核電站小支管焊接接頭的老化監(jiān)測和檢測技術(shù)

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。主要包括運(yùn)行期間不可隔離的公稱直徑不大于50.8mm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(fù)壓真空抽氣系統(tǒng)支管和油回路系統(tǒng)支管等。這些小支管在核電廠中分布廣泛且數(shù)量龐大，例如某900MW核電機(jī)組核安全相關(guān)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(dǎo)致放射性介質(zhì)泄漏或控制系統(tǒng)的系列響應(yīng)和動(dòng)作；常規(guī)島小支管的失效雖不會(huì)直接導(dǎo)致放射性物質(zhì)外泄，但其失效也可能導(dǎo)致機(jī)組降功率、功率大幅度波動(dòng)、非計(jì)劃停機(jī)和停堆、帶壓堵漏等，對機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性也造成一定影響。國內(nèi)外核電廠相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由于受到機(jī)械疲勞、熱疲勞、流動(dòng)加速腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、外壁振動(dòng)接觸磨損等老化機(jī)理的長期作用，小支管及其焊接接頭會(huì)發(fā)生疲勞斷裂、局部減薄、局部開裂、破裂等老化效應(yīng)，其失效可能導(dǎo)致介質(zhì)泄漏、儀表示數(shù)不正確，嚴(yán)重者甚至可能導(dǎo)致停堆、停機(jī)或降功率運(yùn)行。其中，核電行業(yè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，公稱直徑小于50.8mm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%。美國電力研究院(EPRI)的統(tǒng)計(jì)結(jié)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(dòng)疲勞。因此，有必要加強(qiáng)小支管的老化管理和監(jiān)測檢測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，特別在機(jī)組長期服役后，老化敏感且失效后果嚴(yán)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。小支管焊接接頭的監(jiān)測檢測通常，小支管與主管可采用的支管連接結(jié)構(gòu)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。本文重點(diǎn)分析討論核電廠較常見的采用支管臺連接結(jié)構(gòu)的小支管及其焊接接頭，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。圖1支管臺連接結(jié)構(gòu)示意支管臺、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12.7~50.8mm的小支管占比較大。一般而言，采用插套焊結(jié)構(gòu)或?qū)雍附Y(jié)構(gòu)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：01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(yīng)力集中；02在長期服役過程中，低周疲勞作用易導(dǎo)致從內(nèi)向外擴(kuò)展的焊根裂紋或從外向內(nèi)擴(kuò)展的焊趾裂紋(見圖2)；圖2插套焊焊接接頭常見開裂位置示意03與一回路冷卻劑接觸的核島內(nèi)不銹鋼或異種金屬小支管焊接接頭也存在應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)象，且多從內(nèi)向外發(fā)展并多起源于應(yīng)力集中部位，特別是小支管焊接接頭內(nèi)表面的焊根和熱影響區(qū)等部位；04對接接頭在一定條件下也存在流動(dòng)加速腐蝕現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭或鄰近母材局部減薄并最終失效；05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；06由于管線布置的原因，部分小支管鄰近振動(dòng)管道、設(shè)備或其他小支管，可能發(fā)生接觸摩擦，長期作用會(huì)導(dǎo)致外壁局部磨損。

核電廠小支管焊接接頭結(jié)構(gòu)完整性的監(jiān)測檢測主要包括無損檢測、振動(dòng)測量和應(yīng)變測量等。其中，制造缺陷和役致缺陷的無損檢測一般應(yīng)根據(jù)小支管焊接接頭的安全等級、結(jié)構(gòu)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(jī)械工程師協(xié)會(huì)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(yàn)收檢測，要求進(jìn)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(yīng)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50.8mm以下規(guī)范一級小支管）應(yīng)進(jìn)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101.6mm的規(guī)范一級小支管全焊透對接焊接接頭、插套焊等應(yīng)定期進(jìn)行表面檢測，但不要求進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)行射線檢測或超聲檢測；服役階段，NB/T47013.3-2015《承壓設(shè)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32mm，且壁厚不小于4mm的環(huán)向?qū)咏宇^。小支管的振動(dòng)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(nèi)外目前主要采用目視檢查篩選，并輔以加速度計(jì)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(dòng)工況或降功率運(yùn)行）的振動(dòng)情況超過適用的驗(yàn)收準(zhǔn)則，需要開展原因分析和應(yīng)變測量，以支持設(shè)計(jì)變更改造等工作，此時(shí)，通常采取臨時(shí)安裝高溫應(yīng)變片的方法測量表面敏感區(qū)域的應(yīng)變情況。