船用壓水堆設(shè)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(jìn)入工作的中后期，老化管理的相關(guān)工作也隨之展開(kāi)，根據(jù)船用壓水堆相關(guān)設(shè)備不同的老化特點(diǎn)，將其進(jìn)行了分組，分別進(jìn)行了老化管理的分析，并重點(diǎn)研究了反應(yīng)堆一回路管道的老化機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)有故障診斷及狀態(tài)檢測(cè)相關(guān)理論，對(duì)老化管理相應(yīng)對(duì)策的提出做出了有益的探索。

關(guān)鍵詞：船用壓水堆 設(shè)備 一回路管道 老化管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TL353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（b）-0088-02

老化，即伴隨著工作年限的增加，相關(guān)設(shè)備的物理或者化學(xué)等相關(guān)特性逐漸偏離初始狀態(tài)，設(shè)備整體性能逐漸降低的過(guò)程。由于相關(guān)設(shè)備的老化，國(guó)外某核電站就發(fā)生過(guò)蒸汽發(fā)生器傳熱管支撐板損傷以及壓力容器頂蓋貫穿件的應(yīng)力腐蝕破裂（SCC）等事故。國(guó)內(nèi)大亞灣核電站也已經(jīng)展開(kāi)了老化管理相關(guān)的工作，但船用壓水堆由于其特殊的海洋工作環(huán)境、工作模式以及本身設(shè)計(jì)等因素，與核電站相比其老化規(guī)律存在顯著差異，針對(duì)船用壓水堆設(shè)備老化管理規(guī)律的特點(diǎn)有必要做出針對(duì)性分析，根據(jù)各個(gè)設(shè)備特點(diǎn)的不同提出應(yīng)對(duì)策略，才能夠確保在服役的中后期相關(guān)設(shè)備的可靠運(yùn)行，且保證必要的安全裕量。

1 設(shè)備的分類(lèi)

船用壓水堆各個(gè)設(shè)備功能、組成結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行狀態(tài)等因素并不完全相同。基于各個(gè)設(shè)備的可靠性、安全性等因素將其劃分為3個(gè)部分：全壽期設(shè)備、安全設(shè)備以及其他。而一回路設(shè)備即屬于全壽期設(shè)備又屬于安全設(shè)備，因此一回路設(shè)備應(yīng)當(dāng)作為老化管理分析的重中之重。根據(jù)一回路相關(guān)設(shè)備老化機(jī)理的不同將其分為9類(lèi)展開(kāi)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(huán)境為高溫高壓高鹽高濕。相應(yīng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及磨損都會(huì)使得葉輪逐漸老化。而電機(jī)繞組絕緣老化的一個(gè)表現(xiàn)形式即匝間絕緣和對(duì)地絕緣的嚴(yán)重降低甚至擊穿。磨損同時(shí)也是各種軸承老化最主要的原因。

（2）蒸汽發(fā)生器。根據(jù)已有數(shù)據(jù)來(lái)看，核電站由于蒸汽發(fā)生器老化導(dǎo)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(fā)生器工作環(huán)境惡劣，傳熱管老化的主要因素為機(jī)械損傷以及腐蝕。

（3）壓力容器。壓力容器的老化機(jī)理主要包括3個(gè)方面。第一：輻照脆化。輻照脆化是壓力容器最主要的老化機(jī)理，分析狀態(tài)指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)可以知道，壓力容器狀態(tài)指標(biāo)是無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度的轉(zhuǎn)移；第二：變形。長(zhǎng)期載荷作用引起的過(guò)度變形，這包括塑性失穩(wěn)和屈伸；第三：疲勞。主要指低循環(huán)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(huán)境下運(yùn)行，各種振動(dòng)熱沖擊、腐蝕以及應(yīng)力因素均會(huì)使得管道逐漸老化，而偏離其原始狀態(tài)。

（5）相關(guān)閥門(mén)。閥門(mén)老化的表現(xiàn)形式即喪失密封性導(dǎo)致的外漏、內(nèi)漏，外漏將會(huì)使得帶有放射性的冷卻劑外泄，造成放射性擴(kuò)散。內(nèi)漏即因?yàn)殚L(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生變形或者磨損使得閥座兩密封面與啟閉件關(guān)不嚴(yán)，導(dǎo)致不能按需要截?cái)嗬鋮s劑。

（6）儀器、儀表設(shè)備。一方面，部分電子設(shè)備、探頭等內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)榇嬖谀g，導(dǎo)致絕緣性能下降甚至短路；另一方面，伴隨著開(kāi)關(guān)次數(shù)增加帶來(lái)的熱循環(huán)將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的疲勞，引起部分焊接點(diǎn)出現(xiàn)裂紋甚至斷開(kāi)，最終導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備功能性老化。

（7）電纜。堆艙內(nèi)電纜在高溫高輻射條件下運(yùn)行，將會(huì)逐漸變脆變硬，潮濕也會(huì)使得電纜出現(xiàn)絕緣降低，長(zhǎng)期的機(jī)械應(yīng)力又會(huì)使得電纜內(nèi)部線路折斷。其老化速度也會(huì)因?yàn)檩椛浜透邷馗邼竦穆?lián)合作用而加速。

