引言

核電廠的重要廠用水系統(tǒng)(簡稱SEC系統(tǒng))的功能是在正常運行和事故運行工況下將設(shè)備冷卻水系統(tǒng)所傳輸?shù)臒崃總鞯胶Ｋ?SEC系統(tǒng)是核電廠核島的最終熱阱。某核電廠每臺機組SEC系統(tǒng)有4臺SEC泵,SEC泵為立式電動離心泵,位于聯(lián)合泵房內(nèi),是SEC系統(tǒng)的唯一動力源,必須保證SEC泵在各類工況下的安全可靠運行。某核電廠收到外部反饋,法國部分核電廠發(fā)現(xiàn)消防水管道壁厚存在減薄現(xiàn)象,可能導(dǎo)致地震條件下消防水管道完全斷裂,有導(dǎo)致廠房內(nèi)積水,淹沒或淋濕重要廠用水泵造成其不可用,從而導(dǎo)致核島最終熱阱全部喪失的風(fēng)險。本文以此反饋為切入點,展開對某核電廠聯(lián)合泵房管道安全狀態(tài)評估和預(yù)防性維護策略建立的探討。

1聯(lián)合泵房管道的安全狀態(tài)評估

1.1安全狀態(tài)評估針對的風(fēng)險

本文的安全狀態(tài)評估主要是針對聯(lián)合泵房內(nèi)管道在地震情況下快速斷裂導(dǎo)致SEC泵坑內(nèi)短時間內(nèi)大量進水,超出泵坑內(nèi)設(shè)計排水能力,運行人員來不及響應(yīng)或無法隔離,導(dǎo)致SEC泵被水淹,機組最終熱阱喪失的風(fēng)險。

1.2聯(lián)合泵房各系統(tǒng)管道安全狀態(tài)評估的總體原則

聯(lián)合泵房內(nèi)的系統(tǒng)主要有重要廠用水系統(tǒng)(SEC系統(tǒng))、循環(huán)水過濾系統(tǒng)(CFI系統(tǒng))、飲用水系統(tǒng)(SEP系統(tǒng))、電站污水系統(tǒng)(SEO系統(tǒng))、核島除鹽水分配系統(tǒng)(SED系統(tǒng))、循環(huán)水處理系統(tǒng)(CTE)、消防水分配系統(tǒng)(JPD)和消防水生產(chǎn)系統(tǒng)(JPP系統(tǒng))。安全狀態(tài)評估的總體原則如下:

(1)分析該系統(tǒng)管道是否在SEC泵坑內(nèi)。如不在SEC泵坑內(nèi),即使管道斷裂也不會造成水淹SEC泵。

(2)分析在SEC泵坑內(nèi)的系統(tǒng)管道材質(zhì)是否對管道內(nèi)介質(zhì)具有腐蝕敏感性。如管道材質(zhì)耐腐蝕,則發(fā)生腐蝕減薄的概率極低,發(fā)生管道快速斷裂的概率更低。

(3)分析在SEC泵坑內(nèi)對介質(zhì)具有腐蝕敏感性的系統(tǒng)管道直徑是否大于等于某個特定值。一旦直徑大于等于此特定值,則管道在地震工況下快速斷裂就將在SEC泵坑內(nèi)短時引入大量介質(zhì),超出SEC泵坑內(nèi)設(shè)計排水能力,從而導(dǎo)致SEC泵被淹不可用[1]。某核電廠將此特定值設(shè)定為管道名義直徑100mm,因為每個SEC泵坑內(nèi)都有集水坑和2臺潛污泵,名義直徑小于DN100的單根管道發(fā)生快速斷裂泄漏的介質(zhì)可以通過潛污泵排出SEC泵坑,不會導(dǎo)致SEC泵被淹的后果。

(4)該管道是否無法隔離。如無法隔離,快速斷裂后將造成水淹SEC泵。因此,若此部分管道無法隔離,應(yīng)進行超聲測厚和評估。

(5)管道是否處于工況有變化的主干管段。JPP系統(tǒng)管道在日常穩(wěn)態(tài)運行期間為靜壓滿水,靜水管道內(nèi)部腐蝕類型主要為管瘤腐蝕,JPP泵前后主干管道內(nèi)部介質(zhì)間歇式流動,使氧含量、微生物所需營養(yǎng)物質(zhì)、淤泥、固體顆粒等較豐富,這些因素對管瘤腐蝕起著促進作用。此部分管道應(yīng)進行超聲測厚和評估。

