CN109443964B - 蒸汽发生器管束磨损评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蒸汽发生器老化评估技术领域，具体涉及一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，包括如下步骤：确定待评估传热管的基本信息；根据传热管设计准则和应力分析报告选择适用的验收准则；确定所述待评估传热管的磨损缺陷深度h和磨损缺陷长度L；对所述待评估传热管进行状态监测评估；本发明的评估方法可以对待评估传热管进行状态监测评估，状态监测的同时可验证上一检修周期结束后运行评估的预测结果，判断运行评估方法的有效性，为制定本次运行评估方法提供指导；本发明的评估方法对合理控制蒸汽发生器堵管率，保证蒸汽发生器换热效率，延长其服役寿命具有十分重要的价值。

Description

蒸汽发生器管束磨损评估方法

技术领域

本发明涉及蒸汽发生器老化评估技术领域，具体涉及一种蒸汽发生器管束磨损评估方法。

背景技术

蒸汽发生器是压水堆核电厂的核心主设备之一，主要作为热交换器设备将一回路冷却剂中的热量传递给二回路给水，产生饱和蒸汽供给二回路动力装置。管束由几千根传热管组成，是蒸汽发生器的最关键换热部件，同时作为一回路压力边界的重要组成部分(承压面积约占80％)也是防止放射性外泄的重要安全屏障。传热管在服役过程中会在支撑结构处发生磨损，当磨损深度达到一定程度时，传热管会进行堵管维修。因传热管磨损而进行堵管维修将导致蒸汽发生器换热效率降低。通常当堵管数达到管束总数10％时，蒸汽发生器将不能满足热力性能设计要求，需要更换。对蒸汽发生器管束进行老化评估，掌握蒸汽发生器管束磨损状态，可以合理控制堵管率，在确保电厂安全可靠运行的基础上，保证蒸汽发生器换热效率，延长其服役寿命。

当前我国电厂普遍采用最小允许壁厚为40％的堵管准则对蒸汽发生器管束进行老化管理，即当传热管磨损减薄量达到约40％壁厚时对传热管执行堵管维修，传热管退出服役。40％最小允许壁厚是二十世纪八十年代美国研究人员针对Inconel 600合金的传热管，在假设环向360°均匀减薄、考虑了当时技术条件下涡流检测不确定度、降质增长率和运行周期基础上乘以ASME规定的安全因子计算得出。上述堵管准则存在一定的问题：(1)我国核电机组在管束材料、蒸汽发生器设计规范及服役条件、涡流检测技术等与上述堵管准则的假设条件存在差别，因此上述堵管准则在我国核电机组的适用性有待于进一步研究和澄清；(2)上述堵管准则仅通过将当次大修的涡流检测结果与最小允许壁厚进行比较，没有评估下个运行周期内管束的磨损状态。

因此，有必要对蒸汽发生器管束磨损进行评估，并在此基础上建立一套蒸汽发生器管束磨损评估方法。

发明内容

本发明提供一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，该方法对合理控制蒸汽发生器堵管率，保证蒸汽发生器换热效率，延长其服役寿命具有十分重要的价值。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，包括如下步骤：

(1)确定待评估传热管的基本信息：包括壁厚t、外径D、屈服强度S_y和抗拉强度S_u；

(2)根据传热管设计准则和应力分析报告选择适用的验收准则，所述验收准则为：保证所述待评估传热管当前大修爆破压估算值P_B有m的概率不小于爆破压限值P_L，爆破压限值取3.0倍NOPD、1.4倍LAPD以及1.2倍PL+1.0倍ASL这三者中的最大值，其中，NOPD为正常运行工况下一二回路最大压差；LAPD为事故工况下一二回路最大压差；PL为一次复合载荷；ASL为轴向二次载荷；

(3)确定所述待评估传热管的磨损缺陷深度h和磨损缺陷长度L；

(4)对所述待评估传热管进行状态监测评估：根据步骤(1)和步骤(3)采集的数据计算所述待评估传热管当前大修爆破压估算值P_B，P_B为：

其中，

σ_y——屈服强度不确定度；

σ_u——抗拉强度不确定度；

σ_h——磨损缺陷深度不确定度；

σ_P——状态监测评估函数不确定度；

σ_y为核电厂完工报告中所有传热管试样屈服强度的标准差，σ_u为核电厂完工报告中所有传热管试样抗拉强度的标准差，σ_h根据检测设备从对应的检测设备不确定度手册中查询得到；σ_P为常数，数值为1.94；

