2023核电厂常规岛设备老化状态和寿命评估技术导则

前言 II1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 14设备的老化 45老化状态与寿命评估一般流程 56老化状态和寿命评估验收标准 77评估报告 11附录A（资料性附录）常规岛机械设备在其它环境下的老化机理 12核电厂常规岛设备老化状态和寿命评估技术导则范围本标准给出了评估核电厂常规岛非能动机械设备老化状态和寿命评估的指南。本标准适用于核电厂常规岛非能动机械设备老化状态和寿命评估工作。术语和定义下列术语和定义适用于本文件。非能动设备passiveequipment不依靠触发、机械运动或动力源等外部输入执行功能的设备。[IAEA安全术语-2007]老化ageing设备的特征随时间或使用而逐渐变化的一般过程。[IAEA安全术语-2007]老化效应ageingeffects由老化导致的设备特征（如状态指标）的净变化量。[IAEANS-G-2.12-2009]状态指标conditionindicator（CI）设备所具有的可被观察、测量或显示趋势的特征，可用于推断或直接表明该设备当前和未来在验收标准范围内运行的能力。[IAEA安全术语-2007]验收标准acceptancecriteria用于评定设备执行其设计功能能力的状态指标的规定数值范围。[IAEA安全术语-2007]评估assessment对与源和实践有关的危害以及对相关防护和安全措施进行系统分析和评价的过程和结果。[IAEA安全术语-2007]腐蚀corrosion金属与环境间的物理-化学相互作用，其结果使金属的性能发生变化，并常可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤。[GB/T10123-2001定义2.1]全面腐蚀generalcorrosion暴露于腐蚀环境中的整个金属表面上进行的腐蚀。[GB/T10123-2001定义3.9]局部腐蚀localizedcorrosion暴露于腐蚀环境中，金属表面某些区域的优先集中腐蚀。[GB/T10123-2001定义3.10]电偶腐蚀galvaniccorrosion（GC）由于腐蚀电池的作用而产生的腐蚀。[GB/T10123-2001定义3.12]微生物腐蚀microbialcorrosion（MC）与腐蚀体系中存在的微生物作用有关的腐蚀。[GB/T10123-2001定义3.7]点蚀pittingcorrosion（PC）产生于金属表面向内部扩展的点坑，即空穴的局部腐蚀。[GB/T10123-2001定义3.17]缝隙腐蚀crevicecorrosion（CC）由于金属表面与其它金属或非金属表面形成狭缝或间隙，在狭缝内或近旁发生的局部腐蚀。[GB/T10123-2001定义3.18]选择性腐蚀selectivecorrosion（SC）某些组分不按其在合金中所占的比例优先溶解到介质中区所发生的腐蚀。[GB/T10123-2001定义3.21]应力腐蚀stresscorrosion由残余或外加应力和腐蚀联合作用导致的腐蚀损伤。[GB/T10123-2001定义3.34]应力腐蚀破裂stresscorrosioncracking（SCC）由应力腐蚀所引起的破裂。[GB/T10123-2001定义3.35]流体加速腐蚀flow-acceleratedcorrosion（FAC）由于单相液流或气液双相流体将碳钢或者低合金钢表面的保护性氧化膜溶解，而造成氧化膜减薄并引起碳钢或低合金钢腐蚀速率增大的现象。疲劳fatigue金属材料在交变应力或应变作用下产生裂纹或失效，材料性能的变化过程。[GB/T10123-2001定义4.1]缺陷defect尺寸、形状、取向、位置或性质不满足规定的验收准则而拒收的一个或多个伤。[GB/T20737-2006定义2.6]表面缺陷surfaceimperfection（SIM）在加工、储存或使用期间，非故意或偶然生成的实际表面的单元体、成组的单元体、不规则体。[GB/T15757-2002定义2.4]设备的老化老化概述常规岛非能动机械设备常用金属材料有碳钢、合金钢、不锈钢，有一些设备还采用铝合金、铜合金、镍合金、铸铁等。常规岛非能动机械设备运行温度低于300℃，低于常用金属材料的蠕变温度，不考虑蠕变问题。