船用壓水堆設備老化管理分析

黃曉俊 鄭映烽 李少帥

摘 要：伴隨著船用壓水堆逐漸進入工作的中后期，老化管理的相關工作也隨之展開，根據船用壓水堆相關設備不同的老化特點，將其進行了分組，分別進行了老化管理的分析，并重點研究了反應堆一回路管道的老化機理，結合現有故障診斷及狀態檢測相關理論，對老化管理相應對策的提出做出了有益的探索。

關鍵詞：船用壓水堆 設備 一回路管道 老化管理

中圖分類號：TL353 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0088-02

老化，即伴隨著工作年限的增加，相關設備的物理或者化學等相關特性逐漸偏離初始狀態，設備整體性能逐漸降低的過程。由于相關設備的老化，國外某核電站就發生過蒸汽發生器傳熱管支撐板損傷以及壓力容器頂蓋貫穿件的應力腐蝕破裂（SCC）等事故。國內大亞灣核電站也已經展開了老化管理相關的工作，但船用壓水堆由于其特殊的海洋工作環境、工作模式以及本身設計等因素，與核電站相比其老化規律存在顯著差異，針對船用壓水堆設備老化管理規律的特點有必要做出針對性分析，根據各個設備特點的不同提出應對策略，才能夠確保在服役的中后期相關設備的可靠運行，且保證必要的安全裕量。

1 設備的分類

船用壓水堆各個設備功能、組成結構以及運行狀態等因素并不完全相同。基于各個設備的可靠性、安全性等因素將其劃分為3個部分：全壽期設備、安全設備以及其他。而一回路設備即屬于全壽期設備又屬于安全設備，因此一回路設備應當作為老化管理分析的重中之重。根據一回路相關設備老化機理的不同將其分為9類展開研究。

（1）主泵。船用壓水堆采用屏蔽泵作為主冷卻劑泵，葉輪工作環境為高溫高壓高鹽高濕。相應產生的熱應力以及磨損都會使得葉輪逐漸老化。而電機繞組絕緣老化的一個表現形式即匝間絕緣和對地絕緣的嚴重降低甚至擊穿。磨損同時也是各種軸承老化最主要的原因。

（2）蒸汽發生器。根據已有數據來看，核電站由于蒸汽發生器老化導致的停堆事故80%均由傳熱管的腐蝕老化引起。傳熱管一般采用鎳基合金和奧氏體不銹鋼。船用壓水堆蒸汽發生器工作環境惡劣，傳熱管老化的主要因素為機械損傷以及腐蝕。

（3）壓力容器。壓力容器的老化機理主要包括3個方面。第一：輻照脆化。輻照脆化是壓力容器最主要的老化機理，分析狀態指標的發展趨勢可以知道，壓力容器狀態指標是無塑性轉變溫度的轉移；第二：變形。長期載荷作用引起的過度變形，這包括塑性失穩和屈伸；第三：疲勞。主要指低循環疲勞。

（4）一回路管道。即主管道及連接于主管道的冷卻劑管道。一回路管道在高溫高壓高鹽高濕高輻照環境下運行，各種振動熱沖擊、腐蝕以及應力因素均會使得管道逐漸老化，而偏離其原始狀態。

（5）相關閥門。閥門老化的表現形式即喪失密封性導致的外漏、內漏，外漏將會使得帶有放射性的冷卻劑外泄，造成放射性擴散。內漏即因為長期運行產生變形或者磨損使得閥座兩密封面與啟閉件關不嚴，導致不能按需要截斷冷卻劑。

（6）儀器、儀表設備。一方面，部分電子設備、探頭等內部結構會因為存在凝水而腐蝕，導致絕緣性能下降甚至短路；另一方面，伴隨著開關次數增加帶來的熱循環將會導致設備的疲勞，引起部分焊接點出現裂紋甚至斷開，最終導致相關設備功能性老化。

