RCP/VVP系統(tǒng)管道小支管焊縫斷裂分析及建議

楊 靜 楊家興 林楠冰

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、概述

在核電站，高壓、熱力管道（主要包括RCP反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及VVP主蒸汽管道）的泄漏問題往往會(huì)發(fā)生在容易忽視的小支管上，這些小支管主要是指公稱直徑≦2英寸的儀表管、取樣管、排氣管、負(fù)壓相關(guān)系統(tǒng)的支管等。熱力管道焊縫泄漏問題在其他壓水堆核電廠均發(fā)生過類似的事件。RCP、VVP這些熱力系統(tǒng)的小支管焊縫一旦出現(xiàn)貫穿性裂紋，其影響在核島可能導(dǎo)致大量放射性劑量泄漏，在常規(guī)島蒸汽泄漏會(huì)影響人身安全和周邊環(huán)境安全，而且這些管道運(yùn)行期間不可隔離，一旦泄漏可能導(dǎo)致機(jī)組降功率、功率大幅度波動(dòng)、停機(jī)、停堆、帶壓堵漏等一系列問題，嚴(yán)重影響核電廠的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，加強(qiáng)對核電廠高能熱力管道的管理必須同時(shí)加強(qiáng)對其小支管的管理，才能確保核電廠的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

二、同行電廠經(jīng)驗(yàn)反饋

電廠關(guān)于蒸汽、熱力管道小支管焊縫發(fā)生泄漏、帶壓堵漏的事件不少，尤其是常規(guī)島。介紹兩起發(fā)生在核電廠機(jī)組初始運(yùn)行階段和運(yùn)行多年后，因熱力管道小支管泄漏造成的停機(jī)停堆事件。

1.秦山核電一廠主管道冷卻劑流量負(fù)壓腔根閥焊縫泄漏

（1）事件描述。2014年12月11日，320 MWe機(jī)組處于滿功率運(yùn)行模式，機(jī)組電功率330 MWe，核功率925 MWe，主控人員大夜班發(fā)現(xiàn)容控箱的液位下降趨勢變大，計(jì)算主系統(tǒng)泄漏率為18.01 L/h，高于正常穩(wěn)定運(yùn)行期間的5 L/h；公司馬上組織相關(guān)職能部門對可疑的泄漏點(diǎn)進(jìn)行查漏，但沒有找到泄漏點(diǎn)。

12月12日運(yùn)行監(jiān)測出安全殼內(nèi)氣體中有Na-24。12月14日運(yùn)行人員確認(rèn)安全殼內(nèi)污水坑液位上漲。12月15日運(yùn)行人員進(jìn)入01廠房現(xiàn)場進(jìn)行查漏，在功率運(yùn)行條件下，運(yùn)行人員可達(dá)區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，主系統(tǒng)漏率已上升至50.89 L/h。

12月16日，主系統(tǒng)泄漏率上升至64.79 L/h，考慮到泄漏率持續(xù)增加、人員可達(dá)區(qū)域已經(jīng)確認(rèn)無泄漏點(diǎn)，公司決策機(jī)組進(jìn)入熱停堆狀態(tài)，并組織現(xiàn)場查漏。經(jīng)全面現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)主系統(tǒng)Ⅱ環(huán)路主管道冷卻劑流量負(fù)壓腔根閥RRCS-VF0102-4B-SVI前焊縫泄漏（圖1），電站進(jìn)入冷停堆模式，開始對缺陷進(jìn)行檢查和修理。

（2） 事件處理。經(jīng)現(xiàn)場勘查，缺陷位于主管道支座與根閥接管（Φ18×3 mm）焊縫的熱影響區(qū)，貫穿性裂紋占周徑約1/5。初步原因：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。如閥門過大（自重17 kg），且脈沖管道固定支架遠(yuǎn)；熱影響區(qū)薄弱，應(yīng)力疲勞，導(dǎo)致熱影響區(qū)出現(xiàn)裂縫。

