HFETR的老化管理研究與實(shí)踐

鄧云李，韓良文，李子彥，蔡文超，劉 鵬，趙 鵬，高業(yè)棟，賴立斯

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610213）

高通量工程試驗(yàn)堆（High Flux Engineering Test Reactor，簡(jiǎn)稱HFETR）是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的壓力容器式多用途研究堆，其設(shè)計(jì)功率125 MW，最高熱中子注量率6.2×1014n/cm2·s，最高快中子注量率1.7×1015n/cm2·s。HFETR于1968年5月15日批準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造，1971年3月破土動(dòng)工，1979年12月達(dá)臨界，設(shè)計(jì)壽命20年。

由于缺乏技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)管要求［1］，在達(dá)到設(shè)計(jì)壽期后，還未對(duì)HFETR的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備（Structures Systems and Components，簡(jiǎn)稱SSCs）開(kāi)展系統(tǒng)性的老化管理研究工作，直到在2001年7月的國(guó)家核安全局（The National Nuclear Safety Administration，簡(jiǎn)稱NNSA）與中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院（Nuclear Power Institute of China，簡(jiǎn)稱NPIC）的對(duì)話會(huì)上，確定對(duì)HFETR進(jìn)行定期安全審查［2］，并將老化管理作為定期安全審查的關(guān)鍵要素之一。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外核動(dòng)力廠及研究堆相關(guān)法規(guī)、導(dǎo)則、標(biāo)準(zhǔn)及老化管理相關(guān)的文獻(xiàn)資料［3，4］，NPIC開(kāi)始進(jìn)行SSCs的老化認(rèn)知及機(jī)理研究，完成老化管理對(duì)象篩選，編制了老化管理計(jì)劃即HFETR老化管理大綱，并按照老化管理計(jì)劃積極開(kāi)展定期試驗(yàn)、預(yù)防性維修、監(jiān)督檢查等老化管理活動(dòng)。

通過(guò)系統(tǒng)性的老化管理研究，HFETR的老化管理得到了NNSA的認(rèn)可，滿足定期安全審查的要求。通過(guò)NNSA組織的三次定期安全審查，HFETR已延壽至40年，HFETR的安全運(yùn)行歷史和當(dāng)前設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)表明，HFETR的老化管理研究與實(shí)踐是有效的，有望延壽至50年。

1 HFETR的老化管理

老化是SSCs的特征隨時(shí)間或使用逐漸變化的過(guò)程，使SSCs的老化控制在可接受限值內(nèi)而采取的工程、運(yùn)行和維護(hù)等活動(dòng)，稱為老化管理［5］。對(duì)SSCs實(shí)施有效的老化管理，能夠確定降低反應(yīng)堆安全裕度的老化影響因素，并能夠在SSCs的完整性或功能喪失之前采取糾正行動(dòng)，從而維持了反應(yīng)堆的安全水平。

由于缺乏研究堆老化管理相應(yīng)的法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)，HFETR的老化管理主要參考IAEA的老化管理導(dǎo)則與標(biāo)準(zhǔn)［6，7］及依據(jù)核動(dòng)力廠老化管理導(dǎo)則HAD 103/12—2012［5］編制了老化管理大綱，通過(guò)老化管理組織機(jī)構(gòu)的有效運(yùn)作，協(xié)調(diào)包括維修、在役檢查、檢查監(jiān)督、定期試驗(yàn)等已有的各個(gè)大綱，建立了“計(jì)劃-實(shí)施-檢查-行動(dòng)”（PDCA）系統(tǒng)性的老化管理方法。

1.1 老化管理組織機(jī)構(gòu)

老化管理活動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及的設(shè)備數(shù)量及設(shè)備種類眾多，涵蓋機(jī)械、電氣、儀控、運(yùn)行、化學(xué)、反應(yīng)堆物理熱工等專業(yè)，為確保HFETR老化管理活動(dòng)的有效實(shí)施，建立了如圖1所示的老化管理組織機(jī)構(gòu)。

