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摘要：管道热疲劳是管道受交变热应力长期影响而产生管道裂纹或破裂的现象，虽然热疲劳原因引起的管道破裂事件在核电厂发生的概率很小，但管道破裂有可能引起一回路破口等事故，因此需要引起重视。本文对管道热疲劳产生的机理进行分类并进行分析，根据管道热疲劳产生机理的特征，提出核电厂设计、在役运行阶段应采取管道热疲劳预防与检侧的措施。
关键词：核电厂；管道热疲劳；机理与防治
1、前言
核电厂管道材料一般为金属，金属材料一般有如下特性:受热时，金属会出现膨胀;冷却时，会出现收缩因温度变化引起的膨胀、收缩作用于材料上的应力一般称作“热应力”。管道温度如果反复发生变化，材料会交替出现膨胀、收缩，导致不同方向热应力交替作用于材料上，使材料发生热疲劳，在材料表面形成微小裂纹，发展到后期会出现贯穿性裂纹，这是热疲劳的一般破坏机理。这种机理作用于管道，会产生管道热疲劳现象。
在核工业界，偶而会发生因管道热疲劳引起的管道破裂事件，1970一1999年间，全球核电厂有报告的由热疲劳引起的管道破裂事件有54起川。这种破裂如果发生在一回路辅助管道，且无法有效隔离的情况下，就属于一回路破口事故，会给核安全带来不利影响，所以需要在核电厂设计阶段采取预防措施，降低管道热疲劳发生概率，在电厂在役阶段采用合适的检测方法，合理的检测周期，及时发现管道热疲劳引发的缺陷，并及时采取纠正措施，保障核电厂安全。
2、管道热疲劳产生机理
管道内流体温度的反复波动均有可能产生管道热疲劳，根据管道内流体温度波动原因的不同，可以将管道热疲劳产生机理分为以下4类:
2.1冷热流体交混类机理
冷热流体交混形式有两种:一种是当冷热流体流速较高时，冷热流体在合流处便开始混合，混合区域的流体温度会按数赫兹至数百赫兹的频率在管道中发生变化，这种温度的反复变化将会引发管道热疲劳;另一种是当冷热流体流速较低时，冷热流体自合流处开始形成热分层，经过一定距离之后冷热流体才完全混合，如图2所示，这种热分层边界随着流体变动(如流速改变)而发生周期性变化，导致管道内表面温度反复变化而引起热疲劳。这两种形式的热疲劳虽然产生的机理不完全相同，但都可能在流体交混处或下游管段产生热疲劳，导致裂纹的出现。
冷热流体交混原因导致的管道热疲劳现象在国外核电厂有经验反馈:1998年5月法国核电厂Civaux 1的RRA系统A列热交换器出口管道同旁通管的T型连接管下游第一个弯头处的纵焊缝上产生了约180mm长的热疲劳裂纹。泄漏事件发生后，法国相关机构对有裂纹弯头进行了检查分析，发现此类热疲劳的一些特征，如:贯穿性裂纹产生在弯头的纵焊缝上，表面裂纹萌生于焊缝周围，管道其他部位T型接头、直管段的焊缝部位、管道基材也有网络状的裂纹出现。分析认为焊缝处产生贯穿性裂纹的主要原因是纵焊缝是管道中薄弱部位，所以贯穿性裂纹最先在纵焊缝部位产生。
2.2阀门泄漏类机理
如图4所示，一回路主管道常有不能隔离的支管与之相连，在支管自然对流区会形成较稳定的热分层，如果支管阀门密封不严，存在间歇性泄漏，间歇性泄漏会导致原有热分层发生交替变化，从而导致管道热疲劳的产生。泄漏的流动方向有两种情况:一种是支管中流体往主管道方向泄漏，这种泄漏方式，热疲劳现象主要发生在与一回路相连的不能隔离管段;一种是主管道中的流体往支管方向泄漏，热疲劳现象除发生在与一回路相连不能隔离管段外，阀门上游管段也可能发生管道热疲劳现象。
若不考虑支管上的阀门泄漏，与一回路相连的不能隔离的管段也有可能发生湍流侵人原因引起的热疲劳，其热疲劳现象影响区域与阀泄漏原因的影响区域有相似之处(见第3类:湍流侵人类机理)，因此，与一回路相连的不能隔离的管段应作为管道热疲劳现象的重点监测区域。