（8）堆內(nèi)構(gòu)件。堆內(nèi)構(gòu)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(nèi)構(gòu)件最主要的老化機(jī)理為腐蝕、機(jī)械磨損、輻照脆化以及輻照導(dǎo)致的松弛、蠕變以及過(guò)度膨脹等。

（9）支撐結(jié)構(gòu)等其他非能動(dòng)設(shè)備。所有設(shè)備的老化機(jī)理均與其接觸的介質(zhì)及環(huán)境相關(guān)。主要的老化因素有應(yīng)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(yùn)行環(huán)境惡劣，其主要的老化機(jī)理有大氣腐蝕、熱疲勞以及應(yīng)力腐蝕，一旦破裂造成失水事故，甚至影響整個(gè)船用壓水堆的安全運(yùn)行，因此有必要專(zhuān)門(mén)針對(duì)一回路管道展開(kāi)重點(diǎn)分析。其中穩(wěn)壓器波動(dòng)管同時(shí)連接穩(wěn)壓器和主管道，波動(dòng)管內(nèi)冷卻劑主要受到溫度變化的影響，其運(yùn)行工況更為復(fù)雜。

2.1 穩(wěn)壓器波動(dòng)管老化分析

穩(wěn)壓器內(nèi)壓力不斷波動(dòng)必然給波動(dòng)管帶來(lái)一定的熱沖擊，其最主要的老化機(jī)理為熱疲勞，而以往的疲勞設(shè)計(jì)對(duì)于熱沖擊帶來(lái)的熱分層以及瞬態(tài)熱沖擊往往考慮較少。

熱分層作為最大載荷，分析其產(chǎn)生的原因，當(dāng)波動(dòng)管內(nèi)液體流速較低且主管道與穩(wěn)壓器存在較大溫差時(shí)，將產(chǎn)生相應(yīng)的浮力頭，而水平管內(nèi)液體的分層與弗勞德數(shù)（液體承受的速度頭與浮力頭之比）相關(guān)。在反應(yīng)堆啟停堆時(shí)，溫差較大，帶來(lái)的熱分層也較為嚴(yán)重。波動(dòng)管內(nèi)的層流現(xiàn)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(yīng)的，沿著管道壁面方向?qū)?huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，同時(shí)由于管道存在彎曲帶來(lái)的環(huán)繞應(yīng)力。在管道熱、冷流區(qū)域分別存在軸應(yīng)壓力以及軸拉應(yīng)力，并且彎曲應(yīng)力受到流量率的影響。波動(dòng)管內(nèi)也會(huì)因?qū)恿髋c紊流的變換而增大循環(huán)應(yīng)力的振幅作用，從而使得波動(dòng)管出現(xiàn)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(dāng)改進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)，從而延緩熱疲勞。

（2）振動(dòng)疲勞的延緩措施。當(dāng)存在小破口或者毫米量級(jí)的振幅位移時(shí)，需要排除振動(dòng)的來(lái)源以降低疲勞。當(dāng)存在較大的壓力時(shí)，可通過(guò)相關(guān)閥門(mén)或者加噴頭控制壓力，也可以通過(guò)在管殼外加入固定裝置減小振動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

參考一回路管道老化管理，現(xiàn)將一回路其他設(shè)備老化管理分析的步驟總結(jié)如下。

（1）設(shè)備整體性能的確定。伴隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，設(shè)備逐漸偏離其原始狀態(tài)，必然會(huì)出現(xiàn)某些物理或者化學(xué)信號(hào)的變化。有效測(cè)量該信號(hào)參數(shù)，便可以反映出設(shè)備當(dāng)前整體性能，在設(shè)備整體性能降低到閾值之前提前獲知相關(guān)信息，避免事故的發(fā)生。

（2）老化程度的監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)設(shè)備當(dāng)前物理或者化學(xué)信號(hào)的采集，對(duì)設(shè)備老化程度做出有效判斷。該方法應(yīng)具有足夠的可靠性及較好的靈敏度以及控制在合理的費(fèi)用之內(nèi)。

（3）設(shè)備性能趨勢(shì)的分析與判斷。該步是極為重要的一環(huán)，需要將現(xiàn)有數(shù)據(jù)同以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，并與最小驗(yàn)收準(zhǔn)則相比較。根據(jù)設(shè)備的類(lèi)型、特點(diǎn)確定對(duì)哪些信號(hào)進(jìn)行檢查并分析；并確定如何根據(jù)已有信息準(zhǔn)確評(píng)估出設(shè)備的整體性能。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析研究，便可針對(duì)性地提出相應(yīng)老化管理方法。如在設(shè)備故障前，做出準(zhǔn)確判斷并主動(dòng)維修，以及對(duì)某些具體操作規(guī)程做出適當(dāng)改進(jìn)等。

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