Z₁，Z₂，Z₃，Z₄——随机数，由数值法、简化统计法或蒙特卡洛法确定；

将计算得到的P_B值与爆破压限值P_L进行比较。

进一步的，当P_B>P_L，则将P_B值与上一次大修运行评估爆破压估算值P_B1’值进行比较，若P_B1’-σ_B<P_B<P_B1’+σ_B，则可按照上一次大修的运行评估函数进行本次运行评估计算；反之需要修正上一次运行评估函数后再进行本次运行评估计算，其中，σ_B为本次大修P_B值和上一次大修P_B1’值之间的最大允许误差；

当P_B≤P_L，则所述待评估传热管的磨损状态不符合要求，且上一次大修时的运行评估不准确，需要修正上一次运行评估函数，并对该待评估传热管进行堵管处理。

进一步的，还包括步骤(5)对所述待评估传热管进行运行评估：

计算所述待评估传热管下一次大修爆破压估算值P_B’，P_B’为：

其中：

v——磨损速率；

ΔT——本次大修和下一次大修之间的有效满功率年；

当P_B’>P_L，所述待评估传热管可正常服役；反之所述待评估传热管不能满足服役要求的最小允许爆破压，需要对该待评估传热管进行维修处理

进一步的，步骤(5)中，所述待评估传热管磨损速率v通过以下方法得到：

(T1)计算每一次大修每一个磨损位置对应的V_t：

其中：

V_t——磨损速率的直接检测值；

h_n——本次大修磨损缺陷深度；

h_n-1——上一次大修磨损缺陷深度；

Δt——上一次大修和本次大修之间的有效满功率年；

(T2)将所有的V_t数据按升序排列，并赋予每个数据相应的秩序，以最小数据的秩序为1开始，以最大数据的秩序为N_T结尾，V_t负值设为0，对每一个V_t以及其对应的秩序使用中位秩公式计算出相应的中位秩比例：

(T3)做出V_t的分布，得到磨损速率v的保守分布；

(T4)取v保守分布中第m分位数对应的v值作为下一次大修周期内v的预测值。

进一步的，所述评估方法还包括步骤(6)依次计算所有需要评估的传热管，得到蒸汽发生器管束的磨损状态，确定需要进行维修处理的传热管。

进一步的，步骤(3)中，通过涡流检测或超声检测的方法测定传热管的磨损缺陷深度h。

进一步的，Z₁、Z₂、Z₃和Z₄通过蒙特卡洛法确定，包括如下步骤：

(S1)按照N(0,1)分布随机生成10⁶个Z₁，以相同的方法生成10⁶个Z₂、Z₃及Z₄；

(S2)将Z₁、Z₂、Z₃和Z₄代入公式(0-1)得到10⁶个对应的P_B值；

(S3)将所有的P_B值按降序排列，取排序在m×10⁶位置的数值作为P_B值。

进一步的，步骤(2)中，90％≤m≤99％。

采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的评估方法可以对待评估传热管进行状态监测评估，状态监测通过计算待评估传热管当前的磨损状态，同时验证上一检修周期结束后运行评估的预测结果，并根据验证结果判断运行评估方法的有效性，为制定本次运行评估方法提供指导；本发明的评估方法对合理控制蒸汽发生器堵管率，保证蒸汽发生器换热效率，延长其服役寿命具有十分重要的价值。

附图说明

附图1为本发明的蒸汽发生器管束磨损评估方法的步骤流程图；

附图2为本发明的蒸汽发生器管束磨损评估方法数据处理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，包括如下步骤：

