壽期管理在核電廠凝汽器中的應(yīng)用研究

余桐泉，呂方明，馬谷劍，陳 平

（1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢；2.福建福清核電有限公司，福建 福清）

壽期管理整合了老化管理和經(jīng)濟(jì)計(jì)劃，在保障安全性和性能的前提下，優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)營、維修和服役壽命，實(shí)現(xiàn)核電廠投資收益最大化[1]。美國EPRI 較早成立了壽期管理技術(shù)組，研究了LCM 技術(shù)在核電廠的應(yīng)用。目前美國絕大多數(shù)機(jī)組開發(fā)了專項(xiàng)設(shè)備的壽期管理計(jì)劃[2]，為機(jī)組營運(yùn)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

近年來，為了提高機(jī)組營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性，中國核電持續(xù)推進(jìn)壽期管理在各電廠的應(yīng)用，旗下機(jī)組均開展了不同程度的壽期管理工作，建立了設(shè)備壽期管理的能力。大亞灣核電早期也理解消化了壽期管理技術(shù)，應(yīng)用在了給水加熱器等設(shè)備上[3]。

凝汽器是核電廠的關(guān)鍵敏感設(shè)備，一旦故障，機(jī)組可能要降功率甚至停機(jī)來修復(fù)，會(huì)造成發(fā)電損失。在長期運(yùn)維過程中，維護(hù)成本、故障修復(fù)費(fèi)用、機(jī)組發(fā)電損失之間存在一個(gè)平衡點(diǎn)，此時(shí)經(jīng)濟(jì)性最佳。本文以某核電廠凝汽器為壽期管理對(duì)象，評(píng)估其在服役過程中遇到的技術(shù)問題，為其制定合理的運(yùn)維方案，對(duì)比分析經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，決策出最優(yōu)的維護(hù)計(jì)劃。

1 核電廠凝汽器基礎(chǔ)信息

某核電廠凝汽器為雙殼體、單流程、單背壓表面式凝汽器。由喉部、殼體、水室、熱阱等組成。喉部與低壓缸排汽口剛性連接，熱阱底部與混凝土基礎(chǔ)剛性支撐。

2 維護(hù)活動(dòng)評(píng)估

2.1 老化效應(yīng)/機(jī)理評(píng)估

凝汽器部件在服役過程中會(huì)降質(zhì)，參考美國核電廠通用老化經(jīng)驗(yàn)[4]分析老化效應(yīng)，結(jié)合行業(yè)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，審查電廠管理措施，結(jié)果見表1。基于審查結(jié)果，提出以下維護(hù)活動(dòng)建議：

表1 老化管理審查結(jié)果

（1） 增加活動(dòng)：對(duì)抽汽管道測厚、周期為2C。

（2） 增加對(duì)抽空氣管道汽側(cè)不可達(dá)位置的腐蝕檢查、抽空氣管道與水室殼體接觸處的密封檢查活動(dòng)，但電廠尚不具備實(shí)施該活動(dòng)的能力，建議開展相關(guān)的技術(shù)研究。

2.2 部件故障后果評(píng)估

預(yù)防性維修活動(dòng)不足導(dǎo)致部件故障頻率高，頻率過高導(dǎo)致部件維護(hù)成本高。審查維護(hù)活動(dòng)的有效性，提出優(yōu)化建議，達(dá)到前期投入和故障后果兩者間的平衡。審查凝汽器維修/檢查報(bào)告，提出以下活動(dòng)建議：

（1） 傳熱管渦流檢測比例提高到20%。傳熱管通過渦流檢測來跟蹤壁厚損傷情況，損傷嚴(yán)重時(shí)堵管。抽檢比例為12.5%時(shí)，可能無法及時(shí)檢測。參考同行電廠的抽檢比例，提出將渦流檢測比例提高到20%，以減輕傳熱管泄漏問題。

（2） 傳熱管堵頭更換周期縮短至4C。堵頭脫落后，破損傳熱管會(huì)再次泄漏。電廠更換堵頭的周期為6C，國內(nèi)相同凝汽器結(jié)構(gòu)的電廠堵頭更換周期為4C。堵頭價(jià)值不高、安裝簡單，但一旦脫落，若造成傳熱管泄漏，帶來的維修費(fèi)用和機(jī)組發(fā)電損失可能遠(yuǎn)超堵頭更換費(fèi)用，因此建議將堵頭更換周期縮短至4C。

3 部件壽命評(píng)估

傳熱管和水室襯膠是影響凝汽器運(yùn)行的重要部件，其壽命決定了改造更換決策。

3.1 傳熱管

運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)要求：破損冷卻管數(shù)量多達(dá)每個(gè)管束管數(shù)的5%時(shí)，需考慮換管。

該機(jī)組有2 臺(tái)凝汽器，每臺(tái)有2 組管束。每組管束的傳熱管總數(shù)為16 052，換管閾值為802。傳熱管渦流檢測結(jié)果形成了檢測時(shí)間、堵管數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)。經(jīng)多種函數(shù)擬合，選用精度最高且符合堵管數(shù)增長趨勢的對(duì)數(shù)模型作為預(yù)測函數(shù)[5]。4 個(gè)管束的堵管情況見圖1。可見，40 年壽期末各管束的堵管數(shù)不會(huì)超過閾值，可不考慮換管。注意，上述堵管預(yù)測結(jié)果基于當(dāng)前的渦流檢測結(jié)果，隨著服役時(shí)間延長，堵管數(shù)據(jù)會(huì)更豐富，建議定期更新堵管預(yù)測結(jié)果，使其更符合實(shí)際服役情況，從而制定更精確的換管計(jì)劃。