常规岛非能动机械设备不会受到核辐照，不考虑辐照对材料的老化影响。常规岛宜采用全挥发水处理模式调节水的还原性，以降低金属材料的腐蚀速率。常规岛非能动机械设备内的介质主要是蒸汽、水（包括给水、凝结水等），部分非能动机械设备内的介质是润滑油，部分非能动机械设备埋在土壤（或混凝土）中。有些情况下，还需要考虑空气环境对材料老化的影响。老化机理蒸汽、水环境中常见的老化机理主要有腐蚀和疲劳，见表1和表2。空气环境、润滑油环境、土壤（或混凝土）环境中常见的老化机理参见附录A。核电厂常规岛非能动机械设备常见老化机理（蒸汽环境）材料老化机理整体腐蚀PC、CCSCCFAC疲劳管道部件镍合金√不锈钢√√碳钢、合金钢√√√1√注1：湿蒸汽环境关注。核电厂常规岛非能动机械设备常见老化机理（水环境）材料老化机理整体腐蚀PC、CCSCCFACSCGCMC疲劳积垢管道部件铝合金√铜合金√4√√1√√4灰铸铁√不锈钢√√2√4√4碳钢、合金钢√√√5√4√4√5热交换器部件（含传热管）铜合金√3不锈钢√4√√2√4√3碳钢、合金钢√√√5√√4√3表2核电厂常规岛非能动机械设备常见老化机理（水环境）（续）材料老化机理整体腐蚀PC、CCSCCFACSCGCMC疲劳积垢罐子不锈钢√√2碳钢、合金钢√√注1：当Zn>15%或者Al>8%时需要关注；注2：当介质温度>60℃时需要关注；注3：传热管需要关注；注4：生水环境需要关注；注5：给水、凝结水环境中需要关注。老化效应金属部件材料老化导致的老化效应、状态指标（举例）见表3。老化机理、老化效应、状态指标老化机理老化效应状态指标（示例）整体腐蚀材料损失壁厚PC、CC材料损失壁厚SCC开裂裂纹尺寸FAC材料损失壁厚SC材料损失壁厚GC材料损失壁厚MC材料损失壁厚疲劳累计疲劳损伤累计疲劳使用因子裂纹尺寸积垢热传输能力降低传热系数老化状态与寿命评估一般流程资料需求应采集设备的基础信息、运行信息、检查信息、试验信息、维修缓解信息等，数据可能的来源见表4。老化状态评估用数据类型和数据来源数据类型数据来源基础信息系统设计手册系统流程图结构图详细设计分析报告表4老化状态评估用数据类型和数据来源（续）数据类型数据来源基础信息制造完工报告运行信息运行技术规范运行记录报告检查信息检查大纲、程序检查记录报告试验信息试验大纲、程序试验记录报告维修缓解信息维修手册维修大纲、程序维修记录报告更换记录报告应力信息应力分析计算应力测量老化状态和寿命评估流程老化状态评估工作开展的前提是需要开展设备的状态检查，重点是确定设备的状态指标（一个或多个）和验收标准，具体工作是判断设备状态指标的实际测量值是否满足验收标准的要求。老化状态评估主要分为两类：不含缺陷的老化状态评估、含缺陷的老化状态评估。设备老化状态评估流程见图1。老化状态和寿命评估流程图老化状态和寿命评估验收标准一般要求本标推荐性地提出如下几种方法，使用者可按具体情况采用，并需要参阅有关的文献和资料。壁厚减薄的评估测量壁厚应记录和保存设备的壁厚历史数据。若无壁厚测量数据，应尽早安排测量工作，并确保后续测量在相同位置。 应采用精确度较高、较易开展测量工作的无损检测手段测量设备的壁厚，并对壁厚数据进行不确定度分析。最小允许壁厚可根据下列文件确定设备的最小允许壁厚值：（1）设计规范（如ASMEB31.1104条款）。（2）制造完工报告。（3）行业标准（如ASMEBPVCCCN-597-2）。也可通过设备应力分析获取设备部件的最小允许壁厚值。壁厚减薄速率根据相邻两次检查获得的壁厚数据及检查间隔时间，可得到平均减薄速率： (SEQ标准自动公式\*ARABIC1)式中：——壁厚平均减薄速率；——前一次检查壁厚；——本次检查壁厚；——间隔时间。应对多个壁厚平均减薄速率进行趋势分析，得到已服役及预期服役时间内的平均减薄速率。壁厚减薄评估状态评估： (SEQ标准自动公式\*ARABIC2)式中：——实际测量壁厚；——最小允许壁厚。寿命评估： (SEQ标准自动公式\*ARABIC3)式中：——实际测量壁厚；——平均减薄速率；——预期运行时间；——最小允许壁厚。若不符合上述要求，应及时采取修复、更换的手段。疲劳的评估应力计算应考虑的工况包括：设备冷态启停、温态启停、热态启停、各类水压试验以及可能涉及的冷热混流等。应计算不同运行工况下的交变应力，可依据相关标准或采用有限元方法进行计算。