张 维，王东辉，夏炜铭，李邱达，郑 会

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300；2.国核电站运行服务技术有限公司,上海 200233）

0 引言

腐蚀是引起核电厂常规岛管道破坏的主要原因之一。管道发生腐蚀后引起管壁局部减薄，使管道强度降低并产生应力集中，严重时造成管壁穿孔或破坏等泄漏事故。根据运行经验，随着管道运行时间的增加，管道内壁腐蚀穿孔导致的泄漏问题会越来越严重，已引起国内外核电厂的重视。本文通过分析压力管道减薄缺陷评价方法的理论基础，对比主流评价方法的不同，综合考虑各评价方法的特点，总结出常规岛管道腐蚀缺陷的快速评价方法。

1 管道评价理论

含缺陷管道在内压以及其他载荷作用下，根据作用载荷的大小，先后经历弹性变性、塑形变性以至达到强度极限，局部出现失稳，最后破裂失效。目前工程中使用较多的ASME B31G 规范[1]采用管道极限载荷方法进行计算，API579[2]同样采用强度评估方法评估壁厚减薄。不同的是，ASME B31G 主要从缺陷的轴向长度做评价，而API 579 不仅考虑缺陷轴向，对周向长度和缺陷深度也进行评价。从本质上来说，两规范的评价均要求计算应力小于许用应力。除以上两规范外，ASME 规范案例N-513[3]也允许采用接管补强方法评价非平面贯穿缺陷。接管补强方法的原理和适用性如下：

按照ASME 锅炉及压力容器规范第III 卷核设施部件建造规则NB 分卷中给出的接管补强要求，对于垂直主管的支管，受内压管件在任何给定平面内所需要的补强总截面积A：

其中，d 为无腐蚀裕量下的最终开孔直径，tr为无腐蚀裕量下的主管最小壁厚。此外，所要求补强的2/3 应在范围内。其中，r 为无腐蚀裕量下的最终开孔半径，Rm为主管的平均半径，Tr为不包括腐蚀裕量或制造公差的主管名义壁厚。

以上是核级管道的接管补强应满足的要求。与核级管道相比，常规岛管道在抗腐蚀、探伤和强度方面的要求更低，但管道设计理论和基础是一致的。对比ASME III、B31.1 及国内汽水管道设计规范，各规范中对设计压力所要求的最小壁厚计算公式见表1。

表1 最小管道壁厚计算公式对比

由上述分析可知，对核岛和常规岛而言，管道最小壁厚计算公式是一致的，ASME III 中补强要求可以用于常规岛管道。考虑国内汽水管道设计计算公式中修正系数的取值，对于温度低于482 ℃的管道，上述公式均适用。

2 管道减薄评价方法

2.1 接管补强评价方法

采用接管补强方法评价非平面减薄缺陷时，可将金属损失区域视为管道开孔，参考上文给出的补强要求，可对减薄区域进行评价。接管补强规则在管道减薄评价中的使用方法如图1 所示。

图1 局部减薄补强面积示意

接管补强主要考虑补强材料的体积量以及补强材料与开孔的相对位置，采用接管补强评价方法时，仅需知道管道的压力载荷。对于减薄量超出管道最小设计壁厚的情况，超出区域的面积可保守计算为：

按照补强原则，需要在减薄区域周围均匀分布足够的管道材料做为补充。补足区域面积可以计算为：

按照补强原则，要求补足材料应足够接近减薄区域，需满足：

取式（1）和式（2）相等，并用taloc替代式中tmeas，可得：

将式（3）代入式（4）可得：

除满足上述准则外，还需考虑小于管道最小设计壁厚tmin的剩余区域金属材料的完整性。假设剩余区域是直径为Lm的环形平板，考虑周围补强区域足够承受管道的轴向和环向应力，对平板的主要载荷仅是管道的压力，同时考虑平板所受的应力为弯曲应力，因此取应力限值为1.5 倍的规范许用应力。

