞬變（C型），根據(jù)瞬態(tài)發(fā)生次數(shù)分布規(guī)律進行趨勢預(yù)測。

a.模塊數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在儀表庫中選擇用于瞬態(tài)識別的儀表清單，并導(dǎo)入實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)；b.壞點識別，按壞點數(shù)據(jù)識別方案對原始監(jiān)測儀表數(shù)據(jù)進行壞點數(shù)據(jù)識別并處理；c.是否發(fā)生瞬態(tài)判斷，依據(jù)發(fā)生瞬態(tài)的判斷邏輯，識別出發(fā)生瞬態(tài)的時間段；d.瞬態(tài)種類識別，通過配置合適的瞬態(tài)識別邏輯（基于溫度、壓力、流量及機組狀態(tài)信息等參數(shù)），判斷發(fā)生了何種設(shè)計瞬態(tài)；

在TAC模塊識別出電廠實際發(fā)生的設(shè)計瞬態(tài)信息基礎(chǔ)上，將在DTF模塊中計算出設(shè)計瞬態(tài)實際疲勞損傷消耗情況（具體計算方法見2.1節(jié)內(nèi)容）。

1.2 TMF模塊

基于瞬態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測的核電廠承壓管道熱疲勞分析的技術(shù)流程如圖4所示[9]，從核電廠原有和新增儀表讀數(shù)中獲取管道局部熱工水力特性（如熱流體壓力、溫度及流量等信息），通過傳遞函數(shù)（一種可避免耗時有限元數(shù)值分析的卷積計算方法）確定分析部位的應(yīng)力變化歷程?；赗CC-M或ASME規(guī)范中的載荷循環(huán)統(tǒng)計規(guī)程，可梳理出分析部位的載荷譜，再對比材料的S-N曲線計算管道的疲勞損傷系數(shù)（CUF）。

壓水堆核電廠一回路管道主要承受熱沖擊載荷、內(nèi)壓載荷、管端彎矩及重力等荷載[10.I]。根據(jù)載荷特性，可將管道載荷分成3類：熱瞬態(tài)導(dǎo)致的熱應(yīng)力、內(nèi)壓等準靜態(tài)載荷引起的應(yīng)力和由重力等引起的可假設(shè)為恒定載荷的應(yīng)力。其中，因熱應(yīng)力不僅與熱流體當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，還與熱流體參數(shù)變化前序時間歷程相關(guān)，需要進行耗時的有限元仿真計算。

研究表明，采用溫度參數(shù)變化歷程的卷積積分可以獲得任意溫度波動過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)過程，是一種可避免耗時有限元數(shù)值分析的代數(shù)方法[12]。如圖5所示[9]，對于一個參考熱沖擊 T_shock ，通過有限元的建模分析可以獲得結(jié)構(gòu)任意分析位置的應(yīng)力響應(yīng)特征過程。結(jié)合結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征和溫度變化過程進行卷積積分可獲得任意溫度變化過程中任意結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)歷程[13]

1.3 EAF模塊

美國核管會在相關(guān)管理導(dǎo)則明確要求，新建核電廠設(shè)計中必須考慮EAF的問題[14]，對于要執(zhí)照更新的電廠也需補充EAF的論證工作。如圖6所示，為考慮環(huán)境因素對疲勞壽命的影響，2016版RCC-M規(guī)范更新了部分疲勞設(shè)計曲線[15.16]，新疲勞曲線在循環(huán)次數(shù)大于 10³ 次后相比原有曲線更加保守。

TECMAS軟件的EAF模塊中采用了環(huán)境修正因子 F_en 考慮EAF問題，其定義為室溫空氣環(huán)境中的疲勞壽命 ?N_{air，RT} 與運行溫度水環(huán)境中的疲勞壽命 N_water，T 的比值，即：

F_en=N_{air，RT}/N_water，T

使用 F_en 計算考慮EAF問題后疲勞累積使用因子 CUF_en 如下：

式中 F_en，i 第種載荷配對時環(huán)境對疲勞的影響；UF_i ——不考慮環(huán)境影響時第種載荷配對的疲勞使用因子。

2 軟件原理及應(yīng)用

2.1 設(shè)計瞬態(tài)疲勞分析模塊應(yīng)用

筆者在案例分析中，采用某管道設(shè)計階段的疲勞評價結(jié)果見表1，設(shè)計中管道的CUF評價結(jié)果為0.2197。服役運行后，TAC模塊識別出的實際發(fā)生瞬態(tài)類型及數(shù)量見表2。