材料的疲劳寿命曲线可依据ASME、RCC-M等规范提供的材料疲劳寿命曲线，也可通过疲劳试验获得。累计疲劳损伤评估方法线性损伤累积理论(MINER法则)： (SEQ标准自动公式\*ARABIC4)式中：——不同循环工况累积数；——给定循环工况下，设备的循环周次；——给定循环工况下，设备的允许疲劳失效周次；——累计疲劳使用因子。疲劳评估应统计设备不同运行工况下发生的次数并进行趋势分析。状态评估： (SEQ标准自动公式\*ARABIC5)式中：——当前的累计疲劳使用因子。寿命评估： (SEQ标准自动公式\*ARABIC6)式中：——预测的累计疲劳使用因子。若不符合上述要求，应及时采取修复、更换的手段。含裂纹缺陷的评估应力强度因子应力强度因子是反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量。它是载荷和裂纹体几何（包括裂纹长度、尺寸和形状等）的函数，通常以如下形式表达： (SEQ标准自动公式\*ARABIC7)式中：QUOTE——裂纹长度，mm；Y——有限尺寸构件的形状系数，无量纲量；——名义应力。应力强度因子的求解应考虑多方面的因素选择不同的方法，这些因素包括时间、精度、成本、应用情况等。临界应力强度因子、QUOTE：当值增加到某一临界值时，裂纹尖端开裂（这个时刻称为开裂点），这时的值叫做材料的断裂韧性；：当值降低到某一临界值时，应力腐蚀开裂实际上就不会发生。这时的值叫做应力腐蚀门槛值，以表示。、需要通过试验测得，与试验温度、试样板厚、变形速率等因素相关。当这些外部因素固定时，它是材料常数。裂纹的状态评估当QUOTE时，在应力作用下，材料可以长期处于腐蚀环境中而不发生开裂；当时，在腐蚀性环境和应力共同作用下，裂纹呈亚临界扩展，随着裂纹不断增长，裂纹尖端值不断增大，达到时即发生断裂；当时，加上初始载荷后立即断裂。疲劳裂纹的扩展及寿命评估对于I型裂纹，按照GB/T6398测定材料的疲劳裂纹扩展速率，即： (SEQ标准自动公式\*ARABIC8)式中：——应力强度因子变化范围；——由试验确定的材料常数。DL/T654中给出了一些常用钢的值及相应的值。 (SEQ标准自动公式\*ARABIC9)式中：——最大、最小应力强度因子；——部件缺陷部位的循环应力范围，不考虑静态应力，如残余应力、离心应力等。根据下述条件判断裂纹是否扩展：当QUOTE时，不考虑裂纹扩展。当时，用式（11）计算缺陷的疲劳裂纹扩展寿命，即： (SEQ标准自动公式\*ARABIC10)式中：——初始裂纹尺寸；——临界裂纹尺寸，；——临界应力强度因子，由试验确定的材料常数。对于计算的取20倍安全系数，即为缺陷的疲劳裂纹扩展寿命，基于评估结果，在必要时采取修复、更换的手段。热传输能力下降的评估换热器的性能评估方法换热器的性能应通过热性能指标进行评估，评估的方法包括单一热性能指标（如传热系数）评估法、熵分析法、热经济学分析法等。换热器的换热效率计算板式换热器传热系数按照GB16409进行计算。管壳式换热器传热系数按照GB151进行计算。热力性能降低的评估应定期进行传热系数试验，计算传热系数，并进行趋势分析。状态评估： (SEQ标准自动公式\*ARABIC11)式中：——当前传热系数；——安全设计要求传热系数。寿命评估： (SEQ标准自动公式\*ARABIC12)式中：——当前传热系数；——安全设计要求传热系数。若不符合上述要求，应及时采取修复、更换的手段。评估报告评估报告的主要内容应包括：（1）设备概况；（2）现状检查、试验情况；（3）老化机理、老化效应、状态指标描述；（4）应力分析（必要时）；（5）验收标准；（6）状态和寿命评估结论及意见。

（资料性附录）

常规岛机械设备在其它环境下的老化机理空气环境中常见老化机理空气环境下管道部件潜在发生的老化机理包括整体腐蚀、PC、CC和SCC，罐子潜在发生的老化机理包括整体腐蚀、PC和CC，如表A.1所示。空气环境中常见老化机理材料整体腐蚀PC、CCSCC管道部件不锈钢√√钢√√罐子铝合金√√不锈钢√√钢√√润滑油环境中常见老化机理润滑油环境下管道部件潜在发生的老化机理包括整体腐蚀、PC、CC和MC，热交换器部件（含传热管）潜在发生的老化机理包括整体腐蚀、PC、CC、MC和热传输能力下降，如表A.2所示。润滑油环境中常见老