但上述傳統(tǒng)的振動(dòng)測量和應(yīng)變測量方法因需要在運(yùn)行或啟停瞬態(tài)工況下測量，所以存在安全風(fēng)險(xiǎn)。分析上述監(jiān)督檢查方法可知：01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(dòng)小支管的初步篩查，但其對役致內(nèi)部減薄、起源于內(nèi)壁的開裂基本無預(yù)防性檢測作用；02射線檢測可用于小支管流動(dòng)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(yù)防性檢測作用有限且檢測綜合成本高；03超聲檢測外徑小于32mm的小支管全焊透環(huán)向?qū)雍附咏宇^難以實(shí)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(dǎo)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。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(zhì)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(yīng)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(hù)成本高，并影響同工作區(qū)其他作業(yè)活動(dòng)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(yù)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(shù)難點(diǎn)：01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；02壁厚薄，焊縫窄，焊根和焊冠等結(jié)構(gòu)顯示與缺陷緊鄰，缺陷信號難以識別和判斷；03由于支管臺尺寸的多樣性，插套焊存在僅單側(cè)可進(jìn)行超聲掃查的情況；即使雙側(cè)可進(jìn)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；04檢測鑒定或能力驗(yàn)證用試樣中的缺陷難以制造且難以獲得標(biāo)準(zhǔn)答案；05無成熟的超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)供直接使用。目前，國內(nèi)外核電承壓管道超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)主要適用于50.8~101.6mm外徑管道對接接頭的在役檢查。標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.3-2015僅適用于外徑大于32mm的小徑管對接接頭，不適用于核電廠中常見的外徑小于32mm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(guān)機(jī)構(gòu)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(yīng)用。其優(yōu)勢在于：01可以靈活控制超聲發(fā)射/接收時(shí)序，從而實(shí)現(xiàn)聚焦抵抗聲束發(fā)散作用；02專用定制的透聲斜楔可提供良好的耦合效果；03構(gòu)件、缺陷、檢測聲場的仿真及實(shí)時(shí)成像可以提升缺陷識別和判定的準(zhǔn)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(guān)相控陣超聲檢測技術(shù)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（3.5MHz，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25.4~50.8mm的小支管及插套焊焊縫檢測。美國電力研究院（EPRI）分別使用2.25MHz11晶元線陣相控陣探頭和5MHz16晶元線陣相控陣探頭進(jìn)行外徑為19.05~50.8mm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(yīng)用工作為工程實(shí)踐中逐步解決該問題奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。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(jié)果評價(jià)和應(yīng)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(yùn)行期內(nèi)的老化得到控制。國內(nèi)外在超聲檢測能力驗(yàn)證試樣及標(biāo)準(zhǔn)答案的制作上，受技術(shù)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(guān)研究進(jìn)展，結(jié)合核電廠小支管焊縫超聲檢測需求，通過試塊設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)答案制作、超聲檢測仿真、工藝試驗(yàn)和應(yīng)用等工作，取得了以下階段性研究和應(yīng)用成果。核電廠小支管焊縫超聲試塊主要設(shè)計(jì)了3種缺陷類型：01人工模擬體目前國內(nèi)能夠提供含機(jī)加工或電火花加工的人工缺陷，為超聲檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)和靈敏度校準(zhǔn)提了參考試塊，制作的標(biāo)準(zhǔn)答案也不存在技術(shù)問題，整體制作成本較低；02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(nèi)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(zhì)量提升空間，標(biāo)準(zhǔn)答案的制作難度大，整體制作成本較高；03役致缺陷特別是核電廠中常見的疲勞裂紋或應(yīng)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(nèi)外都沒有成熟的供應(yīng)商，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)答案，采用國產(chǎn)微焦點(diǎn)高能量X射線源高分辨力CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)成像系統(tǒng)對來自不同廠家的樣管進(jìn)行檢測和缺陷三維重構(gòu)。例如，分別對外徑為25.1mm，壁厚為3.4mm，對接環(huán)焊縫中含有一個(gè)焊接氣孔和一個(gè)未熔合共2個(gè)缺陷的樣管A，外徑為25.1mm，壁厚為3.14mm，對接環(huán)焊縫中含有一個(gè)焊接夾渣和裂紋缺陷的樣管B進(jìn)行缺陷檢測和三維重構(gòu)，樣管A，B焊接缺陷的三維重構(gòu)結(jié)果如圖3，4所示。