(一)确定待评估传热管的基本信息

包括尺寸信息(如壁厚t、外径D等)、材料信息(如屈服强度S_y、抗拉强度S_u等)、几何结构(如支撑结构尺寸等)。

(二)确定验收准则

验收准则根据《RCC-M压水堆核岛机械设备设计和建造规则》中的传热管设计准则确定。待评估传热管爆破压估算值(P_B)需保证有一定的概率m不小于爆破压限值(P_L)，爆破压限值取3.0倍NOPD(正常运行工况下一二回路最大压差)、1.4倍LAPD(事故工况下一二回路最大压差)和1.2倍PL(一次复合载荷)+1.0倍ASL(轴向二次载荷)中的最大值。NOPD，LAPD和PL的具体数值在蒸汽发生器传热管的应力分析报告查得。本验收准则根据传热管的设计准则和传热管的应力分析报告得到，因此适用于本发明的传热管。

m的优选范围为：90％≤m≤99％，本实施例以m为95％加以说明。

(三)采集检测数据

采用适用的检测方法(如涡流检测、超声检测等)进行传热管数据采集，记录达到阈值的数据，计算得到磨损缺陷深度h。

(四)状态监测评估

根据采集的数据计算待评估传热管当前大修爆破压估算值P_B，P_B为：

其中，

P_B——传热管当前大修爆破压估算值，MPa；

S_y——传热管屈服强度，MPa；

S_u——传热管抗拉强度，MPa；

σ_y——传热管屈服强度不确定度，MPa；

σ_u——传热管抗拉强度不确定度，MPa；

t——传热管壁厚，mm；

D——传热管外径，mm；

L——磨损缺陷长度，mm；

h——磨损缺陷深度，％TW；

σ_h——磨损缺陷深度不确定度，％TW；

σ_P——状态监测评估函数不确定度，1.94Mpa；

σ_y为核电厂完工报告中所有传热管试样屈服强度的标准差，σ_u为核电厂完工报告中所有传热管试样抗拉强度的标准差，σ_h根据检测设备从对应的检测设备不确定度手册中查询得到。

由于传热管通过支撑结构固定，支撑结构为框架式结构，传热管的磨损缺陷是在服役过程中与支撑结构发生磨损产生的。基于当前国内电厂传热管的检测报告中只报告磨损缺陷深度，未有磨损缺陷长度，本发明在计算时将磨损缺陷长度L假设为支撑结构的厚度，这样可以方便计算，并且出于业界共识，磨损缺陷长度通常小于支撑结构的厚度，因而将磨损缺陷长度假设为支撑结构的厚度可以作为一种保守的假设。

Z₁，Z₂，Z₃，Z₄——随机数，由数值法、简化统计法或蒙特卡洛法确定。

当采用数值法时，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄均取值为1.645，代入公式(1-1)得到P_B值。

当采用简化统计法时，处理方法如下：

(Q1)Z₁、Z₂、Z₃和Z₄均取值为0，代入公式(1-1)得到P₀；

(Q2)Z₁取值1.645，Z₂、Z₃和Z₄均取值为0，代入公式(1-1)得到P₁；

(Q3)Z₂取值1.645，Z₁、Z₃和Z₄均取值为0，代入公式(1-1)得到P₂；

(Q4)Z₃取值1.645，Z₁、Z₂和Z₄均取值为0，代入公式(1-1)得到P₃；

(Q5)Z₄取值1.645，Z₁、Z₂和Z₃均取值为0，代入公式(1-1)得到P₄；

(Q6)按下式计算得到P_B值：

当采用蒙特卡洛法时，处理方法如下：

(S1)按照N(0,1)分布随机生成10⁶个Z₁，以相同的方法生成10⁶个Z₂、Z₃及Z₄；

(S2)将Z₁、Z₂、Z₃和Z₄代入公式(0-1)得到10⁶个对应的P_B值；

(S3)将所有的P_B值按降序排列，取排序在9.5×10⁵位置的数值作为P_B值。

本例优选采用蒙特卡洛法确定Z₁、Z₂、Z₃和Z₄值，可以得到每个参数的分布，将这些分布代入状态监测函数，得到P_B值的分布，从而按照验收准则要求的概率对P_B值进行取值。该方法使用了统计分布的概念，计算结果更加科学。

将P_B值与P_L值进行比较，根据所选用的验收准则，P_B>P_L是验收准则的要求，用于评估管束当前的磨损状态。

当P_B>P_L，则将P_B值与上一次大修运行评估爆破压估算值P_B1’值进行比较：若P_B1’-σ_B<P_B<P_B1’+σ_B，则可以按照上一次大修的运行评估函数进行本次运行评估计算；反之需要修正上一次运行评估函数后再进行本次运行评估计算，其中，σ_B为本次大修P_B值和上一次大修P_B1’值之间的最大允许误差，即本次大修P_B值应在一定范围内，才可证明上次大修时运行评估结果准确，其具体数值参考历史计算结果确定