針對缺陷處理采用套管焊接密封方案，且方案為臨時(shí)方案，待R16按新設(shè)計(jì)采用永久方案。缺陷處理臨時(shí)方案包括3步：在線密封，按泄漏位置狀況，設(shè)計(jì)密封夾具，控制泄漏，保證焊接時(shí)無水；套管焊接，采用兩半HALF組成套管，焊接在根閥和支座斜面上，滿焊密封；支架固定，設(shè)計(jì)制作專用支架，將根閥和主管道固定，減少閥門對管道影響，增強(qiáng)管道支承。臨時(shí)方案的力學(xué)評估、材料評估均委托上海核工程研究設(shè)計(jì)院進(jìn)行并獲得正式答復(fù)。

圖1 主管道冷卻劑流量負(fù)壓腔根閥焊縫泄漏

12月17日到12月20日，開始選取相關(guān)的類似區(qū)域共66處進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)主系統(tǒng)II環(huán)路主管道冷卻劑流量負(fù)壓腔根閥門0102-2/3B閥前對接焊縫存在2處線性顯示。12月20日到12月21日，對2處區(qū)域采用套管焊接密封方案進(jìn)行了修理。

12月21日，主冷卻劑流量負(fù)壓腔根閥焊縫泄漏缺陷焊接完成，PT合格，系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)階段，升溫升壓開始。12月24日2點(diǎn)51分，完成相關(guān)試驗(yàn)后并網(wǎng)，一回路主系統(tǒng)泄漏率恢復(fù)到原來正常水平。

（3）最終處理方案。目前電廠正在委托上海核工程研究設(shè)計(jì)院對此類管線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和布置。計(jì)劃在R16換料大修期間進(jìn)行正式處理。

2.秦山核電二廠2號機(jī)2VVP501VV管線焊縫漏蒸汽

（1）事件描述。2004年6月22日，2＃機(jī)組 668 MWe滿功率運(yùn)行。22日14:40，運(yùn)行現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道上的SIT系統(tǒng)的取樣管（2VVP501/502VV）上游處有蒸汽漏出（圖2），懷疑是閥桿漏汽，主控立即聯(lián)系維修人員，在此過程中漏汽量進(jìn)一步加大，并不斷從保溫層中噴出，維修儀控人員到達(dá)現(xiàn)場后拆除保溫層，檢查發(fā)現(xiàn)是主蒸汽管道上的給水化學(xué)取樣系統(tǒng)（SIT系統(tǒng)）2VVP501VV上游儀表取樣管焊縫有2/3開裂，無法隔離，臨時(shí)決定采取砸扁管道的方式堵漏，在使用榔頭的過程中導(dǎo)致主蒸汽管道上的焊縫裂開，蒸汽大量泄漏，被迫手動(dòng)降負(fù)荷。

機(jī)組從15:39開始降負(fù)荷，到16:36降到廠用負(fù)荷（15 MWe）后停機(jī)，反應(yīng)堆處于熱備用狀態(tài)。在焊縫處理后，機(jī)組于21:30 沖 轉(zhuǎn) ，22:23并網(wǎng)并開始升功率。6月23日6：00重新升功率至668 MWe。

（2）事件后果。對運(yùn)行的影響:2#機(jī)組被迫手動(dòng)停機(jī)。損失發(fā)電量約600萬千瓦時(shí)。潛在后果，如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將觸發(fā)自動(dòng)停堆。

（3）事件原因。直接原因，本次事件屬機(jī)械設(shè)備故障引發(fā)。由于主蒸汽管道上的給水化學(xué)取樣系統(tǒng)2VVP501VV上游化學(xué)儀表取樣管焊縫存在質(zhì)量問題（對接焊，強(qiáng)度不高），加上取樣管為薄壁管，強(qiáng)度不滿足現(xiàn)場運(yùn)行條件要求，最終使焊縫斷裂，大量蒸汽從開裂的焊縫處漏出，為排除故障機(jī)組最終被迫手動(dòng)停機(jī)處理。

根本原因，在2#常規(guī)島安裝期間，由于主蒸汽管道與各支管連接處理有誤，使從主蒸汽母管上引出的取樣管到取樣閥法蘭之間比原設(shè)計(jì)增加了1條對接焊焊縫（2根Φ14×2 mm不銹鋼管對接），從而增加了一道故障環(huán)節(jié)。