結(jié)果表明，樣管A中的焊接缺陷與設(shè)計(jì)目標(biāo)值吻合良好，樣管B中的焊接缺陷與設(shè)計(jì)目標(biāo)值存在較大差異，特別是裂紋的控制技術(shù)急需提升。圖3樣管A焊接缺陷（氣孔、側(cè)壁未熔合）的三維重構(gòu)結(jié)果圖4樣管B焊接缺陷（夾渣、焊接裂紋）的三維重構(gòu)結(jié)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(jìn)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(yīng)的模擬，可指導(dǎo)并優(yōu)化檢測探頭的設(shè)計(jì)，特別是掃查工藝的優(yōu)化和透聲楔塊的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段的工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，利用專門設(shè)計(jì)的透聲楔塊和線陣相控陣超聲探頭，外徑為25.4mm及以上的碳鋼小支管插套焊焊縫及外徑為28mm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(yīng)用。但更小外徑的小支管插套焊焊縫超聲檢測還應(yīng)在探頭晶片設(shè)計(jì)、頻率選擇、透聲楔塊的設(shè)計(jì)上進(jìn)一步優(yōu)化。小支管插套焊超聲檢測仿真結(jié)果如圖5所示。圖5小支管插套焊超聲檢測仿真結(jié)果小支管的激光測振核電廠小支管振動(dòng)的測量一般需要在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的工況或啟動(dòng)以及關(guān)停等瞬態(tài)工況階段進(jìn)行測量。目前，國內(nèi)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(zhì)量對小支管振動(dòng)及測量有影響；2作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)較高；3部分管道可達(dá)性差；4耐高溫加速度傳感器價(jià)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(fēng)險(xiǎn)高等問題，采用基于激光多普勒測量原理的非接觸式光學(xué)振動(dòng)測量技術(shù)對小支管振動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離非接觸測量和工藝試驗(yàn)，得到以下規(guī)律：1激光測量，可不考慮附加質(zhì)量作用，測量精度高；2非接觸測量，作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)相對較低；3可在一定程度上解決管道可達(dá)性差的問題；4采用激光多普勒原理的單點(diǎn)振動(dòng)測量儀通常只能測量面外振動(dòng)，為評價(jià)小支管振動(dòng)，需要改變測量方位，實(shí)際操作中激光頭移動(dòng)空間可能受限；5某些情況下，需臨時(shí)安裝反光膜以便提高反射率和信號穩(wěn)定性，保證測量結(jié)果；6激光多普勒振動(dòng)測量儀本身應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，某些區(qū)域地面振動(dòng)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(dòng)測量儀仍需進(jìn)一步提升緊湊性和便攜性。采用國產(chǎn)激光多普勒單點(diǎn)振動(dòng)測量儀對核電廠部分小徑管開展現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法可有效測量到管道運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)情況，給出測量方向上的振動(dòng)主要頻率和速度幅值，真實(shí)地反映出被測物體的振動(dòng)情況，貼反光膜對測量結(jié)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(diǎn)振動(dòng)曲線（無反光膜）圖7測點(diǎn)振動(dòng)曲線（貼反光膜）小支管焊接接頭的原位應(yīng)變和溫度監(jiān)測為了掌握小支管特定部位的疲勞失效驅(qū)動(dòng)力（特別是熱疲勞或機(jī)械疲勞）的影響，需要在運(yùn)行條件下實(shí)時(shí)測量其應(yīng)變和溫度，以便為變更改造、失效分析等提供詳細(xì)的輸入數(shù)據(jù)。通過調(diào)研，選擇基于光纖瑞利散射效應(yīng)和光纖頻域反射譜分析技術(shù)的原位應(yīng)變和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，開展實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的工藝試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證。其技術(shù)特點(diǎn)主要為：01其可用于核電廠實(shí)際工況下管道疲勞應(yīng)變的精確測量，并給出可視化的監(jiān)測結(jié)果；02在線監(jiān)測小支管外表面局部敏感區(qū)域的應(yīng)變或溫度，有利于掌握應(yīng)變響應(yīng)及其分布情況，并利用監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和變更改造；03采用具有不同涂層的光纖，其適用于常溫到400℃或500℃；其應(yīng)變測量重復(fù)性可達(dá)±5με(微應(yīng)變)，最小每隔1mm一個(gè)測點(diǎn)；100Hz重復(fù)采樣條件下，每隔5mm一個(gè)測點(diǎn)；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(gè)部位進(jìn)行在線監(jiān)測，結(jié)果如圖9所示。圖8原位應(yīng)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(yīng)變(右圖)測量結(jié)果分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得出：1疏水管線采用間歇式疏水，此時(shí)，上游閥門的三次啟閉對應(yīng)下游彎頭的三次應(yīng)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(diǎn)應(yīng)變迅速上升，最大應(yīng)變分別達(dá)到1630με和1230με，同時(shí)，A/B兩點(diǎn)測量的溫度變化量最大分別達(dá)到70℃和43℃；