(6)國內(nèi)多個核電廠在JPP小流量管道發(fā)現(xiàn)過腐蝕減薄和泄漏。對JPP系統(tǒng)小流量管道實施超聲波壁厚測量和評估。

(7)其他類型的JPP系統(tǒng)管道腐蝕減薄風(fēng)險很低,如果對上述幾類JPP管道的壁厚評估發(fā)現(xiàn)異常情況,再考慮對其他JPP管道進行擴大檢查,并進行安全評估。

2重點管道的壁厚排查方案

根據(jù)上節(jié)的排查和評估總體原則和圖1,需進行現(xiàn)場超聲波測厚排查的管道范圍如下:(1)斷管后不可隔離的管道:JPP001管道003VE上游管段,JPP002管道002VE上游管段和JPP020管道023VE上游管段。(2)有工況變化的泵出入口主干管道:JPP001管道003VE下游管段,JPP002管道002VE下游管段,JPP003/004管道和JPP005/006泵出口管段。(3)其他電廠有泄漏反饋的管道:JPP009/010小流量管道。

3重點管道的安全狀態(tài)評估

針對上節(jié)所述排查范圍,對重點管道實施超聲測厚檢查。對選定的JPP系統(tǒng)重點管道進行超聲測厚,并通過應(yīng)力計算得到JPP系統(tǒng)重點管道的抗震允許壁厚。

泵吸水母管JPP001/002最小壁厚8.32mm,抗震允許壁厚值4.32mm;泵入口管道JPP003/004最小壁厚5.95mm,抗震允許壁厚值2.2mm;泵出口管道JPP005/006最小壁厚6.02mm,抗震允許壁厚值3.50mm;泵小流量管道JPP009/010最小壁厚4.30mm,抗震允許壁厚值2.80mm;消防水池連接管道1JPP020最小壁厚5.91mm,抗震允許壁厚值4.10mm;消防水池連接管道2JPP020最小壁厚5.79mm,抗震允許壁厚值5.75mm。

根據(jù)上文的壁厚排查和應(yīng)力計算數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),聯(lián)合泵房內(nèi)重點管道的實際最小剩余壁厚均大于抗震條件的最小允許壁厚,滿足抗震要求,可以有效避免地震工況下管道快速斷裂導(dǎo)致機組失去最終熱阱的風(fēng)險。因此,根據(jù)初始分析和排查,某核電廠的聯(lián)合泵房內(nèi)管道的安全狀態(tài)都是有保障的。

4管道預(yù)防性維護策略制訂

4.1管道短期預(yù)防性維護策略制訂

下面以JPP系統(tǒng)消防水池連接管道為例,說明管道短期預(yù)防性維護策略的制訂。

1JPP020最小壁厚5.91mm,抗震允許壁厚值4.10mm;2JPP020最小壁厚5.79mm,抗震允許壁厚值5.75mm?？梢奐PP系統(tǒng)消防水池連接管道滿足抗震要求,目前可以有效避免地震工況下管道快速斷裂。

從壁厚數(shù)據(jù)中還可發(fā)現(xiàn),1JPP020和2JPP020的抗震允許壁厚差異較大,2JPP020管道在地震工況下最大應(yīng)力明顯大于1JPP020管道。這是因為1JPP020管道和2JPP020管道在管道現(xiàn)場布置和支架布置上存在差異,2JPP020管道上支架功能設(shè)置不合理是導(dǎo)致應(yīng)力計算結(jié)果差異較大的主要原因。某電廠決定對2JPP020管道實施改造,參考1JPP020管道支架布置方式,將支架P122052修改為緊固類支架。改造完成后重新計算應(yīng)力和最小允許壁厚,2JPP020管道抗震條件下最小允許壁厚降至2.40mm,目前實際剩余最小壁厚5.79mm的安全裕度較大。

根據(jù)制訂的排查原則和安全性評估方法,結(jié)合對管道的布局和應(yīng)力模型的校核,提前采取改造等短期預(yù)防性維護策略,可以有效增加被改造管道的腐蝕余量,提高管道的抗震性能。