当P_B≤P_L，说明磨损状态不符合要求，但在上一次运行评估中预测的本次大修P_B>P_L成立的(不成立的传热管会进行堵管处理)，预测值与实际值不一致，即证明上一次运行评估不准确。需要修正上一次运行评估函数，并对该待评估传热管进行堵管处理。

(五)运行评估

计算所评估传热管下一次大修爆破压估算值P_B’，P_B’为：

式中：P_B’——传热管下次大修爆破压估算值，MPa；

v——传热管磨损速率；

ΔT——本次大修和下一次大修之间的有效满功率年；

上述待评估传热管磨损速率v通过以下方法得到：

(T1)计算每一次大修每一个磨损位置对应的V_t：

其中：

V_t——磨损速率的直接检测值；

h_n——本次大修磨损缺陷深度；

h_n-1——上一次大修磨损缺陷深度；

Δt——上一次大修和本次大修之间的有效满功率年；

(T2)将所有的V_t数据按升序排列，并赋予每个数据相应的秩序，以最小数据的秩序为1开始，以最大数据的秩序为N_T结尾，V_t负值设为0，对每一个V_t以及其对应的秩序使用中位秩公式计算出相应的中位秩比例：

(T3)做出V_t的分布，得到磨损速率v的保守分布；

(T4)取v保守分布中第m分位数对应的v值作为下一次大修周期内v的预测值。

如果P_B’>P_L，该传热管可以正常服役；反之说明传热管不能满足服役要求的最小允许爆破压，需要对该传热管进行维修处理(如堵管、衬管等)。

本发明的公式(1-1)和公式(1-3)中，分别单独计算S_y、S_u、h以及状态监测评估函数的不确定度，可以让爆破压估算值更接近实际值；并且公式(1-1)和公式(1-3)中的单位全部转化为MPa，更符合国内电厂习惯。

(六)输出评估结果，得到蒸汽发生器管束的磨损状态

依次计算所有需要评估的传热管，得到蒸汽发生器管束的磨损状态，确定需要进行维修处理的传热管。

以下为某一具体实施例：

1.传热管基本信息：

a)尺寸信息：壁厚1mm，外径19mm；

b)材料信息：屈服强度S_y：250MPa，抗拉强度S_u：650MPa；

c)几何结构：支撑结构厚度8mm；

d)运行参数：本次大修和上次大修之间的有效满功率年：3EFPY，NOPD＝11MPa，LAPD＝17MPa，PL＝18MPa，ASL＝8MPa；

e)相关不确定度：屈服强度不确定度σ_y15MPa，抗拉强度不确定度σ_u25MPa，磨损缺陷深度不确定度σ_h 3％TW，函数不确定度σ_P，1.94MPa；

2.验收准则：

a)P_L＝Max(3NOPD，1.4LAPD，1.2PL+1.0ASL)＝33MPa

3.检测数据采集：

a)本实施例采用涡流检测进行传热管数据采集。

4.状态监测评估

a)将相关参数代入式(1-1)，采用蒙特卡洛法处理不确定度，得到当前大修传热管的爆破压估计值P_B＝45.45MPa。

b)P_B＝45.45MPa>P_L＝33MPa，上一次运行评估该传热管爆破压估计值P_B1’＝43.35MPa，σ_B取10MPa，可得P_B1’-σ_B<P_B<P_B1’+σ_B，说明上次大修时运行评估结果准确，可以按照上次大修的运行评估函数进行本次运行评估计算。

5.运行评估

a)将相关参数代入式(1-3)，采用蒙特卡洛法处理不确定度，得到下次大修传热管的爆破压估计值P_B’＝43.25MPa。

b)P_B’＝43.25MPa>P_L＝33MPa，说明该传热管可以正常服役。

本发明的评估方法对合理控制蒸汽发生器堵管率，保证蒸汽发生器换热效率，延长其服役寿命具有十分重要的价值。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定待评估传热管的基本信息：包括壁厚t、外径D、屈服强度S_y和抗拉强度S_u；