假设整个管道的环向应力和平板处的应力分别等于各自的允许值，得到：

用taloc替代tmeas，得到局部允许壁厚需满足：

取式（5）和式（7）两者计算中的较大值作为局部减薄区的许用壁厚taloc。

另外，考虑补强的有效范围，还需满足壁厚小于tmin的减薄区域长度Lm不大于，即同时还需满足：

通过上述分析可知，基于接管补强原则的管道减薄评估方法依赖管道名义壁厚tnom和整个减薄区域的范围L，该方法适用于管道轴向和周向均发生减薄，且管道名义壁厚tnom明显大于管道最小设计壁厚tmin的情况。如果管道名义壁厚等于最小设计壁厚，在该评估原则下，不允许发生局部减薄。

2.2 API 579 评估方法

API 579-1/ASME FFS-1 是评估非安全相关管道壁厚减薄的首要选择。其中，一级评价方法适用于运行温度低于149 ℃的管道，对于超出该温度范围的管道，可以采用二级评价方法。

首先根据金属损失大小，按升序排列各测量壁厚值，评价的起始点设为最大金属损失位置（点壁厚读数最小处）。在评价起点处，将壁厚横截面分为一系列子域，如图2 所示。，同时计算该子域缺陷的参量λ、鼓胀系数Mt，以及剩余强度系数RSF。每个截面分别计算，得到最小RSF，与许用RSFa相比，如果RSF≥RSFa，含缺陷管道可以在允许工作压力下运行。如RSF＜RSFa，但允许工作压力与剩余强度系数的比值大于等于运行压力，则可以在现有运行压力下运行。该评估方法同样适用于管道轴向和周向均发生减薄的情况。

图2 确定剩余强度系数RSF 时缺陷子域划分示意

3 管道评估应用示例

选取常规岛某系统管道开展分析比较，管道材料20 号钢，管道外径325 mm，名义壁厚tnom=8 mm，管道设计温度243 ℃，设计压力3.469 MPa。查设计规范得到设计温度下管道许用应力Sm=125 MPa，管道最小屈服强度157 MPa。

管道壁厚测量数据见表2。由测厚数据得到最小测量壁厚taloc=3.5 mm，减薄区域轴向范围240 mm，周向范围180 mm。

表2 管道壁厚测量数据 mm

3.1 基于补强的评估方法

不考虑管道附加厚度，计算得到管道最小设计壁厚tmin=6.46 mm，小于最小设计壁厚的轴向减薄范围Lm=80 mm，管道平均半径R=158.5 mm。

根据式（5）和式（7），得到局部减薄区的许用壁厚taloc=5.71 mm。对照测厚数据中的最小测量壁厚4.5 mm，即采用该评估方法得出：减薄管道无法继续运行。

3.2 基于API 579 的评估

采用API 579 二级评估方法，将管道减薄区域分为3 个子域分别分析。计算得到最小剩余强度RSFmin=0.83，未减薄管道最大允许工作压力MAWP=6.9 MPa，允许工作压力与剩余强度系数的比值=6.4 MPa，大于管道设计压力。因此，减薄缺陷管道可以继续使用。

3.3 有限元分析

有限元分析是预测不同类型载荷失效的一种有效而现实的方法。有限元分析可以有效预测结构失效，例如在内部压力下的腐蚀区域的爆管，或在外部施加力矩下的塑形不稳定。

考虑设计内压p=3.469 MPa 的情况下，减薄区域处最大Mises应力141.7 MPa，小于运行温度下材料最小屈服强度157 MPa。基于弹性极限准则，认为当腐蚀区的Mises 应力不超过管材屈服强度时，管道处于安全状态（图3～图4）。

图3 管道分析模型及约束

图4 含减薄缺陷管道有限元分析结果

4 结论

通过本文分析比较可以得出，基于补强的评价方法计算简单，但保守度高，可用于管道减薄缺陷的快速评定。API 579 二级评价方法考虑了腐蚀缺陷的轮廓对评估结果的影响，保守程度相对低，可用作管道的详细评价。此外，同有限元建模及分析流程的复杂性相比，基于接管补强的评价方法和API 579 二级评价方法可实现数字化分析，提高管道评估的便捷性。

因此，在检测到管道壁厚小于设计最小壁厚时，可首先采用基于补强的评价方法快速评定，如评定结果不合格，则采用API 579 二级评价方法，更好地为核电运行维护提供支持。