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ASME和RSE-M兩大規范對核電設備役前及在役檢查中缺陷分析方法的比較

2021-05-25 09:47:04

ASME和RSE-M兩大規范對核電設備役前及在役檢查中缺陷分析方法的比較

在核電廠設備役前和在役檢查時,對核級焊縫中檢測出的缺陷需按照相關規范要求進行嚴格的分析評價,以保障核電機組的安全運行。

目前,國內核電機組的役前和在役檢查主要按照美國機械工程師協會頒布的《鍋爐及壓力容器規范》第Ⅺ卷《核電廠部件在役檢查規則》(以下簡稱ASME規范第Ⅺ卷)或法國的《壓水堆核島機械設備在役檢查規則》(以下簡稱RSE-M規范)的要求執行,這兩部規范中對缺陷的處理流程和方法均有明確的規定。那么,兩者又有哪些區別呢?讓我們來比較一下!

缺陷處理流程

在核電廠核級焊縫的役前和在役檢查中,無損檢測發現的顯示信號經過一系列的判定、比較、分析和評價,以判斷其是否滿足規范的要求以及應該采取何種手段處理缺陷。缺陷處理流程圖如下:

1 顯示記錄

ASME和RSE-M規范的顯示記錄原則相似,均是依據不同的檢測方法和檢測對象,分別作出規定的。

超聲、渦流等檢測方法一般是以顯示信號的回波幅值大小作為顯示是否記錄的依據;射線、滲透、目視、磁粉等檢測方法一般是以顯示信號的表征大小,如長度、直徑等作為是否記錄的依據。

顯示記錄后首先需判斷是否為相關顯示,非相關顯示不需要進一步分析,如超聲檢測中由于復雜的結構或噪聲引起的偽缺陷。只有達到記錄標準的相關顯示才被定義為缺陷,兩個規范間的顯示記錄要求對比如下:

超聲

檢測

ASME:

不小于50%DAC的幾何結構顯示

不小于20%DAC的不確定性質的顯示

RSE-M:

核Ⅰ級:不小于25%DAC的缺陷顯示

核Ⅱ級:不小于50%DAC的缺陷顯示

射線

檢測

ASME:

所有缺陷顯示均記錄

RSE-M:

不小于4 mm的氣孔

不小于5 mm的夾渣

滲透

磁粉

ASME:

大于1.5 mm的缺陷顯示

RSE-M:

大于2 mm的缺陷顯示

2 缺陷定性

在ASME規范第Ⅺ卷中,缺陷特征化處理時采用了保守的假定,即假定所有檢測出的缺陷均為平面型或線形缺陷。這樣,裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合、分層以及這些缺陷以任意組合形式等出現時,就可以用最少的標準來進行評定。

此外,為了簡化缺陷分析,規范把所有形狀不規則的缺陷都簡化成理想的簡單幾何形狀來處理。這樣不僅簡化了有關缺陷的標準,也便于斷裂力學原理的應用。

在RSE-M規范中,依據檢測方法的不同,對缺陷定性也分別不同。

滲透檢測分為圓形顯示和線形顯示,其中線形顯示被認為是危險缺陷。

射線檢測一般以在底片中缺陷顯示呈現的在焊縫中的位置和缺陷特征判斷缺陷性質,分為圓形顯示、線形顯示、裂紋、未熔合和未焊透等。

手動超聲檢測一般通過缺陷回波特征(EN-1713《焊縫無損檢測》焊縫中缺陷的特征)對平面狀或非平面狀內部顯示缺陷進行分類。

自動超聲檢測一般通過B掃或D掃中的缺陷特征和端點衍射信號來判斷缺陷性質,并將缺陷分為體積型顯示和平面型顯示,平面型顯示被認為是危險缺陷。

3 缺陷定量

缺陷定量,即缺陷大小和數量的測量。缺陷大小主要包括缺陷的長度、高度、面積等。不同類型的缺陷需要測量出缺陷不同的信息。役前和在役檢查中,缺陷大小是判斷其是否可以接受的主要依據。