（7）電纜。堆艙內電纜在高溫高輻射條件下運行，將會逐漸變脆變硬，潮濕也會使得電纜出現絕緣降低，長期的機械應力又會使得電纜內部線路折斷。其老化速度也會因為輻射和高溫高濕的聯合作用而加速。

（8）堆內構件。堆內構件多采用奧氏體不銹鋼，某些緊固件以及彈簧采用為鎳基合金。堆內構件最主要的老化機理為腐蝕、機械磨損、輻照脆化以及輻照導致的松弛、蠕變以及過度膨脹等。

（9）支撐結構等其他非能動設備。所有設備的老化機理均與其接觸的介質及環境相關。主要的老化因素有應力疲勞、熱疲勞以及腐蝕和輻照脆化等。

2 一回路管道老化管理分析

一回路管道運行環境惡劣，其主要的老化機理有大氣腐蝕、熱疲勞以及應力腐蝕，一旦破裂造成失水事故，甚至影響整個船用壓水堆的安全運行，因此有必要專門針對一回路管道展開重點分析。其中穩壓器波動管同時連接穩壓器和主管道，波動管內冷卻劑主要受到溫度變化的影響，其運行工況更為復雜。

2.1 穩壓器波動管老化分析

穩壓器內壓力不斷波動必然給波動管帶來一定的熱沖擊，其最主要的老化機理為熱疲勞，而以往的疲勞設計對于熱沖擊帶來的熱分層以及瞬態熱沖擊往往考慮較少。

熱分層作為最大載荷，分析其產生的原因，當波動管內液體流速較低且主管道與穩壓器存在較大溫差時，將產生相應的浮力頭，而水平管內液體的分層與弗勞德數（液體承受的速度頭與浮力頭之比）相關。在反應堆啟停堆時，溫差較大，帶來的熱分層也較為嚴重。波動管內的層流現象使得沿管道截面溫度梯度呈非線性分析，冷熱流體交界處也存在一定的階躍變化。相應的，沿著管道壁面方向將會產生彎曲應力，同時由于管道存在彎曲帶來的環繞應力。在管道熱、冷流區域分別存在軸應壓力以及軸拉應力，并且彎曲應力受到流量率的影響。波動管內也會因層流與紊流的變換而增大循環應力的振幅作用，從而使得波動管出現明顯的偏移或彎曲，甚至永久性變形。

2.2 管道老化緩解措施

（1）熱疲勞延緩措施。造成熱疲勞最主要因素為熱分層以及熱沖擊。可以適當改進一回路的工作方式以降低溫差，最終降低熱分層和熱沖擊。另外也可以改進設計，從而延緩熱疲勞。

（2）振動疲勞的延緩措施。當存在小破口或者毫米量級的振幅位移時，需要排除振動的來源以降低疲勞。當存在較大的壓力時，可通過相關閥門或者加噴頭控制壓力，也可以通過在管殼外加入固定裝置減小振動。

3 結語

參考一回路管道老化管理，現將一回路其他設備老化管理分析的步驟總結如下。

（1）設備整體性能的確定。伴隨著服役時間的延長，設備逐漸偏離其原始狀態，必然會出現某些物理或者化學信號的變化。有效測量該信號參數，便可以反映出設備當前整體性能，在設備整體性能降低到閾值之前提前獲知相關信息，避免事故的發生。

（2）老化程度的監測方法。通過對設備當前物理或者化學信號的采集，對設備老化程度做出有效判斷。該方法應具有足夠的可靠性及較好的靈敏度以及控制在合理的費用之內。

（3）設備性能趨勢的分析與判斷。該步是極為重要的一環，需要將現有數據同以往經驗對比，并與最小驗收準則相比較。根據設備的類型、特點確定對哪些信號進行檢查并分析；并確定如何根據已有信息準確評估出設備的整體性能。根據相關數據的分析研究，便可針對性地提出相應老化管理方法。如在設備故障前，做出準確判斷并主動維修，以及對某些具體操作規程做出適當改進等。

參考文獻

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