圖1 堵管預(yù)測結(jié)果

3.2 水室襯膠

凝汽器水室殼體為碳鋼，內(nèi)側(cè)涂敷天然橡膠和氯丁橡膠，設(shè)計(jì)壽命為20 年，不足以服役至機(jī)組壽期末。

國內(nèi)機(jī)組水室襯膠有氯丁橡膠、高固態(tài)環(huán)氧防腐涂層等，翻新經(jīng)驗(yàn)見表2。還形成了水室襯膠老化狀態(tài)檢測的指標(biāo)和剩余壽命評(píng)估的依據(jù)[6-7]。

表2 水室襯膠翻新經(jīng)驗(yàn)

結(jié)合行業(yè)水室襯膠維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，建議對(duì)水室襯膠實(shí)施以下維護(hù)活動(dòng)：

（1） 到期實(shí)施水室襯膠翻新。雙層橡膠按設(shè)計(jì)壽命20 年翻新，單層橡膠按行業(yè)壽命15 年翻新，高固態(tài)防腐涂層按行業(yè)壽命8 年翻新。

（2） 定期開展水室襯膠的老化狀態(tài)評(píng)估和剩余壽命預(yù)測工作，以硬度、抗拉強(qiáng)度等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出剩余壽命。

4 長期運(yùn)維方案制定與評(píng)估

該機(jī)組運(yùn)行許可證期限至2054 年，在2021 年至2054 年制定運(yùn)維方案。

4.1 長期運(yùn)維方案

以老化管理審查和部件壽命評(píng)估結(jié)果為基礎(chǔ)，制定了三種運(yùn)維方案，即：

（1） 方案1A：①維持原來的維護(hù)活動(dòng)；②2034年和2049 年，翻新8 個(gè)水室的襯膠，材料為單層橡膠。

（2） 方案1B：①2024 年開始，新增“低壓加熱器抽汽管道的壁厚測量，周期為2C”的活動(dòng)；②2024 年開始，鈦管渦流檢測的抽檢比例由12.5%提高至20%；③2021 年開始，鈦管堵頭定期更換的周期由6C縮短至4C；④2034 年和2049 年，翻新8 個(gè)水室的襯膠，材料為單層橡膠。

（3） 方案1C：①2024 年開始，新增“低壓加熱器抽汽管道的壁厚測量，周期為2C”的活動(dòng)；②2024 年開始，鈦管渦流檢測的抽檢比例由12.5%提高至20%；③2021 年開始，鈦管堵頭定期更換的周期由6C縮短至4C；④2034 年、2042 年和2049 年，翻新8 個(gè)水室的襯膠，材料為高固態(tài)環(huán)氧防腐涂層。

4.2 經(jīng)濟(jì)評(píng)估指標(biāo)

為比較4.1 節(jié)中各方案經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)劣，提出以總費(fèi)用C 和收益投資比BIR 兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)作為評(píng)估依據(jù)，即：

式中：CPM為預(yù)防性維修費(fèi)用；CRR為更換費(fèi)用；CCM為糾正性維修費(fèi)用；CLPG為機(jī)組發(fā)電損失；CHPG為機(jī)組發(fā)電效益。

考慮通貨膨脹率和折現(xiàn)率，將計(jì)算年份的費(fèi)用值折算到基準(zhǔn)年，公式如下：

式中：Cj為第j 年的費(fèi)用；k 為通貨膨脹率；d 為折現(xiàn)率；tNPV為基準(zhǔn)年。

4.3 經(jīng)濟(jì)評(píng)估結(jié)果

利用維護(hù)活動(dòng)的費(fèi)用和部件故障后果，得到了各運(yùn)維方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，見表3。由此可知：

表3 運(yùn)維方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

（1） 與方案1A 相比，方案1B 加強(qiáng)了預(yù)防性維修活動(dòng)，預(yù)防性維修費(fèi)用增加，糾正性維修費(fèi)用和發(fā)電損失減少。

（2） 與方案1B 相比，方案1C 改變了翻新后的水室襯膠材料。一方面方案1C 的水室襯膠材料相較于方案1B 破損頻率高，另一方面服役壽命短，需要采取更多次翻新，每次翻新會(huì)延長機(jī)組預(yù)期大修時(shí)長，因此方案1C 相對(duì)于方案1B 更換費(fèi)用、糾正性維修費(fèi)用和發(fā)電損失均有增加。

（3） 從總費(fèi)用來看，三種方案的優(yōu)先級(jí)由高到低為：1B、1A、1C。從收益投資比來看，三種方案的優(yōu)先級(jí)由高到低為：1B、1A、1C。綜合總費(fèi)用和收益投資比，三種方案的優(yōu)先級(jí)從高到低為：1B、1A、1C。

5 結(jié)論

通過本文的研究，得出以下結(jié)論：

（1） 抽空氣管道汽側(cè)不可達(dá)位置的腐蝕檢查、抽空氣管道與水室接觸位置的密封性檢查是凝汽器長期維護(hù)的短板，應(yīng)開展必要的技術(shù)研發(fā)，降低部件失效風(fēng)險(xiǎn)。

（2） 現(xiàn)有檢查數(shù)據(jù)表明，機(jī)組壽期末不會(huì)超出凝汽器堵管閾值。建議根據(jù)每次大修的現(xiàn)場堵管數(shù)據(jù)定期更新堵管預(yù)測模型，基于堵管預(yù)測值更新?lián)Q管決策。

（3） 本文的分析結(jié)果顯示方案1B 的經(jīng)濟(jì)性最佳，建議電廠增加“低壓加熱器抽汽管道的壁厚測量，周期為2C”的活動(dòng)、將鈦管渦流抽檢比例由12.5%增加到20%、將堵頭更換周期由6C 縮短至4C。