圖2 SIT取樣管線圖紙及現(xiàn)場照片

原設(shè)計(jì)中取樣管選用Φ14×2 mm的薄壁不銹鋼管，高溫、高壓處采用薄管壁對接焊不合適，加上振動(dòng)導(dǎo)致焊縫疲勞，最終致使焊縫斷裂。

（4）糾正行動(dòng)。停機(jī)后，維修人員已將原來的由取樣頭連接到取樣閥法蘭之間的2根Φ14×2 mm的不銹鋼管取消，用1根Φ14×3.5 mm厚壁碳鋼管替代，不銹鋼管與取樣頭和取樣閥法蘭兩端的連接改用承插焊，這樣便消除了原來的多出的焊縫，同時(shí)增強(qiáng)了取樣管及兩端焊縫的強(qiáng)度。維修處后續(xù)對所有的高溫、高壓取樣監(jiān)測管進(jìn)行了檢查匯總，要求在201大修期間將所有薄壁管更換為厚壁管。

由于主蒸汽管道上的取樣管線及閥門屬于主蒸汽系統(tǒng)承壓邊界，后續(xù)在201大修及今后的大修工作中，將主蒸汽取樣系統(tǒng)的第一道隔離閥上游取樣管與取樣頭連接的焊口作為在役檢查的一項(xiàng)內(nèi)容之一列入大修計(jì)劃，進(jìn)行探傷檢查。

運(yùn)行、維修人員應(yīng)加強(qiáng)巡檢，尤其是高溫、高壓的儀表取樣管及取樣法蘭等，如有漏汽等異常現(xiàn)象立即通知維修人員處理（維修人員也要負(fù)責(zé)對儀表及相關(guān)儀表閥、取樣管進(jìn)行定期專業(yè)巡檢，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)匯報(bào)處理）。

三、熱力管道小支管易發(fā)生泄漏的根本原因分析

根據(jù)同行電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，熱力管道的小支管易發(fā)生泄漏缺陷的原因主要可歸納為4點(diǎn)。

1.主管道異常振動(dòng)可能導(dǎo)致小支管焊縫開裂

母管的異常振動(dòng)易導(dǎo)致小支管材料及焊縫的疲勞損壞，縮短材料的使用壽命，最終可能引起最薄弱位置支管根部焊縫的破壞失效，同時(shí)還干擾管道上各測量裝置的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2.焊接質(zhì)量問題引起支管座根部焊縫或接管焊縫開裂

從秦山核電二廠對各熱力管系小支管焊縫的役檢缺陷情況來看，安裝焊接質(zhì)量問題居多，固有可靠性欠缺。儀表用小支管一般多為DN25以下的小管，且管壁較薄，支管座與母管的焊接均為角接焊，焊接實(shí)施中如果焊接工藝有問題（如焊接順序不當(dāng)或?qū)娱g溫度過高、熱輸入量過大、冷卻速度太慢、坡口形式不當(dāng)、多次返修等）就可能會(huì)形成熱裂紋，再加上熱力管道內(nèi)部汽水兩相的沖蝕，母管的熱態(tài)位移及振動(dòng)沖擊，更會(huì)加速支管焊縫的疲勞開裂。

3.金屬技術(shù)監(jiān)督存在局限性

熱力管道母管焊縫一般多為厚壁管道對接焊，焊接過程中進(jìn)行層間溫度控制和層間PT、最終經(jīng)過100%的PT、RT檢測，過程及質(zhì)量相對有保證。可小支管焊一般為角接焊或插套焊，焊縫高度視母管壁厚決定。既無法做RT檢測，也不能進(jìn)行層間PT，只能實(shí)施表面PT檢測，不能判斷焊接質(zhì)量、無法檢出埋藏缺陷，也難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)即將貫穿的裂紋。

4.儀表管支架設(shè)計(jì)或安裝問題

帶根閥的儀表管，如果根閥閥體選型過重，可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因未設(shè)置有效的支撐，運(yùn)行時(shí)間久了，應(yīng)力疲勞也會(huì)導(dǎo)致支管焊縫出現(xiàn)裂紋。

