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ASME和RSE-M两大规范对核电设备役前及在役检查中缺陷分析方法的比较

2021-05-25 09:47:04

ASME和RSE-M两大规范对核电设备役前及在役检查中缺陷分析方法的比较

在核电厂设备役前和在役检查时,对核级焊缝中检测出的缺陷需按照相关规范要求进行严格的分析评价,以保障核电机组的安全运行。

目前,国内核电机组的役前和在役检查主要按照美国机械工程师协会颁布的《锅炉及压力容器规范》第Ⅺ卷《核电厂部件在役检查规则》(以下简称ASME规范第Ⅺ卷)或法国的《压水堆核岛机械设备在役检查规则》(以下简称RSE-M规范)的要求执行,这两部规范中对缺陷的处理流程和方法均有明确的规定。那么,两者又有哪些区别呢?让我们来比较一下!

缺陷处理流程

在核电厂核级焊缝的役前和在役检查中,无损检测发现的显示信号经过一系列的判定、比较、分析和评价,以判断其是否满足规范的要求以及应该采取何种手段处理缺陷。缺陷处理流程图如下:

1 显示记录

ASME和RSE-M规范的显示记录原则相似,均是依据不同的检测方法和检测对象,分别作出规定的。

超声、涡流等检测方法一般是以显示信号的回波幅值大小作为显示是否记录的依据;射线、渗透、目视、磁粉等检测方法一般是以显示信号的表征大小,如长度、直径等作为是否记录的依据。

显示记录后首先需判断是否为相关显示,非相关显示不需要进一步分析,如超声检测中由于复杂的结构或噪声引起的伪缺陷。只有达到记录标准的相关显示才被定义为缺陷,两个规范间的显示记录要求对比如下:

超声

检测

ASME:

不小于50%DAC的几何结构显示

不小于20%DAC的不确定性质的显示

RSE-M:

核Ⅰ级:不小于25%DAC的缺陷显示

核Ⅱ级:不小于50%DAC的缺陷显示

射线

检测

ASME:

所有缺陷显示均记录

RSE-M:

不小于4 mm的气孔

不小于5 mm的夹渣

渗透

磁粉

ASME:

大于1.5 mm的缺陷显示

RSE-M:

大于2 mm的缺陷显示

2 缺陷定性

在ASME规范第Ⅺ卷中,缺陷特征化处理时采用了保守的假定,即假定所有检测出的缺陷均为平面型或线形缺陷。这样,裂纹、夹渣、气孔、未焊透、未熔合、分层以及这些缺陷以任意组合形式等出现时,就可以用最少的标准来进行评定。

此外,为了简化缺陷分析,规范把所有形状不规则的缺陷都简化成理想的简单几何形状来处理。这样不仅简化了有关缺陷的标准,也便于断裂力学原理的应用。

在RSE-M规范中,依据检测方法的不同,对缺陷定性也分别不同。

渗透检测分为圆形显示和线形显示,其中线形显示被认为是危险缺陷。

射线检测一般以在底片中缺陷显示呈现的在焊缝中的位置和缺陷特征判断缺陷性质,分为圆形显示、线形显示、裂纹、未熔合和未焊透等。

手动超声检测一般通过缺陷回波特征(EN-1713《焊缝无损检测》焊缝中缺陷的特征)对平面状或非平面状内部显示缺陷进行分类。

自动超声检测一般通过B扫或D扫中的缺陷特征和端点衍射信号来判断缺陷性质,并将缺陷分为体积型显示和平面型显示,平面型显示被认为是危险缺陷。

3 缺陷定量

缺陷定量,即缺陷大小和数量的测量。缺陷大小主要包括缺陷的长度、高度、面积等。不同类型的缺陷需要测量出缺陷不同的信息。役前和在役检查中,缺陷大小是判断其是否可以接受的主要依据。

4 缺陷验收

缺陷验收主要是指根据检测得出的缺陷性质以及测量的缺陷尺寸,与规范中规定的验收准则(一般以表格的形式)进行比照,确定缺陷是否可以接受的过程。对于役前和在役检查中的一些平面型缺陷或者假设为平面型的缺陷,在缺陷验收表格对比前还需经过尺寸归一化处理、相关性分析等流程。 

(1)验收准则

ASME规范中规定役前及在役检查期间,如果探测到的缺陷满足ASME规范第III卷的无损检测验收标准(部件制造中的验收标准),并在质量保证记录中备有证明文件,或探测到的缺陷满足ASME规范第Ⅺ卷的验收标准,则受检部件可以验收。

在役检查期间,如果探测到的缺陷超过ASME规范第Ⅺ卷的验收标准,但按照ASME的要求进行的分析评定满足其验收准则,则该受检部件仍可以验收。

其中ASME规范第Ⅺ卷验收标准将缺陷分为平面型、分层(可认为是平面型缺陷的一种类型)和线形缺陷,根据受检对象的核级别和材料不同,分别针对每一类缺陷规定了验收表格进行评定验收,在缺陷归一化处理后依据受检对象的厚度决定所允许缺陷的大小。

RSE-M规范中规定役前检查期间,如果探测到的缺陷满足法国《核岛机械设备在役检查规则》(以下简称RCC-M规范)验收标准(部件制造中的验收标准),则受检部件可以验收。

在役检查期间,如果探测到的缺陷满足RCC-M规范的验收标准,或者满足RSE-M附录5.2的验收标准,亦或按照要求经分析评价,安全裕度满足要求(缺陷经分析评价后在核电厂的整个运行寿期,不会因缺陷尺寸扩展或其他原因对核电站的安全运行造成影响),则该部件可以验收。

