核电厂管道局部壁厚减薄快速评定方法研究

覃全宁，吴海辉，刘波，陈明亚

（1.台山核电合营有限公司，广东 江门 529200；2.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215008）

核电厂存在各种高温、高压、高流速的水、汽两相介质的压力管道。运行经验表明，由于管道内壁长期受到介质的冲刷，在管道焊缝、弯管等局部区域常常会发生减薄的现象。在核电机组运行状态下，如果检测到压力管道壁厚减薄现象，需要快速评估壁厚减薄的管道是否仍然满足安全稳定运行的要求，并判断是否需要更换管道。通常，压力管道的更换或维修操作需要在停机状态下进行。因此，发展一种压力管道壁厚减薄的快速评定方法对满足工程实际需要具有重要意义。

法国RCC-M规范、美国ASME规范、欧洲EN规范、英国API579规范均给出了压力管道设计的准则和缺陷（管道局部减薄属于体积型缺陷）的评价要求。基于相关规范开发的管道工程设计软件SYSPIPE、CAESAR等，多是基于管道均匀壁厚的设计假设进行开发的。对于局部减薄的管道，存在局部刚度降低引起的管系应力集中问题，通常需要建立三维有限元模型进行详细的分析评估。此方法分析复杂，难以快速提供技术评估结论。

通过梳理RCC-M设计规范的基本要求和工程分析假设，提出了一种管道壁厚减薄的快速评定方法，该方法能满足不同工况下管道设计准则的要求。

1 快速评估方法理论模型

根据工程实践经验，快速评定管道壁厚减薄后的应力时，需做以下三个方面的工程假设。

1）压力管道设计中，首先需要保证满足最小设计壁厚的要求。在计算最小壁厚时，假设管壁是均匀减薄，可以计算出管壁减薄后的截面模量。

2）局部减薄后，在管道的结构完整性评价前应进行光滑打磨，并尽可能使管壁均匀过渡。评价中认为，管壁减薄处的应力增强系数与临近节点的应力增强系数相同，或设定一个增加比例（可根据壁厚实际较少量和打磨后的结构计算出应力增强系数的增加比例）。

3）在小范围内的壁厚减薄，可假设管道外部载荷未发生变化，认为管壁减薄后的载荷与减薄前的载荷保持不变。

基于上述假设，文中提出的管道完整性设计要求评定流程如图1所示，主要包含三个方面的内容：1）最小壁厚计算；2）结构完整性评价；3）功能性评价。

图1 管道完整性/功能性评定流程Fig.1 Flow chart of pipe integrity and functionality estimation

1.1 管道最小壁厚设计要求

以法国RCC-M设计规范为例，介绍核电厂规范2级管道直管段最小壁厚t的计算方法。受内压直管要求的最小壁厚（包括机械强度裕量），不应小于式（1）和式（2）所确定的值。

式中：为所需最小壁厚，mm，如果管道按公称壁厚定义，应考虑壁厚的制造公差，公称壁厚至少应为由式（1）、式（2）确定的值加上制造公差；为设计内压，MPa；为管道外径，mm；为管道材料在设计温度下的许用应力，MPa；为附加厚度，腐蚀发生时，管道壁厚的裕量应与管道寿期保持一致，主要考虑管道寿命和腐蚀速率等的影响，对碳钢管一般取1.6 mm，不锈钢取0 mm；为系数，取值0.4，但对＜6的管道，其值由下式确定：

对于弯管，最小壁厚不应小于直管所要求的壁厚乘式（4）或式（5）的系数。

式中：为弯头的弯曲半径与管道内径之比。

如果实测壁厚值不大于最小壁厚，则需要进行管道更换；如果实测壁厚不小于最小壁厚，需进行后续的管道完整性评定等内容。

1.2 管道完整性设计要求

1）设计工况（O级准则）。设计工况主要考虑设计压力、质量和其他设计机械载荷在管道上产生的应力总和，其不能超过许用应力，应力计算公式和评价准则如式（6）所示。

式中：为管道壁厚；为应力增强系数；为永久性载荷作用在管道上的力矩；为截面模量，=(π/4)(-)；为设计压力；为设计温度下材料的许用应力。

2）正常工况（A级准则）。正常工况主要考虑热膨胀产生的应力变化范围，其不能超过许用应力，应力计算公式和评价准则如式（7）所示。

式中：为热膨胀和其他循环载荷作用下的弯矩范围，N·mm；为热疲劳下的许用应力变化范围，MPa。

如式（7）校验不通过，根据RCC-M的要求，可选择式（8）进行评定，如若式（8）通过，也可视为满足要求。由压力、质量、其他持续载荷产生的应力和热膨胀产生的应力变化范围的总和应满足式（8）。