(2)根据传热管设计准则和应力分析报告选择适用的验收准则，所述验收准则为：保证所述待评估传热管当前大修爆破压估算值P_B有m的概率不小于爆破压限值P_L，爆破压限值取3.0倍NOPD、1.4倍LAPD以及1.2倍PL+1.0倍ASL这三者中的最大值，其中，NOPD为正常运行工况下一二回路最大压差；LAPD为事故工况下一二回路最大压差；PL为一次复合载荷；ASL为轴向二次载荷；

(3)确定所述待评估传热管的磨损缺陷深度h和磨损缺陷长度L；

(4)对所述待评估传热管进行状态监测评估：根据步骤(1)和步骤(3)采集的数据计算所述待评估传热管当前大修爆破压估算值P_B，P_B为：

其中，

σ_y——屈服强度不确定度，为核电厂完工报告中所有传热管试样屈服强度的标准差；

σ_u——抗拉强度不确定度，为核电厂完工报告中所有传热管试样抗拉强度的标准差；

σ_h——磨损缺陷深度不确定度，根据检测设备从对应的检测设备不确定度手册中查询得到；

σ_P——状态监测评估函数不确定度，为常数，数值为1.94；

Z₁，Z₂，Z₃，Z₄——随机数，由数值法、简化统计法或蒙特卡洛法确定；

将计算得到的P_B值与爆破压限值P_L进行比较。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，其特征在于：

当P_B>P_L，则将P_B值与上一次大修运行评估爆破压估算值P_B1’值进行比较，若P_B1’-σ_B<P_B<P_B1’+σ_B，则可按照上一次大修的运行评估函数进行本次运行评估计算；反之需要修正上一次运行评估函数后再进行本次运行评估计算，其中，σ_B为本次大修P_B值和上一次大修P_B1’值之间的最大允许误差；

当P_B≤P_L，则所述待评估传热管的磨损状态不符合要求，且上一次大修时的运行评估不准确，需要修正上一次运行评估函数，并对该待评估传热管进行堵管处理。

3.根据权利要求2所述的一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，其特征在于，还包括步骤(5)对所述待评估传热管进行运行评估：

计算所述待评估传热管下一次大修爆破压估算值P_B’，P_B’为：

其中：

v——磨损速率；

ΔT——本次大修和下一次大修之间的有效满功率年；

当P_B’>P_L，所述待评估传热管可正常服役；反之所述待评估传热管不能满足服役要求的最小允许爆破压，需要对该待评估传热管进行维修处理。

4.根据权利要求3所述的一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，其特征在于：步骤(5)中，所述待评估传热管磨损速率v通过以下方法得到：

(T1)计算每一次大修每一个磨损位置对应的V_t：

其中：

V_t——磨损速率的直接检测值；

h_n——本次大修磨损缺陷深度；

h_n-1——上一次大修磨损缺陷深度；

Δt——上一次大修和本次大修之间的有效满功率年；

(T2)将所有的V_t数据按升序排列，并赋予每个数据相应的秩序，以最小数据的秩序为1开始，以最大数据的秩序为N_T结尾，V_t为负值时，设为0，对每一个V_t以及其对应的秩序使用中位秩公式计算出相应的中位秩比例：

(T3)做出V_t的分布，得到磨损速率v的保守分布；

(T4)取v保守分布中第m分位数对应的v值作为下一次大修周期内v的预测值。

5.根据权利要求4所述的一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，其特征在于：所述评估方法还包括步骤(6)依次计算所有需要评估的传热管，得到蒸汽发生器管束的磨损状态，确定需要进行维修处理的传热管。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，其特征在于：步骤(3)中，通过涡流检测或超声检测的方法测定传热管的磨损缺陷深度h。

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，其特征在于：Z₁、Z₂、Z₃和Z₄通过蒙特卡洛法确定，包括如下步骤：

(S1)按照N(0,1)分布随机生成10⁶个Z₁，以相同的方法生成10⁶个Z₂、Z₃及Z₄；

(S2)将Z₁、Z₂、Z₃和Z₄代入公式(0-1)得到10⁶个对应的P_B值；

(S3)将所有的P_B值按降序排列，取排序在m×10⁶位置的数值作为P_B值。

8.根据权利要求1所述的一种蒸汽发生器管束磨损评估方法，其特征在于：步骤(2)中，90％≤m≤99％。

Images