4 缺陷驗收

缺陷驗收主要是指根據檢測得出的缺陷性質以及測量的缺陷尺寸,與規范中規定的驗收準則(一般以表格的形式)進行比照,確定缺陷是否可以接受的過程。對于役前和在役檢查中的一些平面型缺陷或者假設為平面型的缺陷,在缺陷驗收表格對比前還需經過尺寸歸一化處理、相關性分析等流程。 

(1)驗收準則

ASME規范中規定役前及在役檢查期間,如果探測到的缺陷滿足ASME規范第III卷的無損檢測驗收標準(部件制造中的驗收標準),并在質量保證記錄中備有證明文件,或探測到的缺陷滿足ASME規范第Ⅺ卷的驗收標準,則受檢部件可以驗收。

在役檢查期間,如果探測到的缺陷超過ASME規范第Ⅺ卷的驗收標準,但按照ASME的要求進行的分析評定滿足其驗收準則,則該受檢部件仍可以驗收。

其中ASME規范第Ⅺ卷驗收標準將缺陷分為平面型、分層(可認為是平面型缺陷的一種類型)和線形缺陷,根據受檢對象的核級別和材料不同,分別針對每一類缺陷規定了驗收表格進行評定驗收,在缺陷歸一化處理后依據受檢對象的厚度決定所允許缺陷的大小。

RSE-M規范中規定役前檢查期間,如果探測到的缺陷滿足法國《核島機械設備在役檢查規則》(以下簡稱RCC-M規范)驗收標準(部件制造中的驗收標準),則受檢部件可以驗收。

在役檢查期間,如果探測到的缺陷滿足RCC-M規范的驗收標準,或者滿足RSE-M附錄5.2的驗收標準,亦或按照要求經分析評價,安全裕度滿足要求(缺陷經分析評價后在核電廠的整個運行壽期,不會因缺陷尺寸擴展或其他原因對核電站的安全運行造成影響),則該部件可以驗收。

在RSE-M規范中僅對平面型缺陷規定了專門驗收標準,對于其他類型缺陷一般引用RCC-M規范中的規定。 

(2)平面型缺陷的歸一化尺寸

所謂的歸一化尺寸,即按照一定的換算準則將所測缺陷尺寸進行處理,便于按照統一的原則對缺陷的形狀進行定量描述。ASME規范和RSE-M規范的驗收標準均規定了平面型缺陷的尺寸歸一化處理的方法。 

(3)缺陷相關性分析

考慮到相鄰的缺陷可能會發生擴展而連接在一起,規范對于相鄰缺陷規定了相關性判斷原則,對于相關的兩個或多個缺陷應合并為一個缺陷。并以合并后的尺寸來評價缺陷是否可以接受。ASME規范和RSE-M規范在判斷相鄰缺陷是否相關的整體思路上基本一致,僅在評價指標上存在一些差異。相鄰缺陷是否相關取決于每個缺陷尺寸位置歸一化尺寸(如長度或高度)以及缺陷間的距離。

缺陷處理的主要區別

1

RSE-M規范在役前階段要求采用檢測手段進行缺陷定性(如平面型或體積型,圓形或線形);

ASME規范則保守認為所有役前和役中發現的缺陷均為平面型或線形等危害性缺陷。

2

RSE-M規范在役檢查中跟蹤的缺陷需和此前該缺陷的檢測結果進行對比,并判定缺陷是否發生顯著變化;ASME無此要求。

3

RSE-M規范的缺陷驗收表無法適用于所有尺寸(長高比)的缺陷;ASME可以對任意尺寸缺陷的可接受性進行判定。

4

RSE-M的驗收標準、相鄰缺陷的合并原則等,是根據設備功能(如壓力容器、穩壓器或蒸汽發生器等)的不同分別規定的;

