核電廠消防水系統管道監督方法及管理建議

姚 凱 賀鈺林

（福建福清核電有限公司，福建 福清350300）

0 引言

根據IAEA發布的法國核電廠發生的一起核安全2級事件：碳鋼材質的消防水系統管道由于腐蝕減薄，經分析評估發現不滿足抗震要求。假如發生地震導致管道破裂，引起內部水淹可能會影響同一泵房內重要廠用水泵的可用性，最終會導致熱阱喪失。

消防水生產系統的功能是為整個核電廠區提供火災發生時滿足壓力要求的消防水，系統不承擔安全功能，但它與核電廠的運行安全相關。安裝在PX泵房的消防水系統管道，管線布置復雜，最高處與地面落差超過20 m，包括直管段、彎頭、大小頭、三通、閥門或孔板等部件。

針對這些部件采用常規超聲測厚技術，存在檢測效率低，且需要大量腳手架配合工作，實施帶來的工業安全風險極高，同時該技術存在漏檢腐蝕缺陷的風險。超聲導波利用的是低頻超聲波，可以沿管道傳播幾十米，且可以跨越焊縫、彎頭繼續向前傳播，檢測速度快、效率高；檢測幾乎不受內部介質的影響，可以在線檢測管道全壁厚檢測。

1 腐蝕原因

消防水系統管道為碳鋼無縫鋼管（牌號：A106Gr.B、A234Gr.WPB），外壁紅色油漆涂層，內壁無涂層，主要存在管瘤腐蝕風險，管道內污垢沉積出現管結瘤，發生細菌腐蝕、微生物腐蝕（局部電化學腐蝕）。管結瘤腐蝕與溶解氧、Cl-、SO42-、微生物硫酸根還原菌和產酸菌等直接相關，均取決于消防水的補水周期，根據研究資料消防水管道內部腐蝕速率與介質狀態的關系如表1所示。

正常狀態下，消防水系統只有在特定條件下才會流動或補充水，如定期試驗、檢修時排空等。其中“消防水泵可用性”定期試驗，最小試驗周期為1月/次，試驗期間消防水泵從消防水池吸水、通過小流量管線回流至消防水池，因此消防水系統管道存在腐蝕風險。

表1 消防水管道腐蝕速率表

2 監督方法

安裝在PX泵房的消防水系統管道制造公差為±12.5%，實測壁厚大于87.5%名義壁厚，則管道壁厚滿足設計要求，檢驗范圍內管道規格如表2所示。

表2 管道規格減薄判定值

2.1 監督方法

2.1.1 超聲導波檢測原理

消防水系統管道采用超聲導波進行初步排查，檢查設備分為磁致伸縮和壓電陶瓷兩種類型，本文以磁致伸縮設備為例進行檢查。磁致伸縮超聲導波測厚是利用磁致伸縮效應，導波在管道中產生縱波、扭力波和彎曲波等三種模態，其中扭力波的聲速不隨導波的頻率改變而變化，而且扭力波只在固體中傳播，通過分析扭力波實現管道的檢測。檢測原理為探頭陣列發出一束超聲能量脈沖，此脈沖充斥整個管道圓周方向和整個管道壁厚，導波在向遠處傳播時遇到管道橫截面積減薄或增厚時，導波信號會發生反射、散射等現象，進而會有一定比例的能量波被反射回傳感器，因此通過分析反射回波來發現和判斷缺陷的大小。同時根據缺陷產生的附加波形轉換信號，可以將缺陷信號與管道特征信號（如環焊縫、支撐等）識別開來。

2.1.2 檢測技術

磁致伸縮超聲導波測厚系統包括磁致伸縮儀、探頭、專用耦合劑組成，其中探頭又由鐵鈷帶薄片、帶式線圈和適配器組成。將鐵鈷帶薄片布置在管道上并進行磁化，將帶式線圈包覆鐵鈷帶薄片并連接適配器，適配器可根據需求制定合適的長度，如高空管線，可將適配器的一端接口延長至地面，后續將不需要再搭設腳手架。

儀器校準可在實驗室內選擇校準試樣對檢驗儀器進行校準。校準試樣選用壓力管道常用的無縫鋼管制作，校準試樣應具有3%、6%和9%截面損失率的橫向環形切槽各一個，切槽的寬度在0.5～2 mm的范圍，深度方向的公差不大于±0.2 mm；校準試樣應具有2個（含）以上環焊縫。儀器校準主要對超聲導波檢測儀器進行靈敏度和功能測試。

檢測頻率建議首先使用128 kHz扭力波適配器開展檢測，至少錄入兩組不同頻率扭轉模態波的檢測數據，若檢測數據能夠清晰反映所測管道特征，則不再選擇其他頻率。如衰減較大時，建議使用64 kHz和32 kHz扭力波適配器開展檢測，當檢測數據不能清晰反映所測管道特征，所測管道段補充常規超聲測厚或其他無損檢測方法進行壁厚測量。

虛假信號通過采用分析軟件標記多重反射位置和通過增加頻率的掃查區間，對比不同頻率的距離—幅值曲線，判斷虛假信號是否一直出現，通過上述分析不能排查的信號按照異常信號處理。發現異常信號（非虛假信號）時，建議以焊縫15%回波或法蘭80%回波為基準曲線，截面損失率超過2%作為記錄閾值，列為異常信號。對于異常信號顯示，補充常規超聲測厚和相控陣超聲檢測。

2.2 異常信號處理

對于導波檢測發現管道減薄的位置，所在管道異常信號建議根據ASME第III卷NB-3641.1計算管道最小壁厚值，初步計算公式如下:

式中：

A：考慮腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，建議選取2 mm；

D0：管道外徑，取用公稱直徑，mm；

P：設計壓力，MPa；

Sm：設計溫度下材料的最大許用應力強度，碳鋼取138 MPa；

tm：要求的最小壁厚；

y：溫度對計算管子壁厚公式的修正系數，取0.4。

通過計算，管道實測壁厚大于要求的最小壁厚，結合減薄速率和檢查周期進行評估，當剩余壽命小于2年時，部件有可能在下個檢查周期前損壞，影響電廠安全應進行維修或更換。

2.3 檢查周期

每臺機組消防水系統有并列兩列，一用一備。根據管道減薄敏感性和運行重要性，建議將消防水系統管道安全狀況等級按照GC1級進行管理，其檢驗周期不超過6年。

3 管理建議

通過上面的分析，核電廠消防水系統管道建議從以下三個方面進行管理：

（1）納入金屬監督大綱管理范圍。將PX泵房消防水系統管道納入金屬監督大綱按照FAC原則進行管理，檢查周期不超過6年。無損檢測方法建議優先采用超聲導波進行初步排查，對于超聲導波發現的異常信號補充常規測厚和超聲相控陣檢查技術。

（2）建立日常巡檢制度。消防水系統日常運行期間，運行值班人員每天對PX泵房消防水管道進行巡檢。同時編制應急處置方案，當發生緊急情況時可以快速處理，保障機組安全。

（3）提前規劃維修技術儲備、備件采購。依據消防水系統管道設計文件，提前準備好焊接工藝、焊接人員等，同時做好備件采購，當發生異常情況時可以及時維修或更換。