在RSE-M规范中仅对平面型缺陷规定了专门验收标准,对于其他类型缺陷一般引用RCC-M规范中的规定。 

(2)平面型缺陷的归一化尺寸

所谓的归一化尺寸,即按照一定的换算准则将所测缺陷尺寸进行处理,便于按照统一的原则对缺陷的形状进行定量描述。ASME规范和RSE-M规范的验收标准均规定了平面型缺陷的尺寸归一化处理的方法。 

(3)缺陷相关性分析

考虑到相邻的缺陷可能会发生扩展而连接在一起,规范对于相邻缺陷规定了相关性判断原则,对于相关的两个或多个缺陷应合并为一个缺陷。并以合并后的尺寸来评价缺陷是否可以接受。ASME规范和RSE-M规范在判断相邻缺陷是否相关的整体思路上基本一致,仅在评价指标上存在一些差异。相邻缺陷是否相关取决于每个缺陷尺寸位置归一化尺寸(如长度或高度)以及缺陷间的距离。

缺陷处理的主要区别

1

RSE-M规范在役前阶段要求采用检测手段进行缺陷定性(如平面型或体积型,圆形或线形);

ASME规范则保守认为所有役前和役中发现的缺陷均为平面型或线形等危害性缺陷。

2

RSE-M规范在役检查中跟踪的缺陷需和此前该缺陷的检测结果进行对比,并判定缺陷是否发生显著变化;ASME无此要求。

3

RSE-M规范的缺陷验收表无法适用于所有尺寸(长高比)的缺陷;ASME可以对任意尺寸缺陷的可接受性进行判定。

4

RSE-M的验收标准、相邻缺陷的合并原则等,是根据设备功能(如压力容器、稳压器或蒸汽发生器等)的不同分别规定的;

ASME的验收标准依据设备的尺寸、运行工况等(如焊缝厚度、应力因子等)的不同分别规定。

5

ASME规范对役前和在役检查中可能出现的所有缺陷均单独规定了验收准则;

RSE-M规范仅规定了平面型缺陷的验收准则,其他类型缺陷的验收准则均需引用RCC-M规范的相关要求。

实例分析

某电厂实施在役检查,该厂稳压器筒体与筒底封头连接焊缝厚度为84 mm,内表面堆焊有7 mm的不锈钢耐腐蚀层。

某次在役检查中,按照规范要求对该焊缝从外表面实施超声检测,检测中发现了两处相邻的周向缺陷显示D04和D05,该焊缝上的具体缺陷信息见下表:

分别依据RSE-M和ASME对其进行分析评价。缺陷尺寸示意如下图所示:

依据ASME规范第Ⅺ卷分析 

(1)缺陷显示复合性

D04和D05缺陷距焊缝中心线的距离为14~15 mm,间距S小于13 mm,可认为两个缺陷为共面的平面缺陷。两个缺陷的间距S为4.5 mm,大于4 mm,因此为独立的两个缺陷显示。

(2)缺陷验收分析

D04的形状比(缺陷归一化高度和长度的比值)a/l=2/21.5=0.093,缺陷与表面接近因子Y=19.8/2,大于1,取Y=1,下表为ASME规范稳压器缺陷显示验收准则(节选):

使用线性差值法计算出壁厚为84 mm时,形状比为0.093的缺陷允许的a/t值为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。

依据RSE-M规范分析

 (1)缺陷显示的几何包络尺寸分析

D04和D05缺陷距焊缝中心线的距离范围为14~15 mm,应按照共面缺陷的互不相关性条件进行分析。

对于D04和D05缺陷显示,其最近端点的距离为4.5 mm。对D04和D05分别建立相互关联矩形,缺陷显示关联示意如下图所示:

这两个相互关联矩形相交(d=2.4 mm,重合距离为0.3 mm),因此这两个缺陷显示相关。依据RSE-M标准,这两个缺陷显示应合并为一个缺陷进行分析。

 (2)缺陷验收分析

D04和D05合并后缺陷显示的高度h=9 mm,长度l=47.5 mm,缺陷显示A/L=0.19(A为缺陷归一化高度,L为缺陷归一化长度),使用缺陷验收表可知,允许的缺陷高度H′m=8.4 mm,D04和D05合并后缺陷显示高度为9 mm,不满足RSE-M规范附录5.2中缺陷验收标准,不可以接受,RSE-M规范稳压器显示缺陷验收标准如下表所示(Hi 为内侧表面缺陷自身高度允许值;He 为外侧表面缺陷自身高度允许值;H′m 为埋藏缺陷自身高度允许值):

缺陷显示合并后示意如下图所示:

由分析结果可知,分别依据ASME和RSE-M规范对同一大小的缺陷进行验收分析时,由于所采用规范的判定依据不同,其验收结果也不同。役前和在役检查中发现缺陷时,均应根据规范要求进行合理分析,保证核电设备的安全运行。

结论

ASME规范和RSE-M规范均对役前和在役检查中发现的缺陷显示的处理流程和验收要求做出了明确规定。

由于规范体系不同,两个规范相关缺陷处理验收要求有所差异,但总体来说两个规范均是本着保守原则对缺陷进行分析处理的,且主要是针对可扩展的危害性缺陷。

通常来说,采用某一规范体系设计的核电机组,应按照该系列规范中规定的缺陷处理流程和验收准则来处理缺陷,避免规范混用。

本文作者:葛亮,工程师,在核动力运行研究所主要从事无损检测技术研究和工程应用工作。


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