在DTF模塊中，可以根據(jù)實時瞬態(tài)發(fā)生數(shù)量和原設(shè)計疲勞評價報告進行實時的設(shè)計瞬態(tài)疲勞評價。如表3所示，DTF模塊將實際發(fā)生的瞬態(tài)依據(jù)設(shè)計階段的配對表進行組配，對于缺少配對瞬態(tài)的情況，采用補齊原設(shè)計配對的方法進行保守性分析。本案例中，計算獲得的管道設(shè)計瞬態(tài)引起的CUF為 1.108×10^-3 O

2.2瞬態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)疲勞分析模塊應(yīng)用

TECMAS系統(tǒng)已應(yīng)用在國內(nèi)某大型壓水堆核電廠的穩(wěn)壓器波動管上，監(jiān)測其在某啟機過程中的運行狀態(tài)。穩(wěn)壓器波動管上某測點的溫度監(jiān)測曲線如圖7所示[7]，可以看出，啟機過程中穩(wěn)壓器波動管頂部至底部的溫度呈明顯的階梯分布（即熱分層，最大溫差高超過 100^°C ，啟動過程中系統(tǒng)監(jiān)測到8個完整的波入波出循環(huán)過程（波動管內(nèi)部流體溫度在一回路熱管段內(nèi)流體溫度和穩(wěn)壓器內(nèi)部流體溫度之間進行了變化）。熱分層將引起穩(wěn)壓器波動管發(fā)生顯著的附加熱彎曲變形，設(shè)計階段難以精確分析此附件變形應(yīng)力的數(shù)值及其循環(huán)數(shù)量。

2.3環(huán)境促進疲勞分析模塊應(yīng)用

TECMAS軟件的EAF模塊采用了NUREG/CR6909^[17] 推薦的環(huán)境促進疲勞分析方法，以不銹鋼材料為例， F_en 計算方法如下：

O^*=0.281

式中 T- 服役溫度； -應(yīng)變速率。

如圖8所示[18]，EAF模塊中采用監(jiān)測瞬態(tài)的數(shù)據(jù)計算出詳細應(yīng)變的變化歷程，將第i個瞬態(tài)組合的應(yīng)變曲線劃分成 k 部分，第i個瞬態(tài)組合的F_{enpartial，i}

目前，NUREG/CR6909文獻中應(yīng)變速率主要針對承壓容器進行的論證，對承壓管道和閥門以承載彎矩載荷為主的設(shè)備，其應(yīng)變速率的計算案例仍在編制之中。

如式（3）、（4）所示，高的應(yīng)變速率計算將獲得小的 F_en 數(shù)據(jù)，但高的交變應(yīng)力配對往往對應(yīng)更高的應(yīng)變變化速率。NUREG/CR6909推薦的EAF計算過程中均是先獲得配對后的疲勞損傷數(shù)據(jù)后再乘以過程中的 F_en ，忽略了載荷配對中對EAF的影響，筆者團隊在文獻[18]中對此影響進行了案例研究，研究表明現(xiàn)有ASME規(guī)范載荷配對方法可能獲得非保守性的結(jié)果。另外，TECMAS軟件也正在開發(fā)基于瞬態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測的裂紋擴展與斷裂評定模塊（TMCP模塊）2.10]，以建立核電廠承壓管道更為全面的綜合壽命評價平臺。

3結(jié)束語

筆者開發(fā)的TECMAS軟件通過分層次的疲勞管理體系，已建立了可滿足基于設(shè)計信息的疲勞損傷初步分析、基于監(jiān)測的精確疲勞分析和考慮環(huán)境促進疲勞的深層次疲勞分析的多層次的管道疲勞損傷管理平臺，后續(xù)將可進一步拓展，對于已產(chǎn)生疲勞裂紋的部件進行裂紋擴展分析和結(jié)構(gòu)斷裂安全評價工作。該軟件所用方法是通用的，可以后續(xù)擴展到承壓容器、泵殼等設(shè)備的基于瞬態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測的疲勞分析中。

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Assessment System Development for the Pressurized Pipelines in Nuclear Power Plant Based on the On-line Monitoring of Transient Parameters

CHEN Ming-ya ^1，2 ，GENG Chang-jin1'2，ZHANG Yan-zhao1，2，YU Wei-wei ^1，2 PENG Qun-jia12， ZHAO Wan-xiang1，2，SHI Fang-jie1，2

（1.Suzhou Nuclear Power Research Institute;2.National Engineering ResearchCenterforNuclear Power PlantSafetyamp;Reliability）

Abstract The temperature and environment condition management assessment system （TECMAS） for primary pressurized piping in nuclear power plants based on transient parameters on-line monitoring was developed and its basic framework，working principle and application were described. Key Words pressurized pipeline，on-line monitoring，transient identification，fatigue analysis，environment-induced fatigue