圖1 HFETR老化管理組織機(jī)構(gòu)Fig.1 Aging management organization of HFETR

依據(jù)HAD 103/12—2012的要求，NPIC高級(jí)管理層即主管副院長(zhǎng)領(lǐng)導(dǎo)推動(dòng)HFETR的老化管理活動(dòng)，負(fù)責(zé)批準(zhǔn)老化管理大綱并為老化管理活動(dòng)調(diào)配必要的資源。科技處為老化管理的協(xié)調(diào)部門(mén)，負(fù)責(zé)老化管理計(jì)劃的協(xié)調(diào)開(kāi)展、老化管理結(jié)果的評(píng)估以及重大問(wèn)題的審查。安防處和技質(zhì)處負(fù)責(zé)處理老化管理相關(guān)的問(wèn)題，如組織制定老化管理大綱、檢查老化管理實(shí)施情況等。NPIC一所作為HFETR的直接營(yíng)運(yùn)單位，負(fù)責(zé)老化管理活動(dòng)的具體實(shí)施，包括開(kāi)展老化監(jiān)測(cè)與檢查、老化預(yù)防及老化緩解等活動(dòng)。外部單位作為技術(shù)服務(wù)方，主要向核動(dòng)力院提供老化機(jī)理分析、老化檢查技術(shù)、老化評(píng)估方法等方面的服務(wù)，并由科技處進(jìn)行接口協(xié)調(diào)。

1.2 老化管理方法

依據(jù)HAD 103/12—2012中的PDCA方法建立了HFETR的老化管理方法，如圖2所示。

圖2 HFETR的老化管理方法Fig.2 Aging management method of HFETR

對(duì)老化的認(rèn)知是有效監(jiān)測(cè)和緩解老化的基礎(chǔ)，同時(shí)也是編制老化管理大綱的前提，需要開(kāi)展SSCs老化管理對(duì)象的篩選、SSCs基本資料的收集及老化管理對(duì)象的老化機(jī)理分析，為老化的預(yù)防、檢測(cè)、緩解等提供科學(xué)依據(jù)。

（1）老化認(rèn)識(shí)

HFETR進(jìn)行SSCs老化管理的原則為分類管理，根據(jù)SSCs是否安全重要、是否易更換和老化的可能性及經(jīng)驗(yàn)反饋的結(jié)果進(jìn)行分類［8，9］，其分類原則如圖3所示。對(duì)于不可更換的安全重要SSCs作為老化管理對(duì)象，必須進(jìn)行老化評(píng)估并編制相應(yīng)的老化管理程序，按照程序?qū)嵤├匣芾砘顒?dòng)；對(duì)于易更換的安全重要設(shè)備，在必要時(shí)進(jìn)行老化評(píng)估，通過(guò)協(xié)調(diào)已有的大綱，如在役檢查大綱、維修大綱、定期試驗(yàn)與檢查大綱以及其他文件等進(jìn)行老化監(jiān)測(cè)與管理；而非安全重要設(shè)備不納入老化管理的范圍。

圖3 老化管理的分類原則Fig.3 Aging management classification principle

按照?qǐng)D3所示的分類原則確定了7個(gè)SSCs作為HFETR老化管理對(duì)象，如表1所示。

表1 HFETR老化管理對(duì)象Table1 Aging management object of HFETR

逐個(gè)對(duì)表1中的SSCs進(jìn)行老化機(jī)理分析，主要考慮運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行方式引起的老化［10］，分析結(jié)果如表2所示。

表2 HFETR老化管理對(duì)象的老化分析Table2 Aging analysisfor aging management object of HFETR

（2）老化管理活動(dòng)的建立

根據(jù)HFETR SSCs的基本資料和基于老化的認(rèn)識(shí)，編制HFETR老化管理大綱，對(duì)老化管理過(guò)程提出基本要求及指導(dǎo)。老化管理大綱通過(guò)協(xié)調(diào)已有的各個(gè)大綱包括維修、定期試驗(yàn)與檢查、在役檢查，以及運(yùn)行規(guī)程、運(yùn)行限制與條件、技術(shù)支持文件等，有效地實(shí)施老化管理活動(dòng)。依據(jù)老化管理大綱對(duì)每個(gè)老化管理對(duì)象制定了相應(yīng)的老化管理程序，規(guī)定了老化管理對(duì)象在老化管理中的活動(dòng)內(nèi)容和方法。