四、建議

對于海南核電等新建機(jī)組，建議在機(jī)組調(diào)試期間及運(yùn)行以后考慮4個(gè)方面問題，避免熱力管道小支管焊縫的泄漏。

（1）增加對RCP、VVP系統(tǒng)熱力管道各儀表支管焊縫（包括母管至第一道根閥的所有焊縫）的在役檢查，并對其檢查頻度和范圍進(jìn)行優(yōu)化。熱試后逐一對這些小支管焊縫進(jìn)行表面目視VT檢查及PT檢測（根據(jù)此分析報(bào)告，目前海核在熱試結(jié)束后正在逐一對VVP、RCP小支管焊縫進(jìn)行檢測，并建立相關(guān)的小支管焊縫檢測檔案）。機(jī)組運(yùn)行后對各儀表、取樣小支管根部焊縫的在役檢查頻度進(jìn)行優(yōu)化。如建立小管徑管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（管徑和壁厚、材料、運(yùn)行溫度和壓力等），通過收集相關(guān)安裝竣工圖、流程圖并配合現(xiàn)場核對。現(xiàn)場逐一核實(shí)受檢管段及焊縫所處位置情況、保溫情況、焊縫形式、振動(dòng)情況、材料、適用的檢查方法，尤其需現(xiàn)場核實(shí)是否具備帶壓堵漏實(shí)施條件，并將這些情況納入數(shù)據(jù)庫。

對各小支管焊縫檢查范圍進(jìn)行優(yōu)化。對重要儀表引壓管檢查的目的是防范泄漏引起測量信號變化，因此檢查范圍應(yīng)包括到整條引壓管；對高溫高壓小管道，檢查部位范圍應(yīng)是不可隔離的區(qū)域，包括根部和閥前所有焊縫。制定小管徑管道定期更換方案及計(jì)劃（根據(jù)機(jī)組運(yùn)行年限或者支管的安裝焊接質(zhì)量來制定）。

（2）檢查各儀表小支管與母管的根部連接是否安裝了管座或管座是否滿足設(shè)計(jì)。各支管與母管之間的管座連接是對焊縫的補(bǔ)強(qiáng)，既增加了支管座焊縫對熱力管道內(nèi)部蒸汽的抗沖蝕強(qiáng)度，同時(shí)也減少了熱態(tài)工況下主管道的熱位移及振動(dòng)對小支管焊縫的沖擊。（注：原老電廠蒸汽管道的某些小支管就并未設(shè)計(jì)支管座，只是增加同母管材質(zhì)的鋼板加強(qiáng)圈來加固焊縫）

（3）檢查熱力管道各支管的支架設(shè)計(jì)及安裝是否可靠。檢查各支管在熱態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)工況，特別是核島的熱力管線，在熱試期間需重點(diǎn)檢查主管道熱位移后對各支管是否存在不當(dāng)約束或與周邊物項(xiàng)干涉情況。檢查帶根閥的支管安裝是否可靠，是否有支架設(shè)計(jì)，支架位置是否合適。根據(jù)其他核電的改造經(jīng)驗(yàn)，對VVP各疏水袋及其各儀表支管在運(yùn)行前就開始考慮增加加固支架。

（4）機(jī)組運(yùn)行后檢查VVP等主蒸汽管道的振動(dòng)情況，如果振動(dòng)較大需盡快治理，以減小對各儀表支管的影響。分析管系異常振動(dòng)的原因：管道振動(dòng)根據(jù)其激振力的來源，可以將其歸納為機(jī)械振動(dòng)、流體振動(dòng)、地震等幾種類型，其中以流體不穩(wěn)定流動(dòng)引起的振動(dòng)為主，具體原因：兩相流介質(zhì)不穩(wěn)定流動(dòng)引起管道振動(dòng)；水錘引起管道沖擊振動(dòng)；介質(zhì)紊流引起管道振動(dòng)等。

如果是內(nèi)部流體引起的管道振動(dòng)，可能是管系布置的不合理、閥門開度等問題，可從技術(shù)改造、調(diào)節(jié)閥門開度來著手解決管道振動(dòng)問題。如果是機(jī)械振動(dòng)引起的管系振動(dòng)可通過增加管道約束，提高管道剛度的方法來實(shí)現(xiàn)，在確保振動(dòng)治理效果的同時(shí)，還必須保證管道熱應(yīng)力（管道二次應(yīng)力）合格。