3）异常工况（B级准则）。异常工况主要评定扰动、紧急、事故工况下的最大工作压力和管道、介质质量、地震等载荷在管道上产生的应力总和，其不能超过许用应力，应力计算公式和评价准则如式（9）所示。

4）事故工况（D级准则）。事故工况时，若压应力很低，，则应满足式（10）。

式中：为最大压力，MPa；为最高设计温度下的许用应力，MPa；为永久性载荷作用下的弯矩，N·mm；为偶然机械载荷作用下的弯矩，N·mm；为限值系数，B级准则取1.2，紧急工况（C级准则）取1.8，事故工况（D级准则）取2.4。

5）锚固点位移应力。锚固点位移应力主要评定由非往复式锚固点位移（地基沉降等）等载荷在管道上产生的应力总和不能超过许用应力，根据RCC-M规范C3653节内容，应力计算公式和评价准则如式（11）。

式中：为由非往复式锚固点位移产生的弯矩，N·mm；为室温下的基本许用应力，MPa。

1.3 管道功能性设计要求

在事故工况下，管道不仅仅要满足压力边界完整性的要求，而且要保证一定的最低流速。对于一次应力的做法是：用C级准则的许用应力校验，保证其功能性的实现，即一次应力不超过1.8。对于二次应力，比如热膨胀和厂房位移，在管道设计标准中未给出在紧急和事故工况下保证管道完整性的评价准则，基于国外核电厂的经验，设定二次应力不超过3，以满足功能性要求。

2 工程实践

为了验证上述核电厂核岛管道壁厚减薄快速评定方法的可靠性，选取国内某核电厂核岛某管道，分别采用快速评定方法和SYSPIPE软件进行计算，并对比研究分析结果。

2.1 输入数据

某核电厂管道相关设计参数见表1，壁厚减薄后管道实际测量的参数见表2。管道外径、最大内压不变，仅管道壁厚发生改变。

表1 管道相关设计参数Tab.1 Design parameters of the pipe

2.2 最小壁厚校核

基于式（1）—（6）计算最小壁厚，结果见表2，直管段和弯管段的最小壁厚仍满足规范要求，安全裕量分别为2.40和1.09。

表2 壁厚减薄后管道参数Tab.2 Parameters after pipe wall thinning

2.3 管道完整性分析

分别采用管道壁厚减薄快速评定方法和SYSPIPE软件有限元分析方法对管道减薄后的应力和功能性进行评定。壁厚未发生减薄前，管道分析位置（服役中发生冲刷减薄点）的应力校核结果见表3，管道安全裕度最低有36%。

表3 管道未减薄前应力分析结果Tab.3 Stress results of the pipeline before wall-thinning

管道外径、内压不变，原壁厚为6.35 mm，减薄量为2.35 mm，壁厚减薄比例为37%，减薄点的应力计算结果见表4。快速评定方法获得的各个评价准则结果均偏保守，两种方法计算得到的应力比最大偏差为0.26。快速评定方法是基于较为安全的假设条件，因此计算得出的结果较安全。在正常工况下，采用快速评定方法计算得到的应力比为1.01，采用SYSPIPE软件有限元分析方法计算得到的应力比为0.75，两者计算偏差为0.26。

表4 管道减薄后应力分析结果Tab.4 Stress results of the pipeline after wall-thinning

2.4 管道功能性校核

事故工况下，未发生减薄前，分析位置管道功能性校核结果见表5，管道设计功能性具有较大的安全裕度。

表5 管道未减薄前分析点管道功能性校核结果Tab.5 Pipe functionality analysis before wall-thinning

壁厚减薄比例达0.37后，减薄点的管道功能性评定结果见表6。两种计算方法的应力比最大偏差是0.27，二次应力采用快速评定方法计算得到的应力比为1.03，采用SYSPIPE软件有限元分析方法计算得到的应力比为0.76，两种方法计算结果偏差为0.27。快速评定方法获得的结果仍是偏保守的。

表6 管道减薄后管道功能性评定结果Tab.6 Pipe functionality analysis after wall-thinning

3 结论

1）基于所提的3个分析假设，提出了管道完整性设计要求评定流程，主要包含最小壁厚计算、结构完整性评价、功能性评价这三个方面的内容。

2）快速评定方法是一种偏安全的计算方法，计算得出的应力比不小于SYSPIPE软件计算得出的应力比。在管道的功能性评定中，各公式下的计算应力比不小于SYSPIPE软件的计算应力比。

3）管道壁厚减薄快速评定方法是一种通用工程实践方法，并在国内多个核电机组得到工程实践应用，为电厂实际运行提供了一种快速、可靠的技术分析方法。