4.2管道長期預(yù)防性維護策略制訂

繼續(xù)以JPP系統(tǒng)消防水池連接管道為例,說明管道長期預(yù)防性維護策略的制訂。

根據(jù)某核電廠投入運行的時長,確定JPP系統(tǒng)運行時間N=3年。

1JPP020的名義壁厚Tn=6.35mm,實際最小壁厚Tmin=5.91mm,由此可得目前最大腐蝕速率v=(Tn-Tmin)/N≈0.147mm/a。1JPP020抗震條件下最小允許壁厚TC=4.10mm,檢查周期T=(Tn-Tc)/v≈15.31a。因此,1JPP020的檢查周期初定為15a,在第7年增加一次檢查,確定壁厚變化趨勢,以修正檢查周期。

2JPP020的名義壁厚Tn=6.35mm,實際最小壁厚Tmin=5.79mm,由此可得目前最大腐蝕速率v=(Tn-Tmin)/N≈0.187mm/a。2JPP020抗震條件下最小允許壁厚TC=2.40mm,檢查周期T=(Tn-Tc)/v≈21.12a。因此,2JPP020的檢查周期初定為20a,在第10年增加一次檢查,確定壁厚變化趨勢,以修正檢查周期。

通過對某核電廠聯(lián)合泵房內(nèi)重要碳鋼材質(zhì)管道的運行時間、平均腐蝕速率、抗震最小允許壁厚的綜合評估,制訂個性化的長期預(yù)防性維護策略。某核電廠聯(lián)合泵房內(nèi)重點管道的長期預(yù)防性策略如下:(1)檢查周期為10年的管道:JPP001/002:(2)檢查周期為15年的管道:1JPP020:(3)檢查周期為20年的管道:JPP003/004/005/006/009/010,2JPP020。

4.3管道長期預(yù)防性維護策略的驗證

選取某核電廠2號機組JPP系統(tǒng)的部分重點管道實施兩次超聲測厚跟蹤驗證,兩次測厚的周期間隔為18個月,選取低于制造公差下限的測點,跟蹤測厚數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)某核電廠JPP系統(tǒng)重點管道的兩次跟蹤測厚數(shù)據(jù),前期制訂的維護策略所基于的評估腐蝕速率足夠保守,可以包絡(luò)管道實際的磨損減薄情況。因此,長期預(yù)防性維護策略的初始周期是合理的,可以此為基礎(chǔ),對聯(lián)合泵房內(nèi)的管道開展長期的預(yù)防性維護工作。

5結(jié)論

針對外部反饋,制訂了某核電廠聯(lián)合泵房各系統(tǒng)管道安全狀態(tài)評估的總體原則,結(jié)合超聲測厚排查和應(yīng)力分析計算,論證篩選出的重要管道均滿足抗震要求,可以避免地震工況管道快速斷裂導(dǎo)致機組失去最終熱阱的風(fēng)險。某核電廠聯(lián)合泵房內(nèi)的管道安全狀態(tài)是有保障的。

本文還對系統(tǒng)管道的短期和長期預(yù)防性維護策略的制訂進行了探索。針對管系布置導(dǎo)致的管道安全裕度和腐蝕余量不足的情況,采用調(diào)整管道支撐功能和結(jié)構(gòu)的方案,有效提高被改造管道的腐蝕余量和抗震性能,可作為管道短期維護策略。對篩選出的重要管道評估腐蝕速率后,制訂了個性化的長期預(yù)防性超聲測厚策略,并利用短期內(nèi)連續(xù)跟蹤測厚的方式驗證了長期策略的合理性和保守性。

某核電廠聯(lián)合泵房篩選的重要管道均為碳鋼材質(zhì),管壁腐蝕減薄是一個長期的必然過程。為了保障核電機組重要廠用水系統(tǒng)的安全運行和最終熱阱的完整性,還需繼續(xù)對聯(lián)合泵房管道的長期維護策略和方法開展深入探索和研究。如引入先進的無損檢測方法對管道的整體壁厚情況進行連續(xù)性測量,實現(xiàn)對管道內(nèi)部點狀腐蝕和大面積均勻腐蝕的甄別和評價:對于投運時間較長的核電廠,整體更換為其他耐腐蝕材質(zhì)或在管道內(nèi)部增加防腐涂層也是可選的解決方案。