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最大深度根据国外反馈的管道破裂事件，分析发现因阀门泄漏原因引起的管道热疲劳有以下特点:焊缝临近区域产生的裂纹方向趋向于圆周型;远离焊缝区域的裂纹方向更倾向于轴线且与轴向有一定的偏角，且偏角是随机的。
2.3湍流侵入类机理
一回路主管道常有不能隔离的支管与之相连，主管道中流动的是高温高速流体，主管道流体温度和流速的扰动会在支管人口处形成湍流并侵入支管中，高温流体的侵人会打破原来的支管的冷热分层，会导致支管中冷热分层发生周期性变化，从而引起管道热疲劳，湍流侵人周期大致可分为4种阶段:稳定阶段、热流体湍流侵人阶段、湍流侵人消逝阶段、湍流侵人后撤至稳定阶段。
2.4系统瞬变类机理
管道系统因运行工况的改变，管道中的温度、压力会发生变化，温度变化会造成金属材料的收缩或膨胀，因此会产生热应力的交替变化，热应力变化累积到一定次数，也可能会产生管道热疲劳现象。核电厂在系统设计与运行时通过瞬变统计来评估管道系统热疲劳情况，一般认为，系统运行的瞬变统计次数在设计范围之内的，除以上提到的3类热疲劳机理作用的局部区域外，管道系统是安全的。
以上4类热疲劳机理虽然不相同，但产生裂纹的过程有相同之处:因管段内表面温度变化比外表面更加剧烈，疲劳损伤更快，一般热疲劳裂纹最先在管道内表面产生，裂纹发展到湍流侵人的热流体主要影响水平管段的原有冷热分层。因此，可通过改进管道布置方式，降低湍流侵人热流体对水平管段冷热分层影响，以减弱湍流侵入机理引起的热疲劳。
3、管道热疲劳的防治
热疲劳机理有可能造成核电厂管道缺陷，可在电厂设计阶段改进管道设计，在役运行阶段采取合理检测方法，及时发现、消除缺陷，降低管道热疲劳现象给核安全造成的不利影响。
3.1设计阶段预防措施
电厂的设计阶段包括新电厂的设计和运行电厂的设计改进，为降低管道热疲劳现象给管系造成的不利影响，针对不同类型的热疲劳机理，在设计阶段可采取以下措施:
在冷热流体混流处设置混流器，使冷热流体均匀混合，减少冷热交混给管壁带来的应力;设置热套管，用以保护管道，热套管的基本原理是在冷热交混处的管道内设置一层管道，以避免主管受冷热流体影响。改进管道布置，将水平管段靠近主管道，防止冷热分层边界在有残余应力的弯管区域，避免热应力与残余应力叠加影响，如图8所示;也可将水平管段布置在湍流侵人最大深度区之外，避免湍流侵人的热流体对水平管段冷流体的影响。可通过采用抗热疲劳效果好的新型材料，改进管道加工工艺，如降低管道表面粗糙度，进行热处理，消除管道残余应力，提高管道抗系统瞬变能力。
4、结束语
从管道热疲劳产生的机理出发，根据造成管道内流体温度波动原因的差异，将管道热疲劳产生的机理分为4类，对这4类热疲劳机理分别进行探讨，并对机理的影响区域及产生裂纹的特点进行了总结。根据管道热疲劳特点，提出在核电厂设计阶段采取设置混流器、设置热套管、改进管道布置方法、改进管道制造工艺等措施来预防管道热疲劳;在核电厂在役运行阶段采用超声和射线检测，及时发现、消除管道热疲劳缺陷，这些方法可有效降低热疲劳现象引起的管道破裂给核电厂安全带来的不利影响。
参考文献
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论文作者:郭振
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/5/10
标签：管道论文; 疲劳论文; 流体论文; 机理论文; 核电厂论文; 裂纹论文; 冷热论文; 《防护工程》2019年第2期论文;