ASME的驗收標準依據設備的尺寸、運行工況等(如焊縫厚度、應力因子等)的不同分別規定。

5

ASME規范對役前和在役檢查中可能出現的所有缺陷均單獨規定了驗收準則;

RSE-M規范僅規定了平面型缺陷的驗收準則,其他類型缺陷的驗收準則均需引用RCC-M規范的相關要求。

實例分析

某電廠實施在役檢查,該廠穩壓器筒體與筒底封頭連接焊縫厚度為84 mm,內表面堆焊有7 mm的不銹鋼耐腐蝕層。

某次在役檢查中,按照規范要求對該焊縫從外表面實施超聲檢測,檢測中發現了兩處相鄰的周向缺陷顯示D04和D05,該焊縫上的具體缺陷信息見下表:

分別依據RSE-M和ASME對其進行分析評價。缺陷尺寸示意如下圖所示:

依據ASME規范第Ⅺ卷分析 

(1)缺陷顯示復合性

D04和D05缺陷距焊縫中心線的距離為14~15 mm,間距S小于13 mm,可認為兩個缺陷為共面的平面缺陷。兩個缺陷的間距S為4.5 mm,大于4 mm,因此為獨立的兩個缺陷顯示。

(2)缺陷驗收分析

D04的形狀比(缺陷歸一化高度和長度的比值)a/l=2/21.5=0.093,缺陷與表面接近因子Y=19.8/2,大于1,取Y=1,下表為ASME規范穩壓器缺陷顯示驗收準則(節選):

使用線性差值法計算出壁厚為84 mm時,形狀比為0.093的缺陷允許的a/t值為3.27%,即a不得大于2.75 mm。因此,缺陷D04可以接受。同理可得缺陷D05也可以接受。

依據RSE-M規范分析

 (1)缺陷顯示的幾何包絡尺寸分析

D04和D05缺陷距焊縫中心線的距離范圍為14~15 mm,應按照共面缺陷的互不相關性條件進行分析。

對于D04和D05缺陷顯示,其最近端點的距離為4.5 mm。對D04和D05分別建立相互關聯矩形,缺陷顯示關聯示意如下圖所示:

這兩個相互關聯矩形相交(d=2.4 mm,重合距離為0.3 mm),因此這兩個缺陷顯示相關。依據RSE-M標準,這兩個缺陷顯示應合并為一個缺陷進行分析。

 (2)缺陷驗收分析

D04和D05合并后缺陷顯示的高度h=9 mm,長度l=47.5 mm,缺陷顯示A/L=0.19(A為缺陷歸一化高度,L為缺陷歸一化長度),使用缺陷驗收表可知,允許的缺陷高度H′m=8.4 mm,D04和D05合并后缺陷顯示高度為9 mm,不滿足RSE-M規范附錄5.2中缺陷驗收標準,不可以接受,RSE-M規范穩壓器顯示缺陷驗收標準如下表所示(Hi 為內側表面缺陷自身高度允許值;He 為外側表面缺陷自身高度允許值;H′m 為埋藏缺陷自身高度允許值):

缺陷顯示合并后示意如下圖所示:

由分析結果可知,分別依據ASME和RSE-M規范對同一大小的缺陷進行驗收分析時,由于所采用規范的判定依據不同,其驗收結果也不同。役前和在役檢查中發現缺陷時,均應根據規范要求進行合理分析,保證核電設備的安全運行。

結論

ASME規范和RSE-M規范均對役前和在役檢查中發現的缺陷顯示的處理流程和驗收要求做出了明確規定。

由于規范體系不同,兩個規范相關缺陷處理驗收要求有所差異,但總體來說兩個規范均是本著保守原則對缺陷進行分析處理的,且主要是針對可擴展的危害性缺陷。

通常來說,采用某一規范體系設計的核電機組,應按照該系列規范中規定的缺陷處理流程和驗收準則來處理缺陷,避免規范混用。

本文作者:葛亮,工程師,在核動力運行研究所主要從事無損檢測技術研究和工程應用工作。


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