（3）老化管理的實(shí)施

老化管理活動(dòng)實(shí)施的目的是在SSCs的使用或運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)控制造成SSCs老化的運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行方式等因素，將SSCs性能劣化的降低到最低。老化管理活動(dòng)實(shí)施過(guò)程中常采用的方法有水質(zhì)管理、一次水泄漏率監(jiān)測(cè)、減少瞬態(tài)變化次數(shù)、最高溫度控制、參數(shù)波動(dòng)范圍控制等，并根據(jù)運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行相關(guān)設(shè)備操作，使HFETR運(yùn)行過(guò)程嚴(yán)格遵守運(yùn)行限值與條件。

（4）老化的監(jiān)測(cè)、檢查和評(píng)估

目的是通過(guò)對(duì)SSCs的檢查和監(jiān)測(cè)，及時(shí)探測(cè)和表征其顯著的性能劣化，并對(duì)所觀測(cè)到的性能劣化作出評(píng)估，以便確定所需糾正行動(dòng)的類型和時(shí)機(jī)。HFETR SSCs老化監(jiān)測(cè)、檢查的方法主要有定期試驗(yàn)、在役檢查（如無(wú)損檢查）、維修后的性能測(cè)試、運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)及狀態(tài)檢測(cè)（如系統(tǒng)泄露率，泵的運(yùn)行震動(dòng)、溫度、聲音、水質(zhì)核素分析）等，并通過(guò)監(jiān)測(cè)、檢查的結(jié)果對(duì)設(shè)備的老化情況進(jìn)行老化評(píng)估。

（5）行動(dòng)措施

對(duì)出現(xiàn)明顯老化的SSCs，依據(jù)HFETR的維修大綱對(duì)老化設(shè)備進(jìn)行糾正性維修、預(yù)防性維修或進(jìn)行技術(shù)改造更換，有效緩解設(shè)備的老化。對(duì)于具體的SSCs，應(yīng)制訂出具體的預(yù)防和緩解措施。設(shè)備老化的預(yù)防和緩解措施主要包括以下幾個(gè)方面：

（a）評(píng)價(jià)部件和系統(tǒng)降質(zhì)的監(jiān)督和檢驗(yàn)活動(dòng)；

（b）制定預(yù)防性維修大綱；

（c）進(jìn)行運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的階段性評(píng)價(jià)；

（d）優(yōu)化運(yùn)行條件；

（e）進(jìn)行部件的檢修或更換。

（6）老化管理的更新

老化管理的更新就是老化管理的過(guò)時(shí)管理，主要包括兩個(gè)方面：第一，當(dāng)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)等更新時(shí)，已由HFETR的運(yùn)行質(zhì)量保證大綱規(guī)定，需組織進(jìn)行相應(yīng)的大綱文件的更新；第二，基于自身經(jīng)驗(yàn)或外部經(jīng)驗(yàn)反饋，持續(xù)對(duì)老化管理大綱進(jìn)行改進(jìn)。

2 HFETR老化管理的實(shí)踐

HFETR建立的老化管理方法已經(jīng)過(guò)十幾年的老化管理實(shí)踐，通過(guò)HFETR的安全運(yùn)行歷史和當(dāng)前設(shè)備實(shí)際狀態(tài)表明HFETR實(shí)施的老化管理活動(dòng)是有效的，同時(shí)在老化管理過(guò)程中也積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，以HFETR壓力容器（Reactor Pressure Vessel，簡(jiǎn)稱RPV）為例［11］，簡(jiǎn)單介紹HFETR老化管理方法的實(shí)施過(guò)程。

2.1 PRV的焊縫缺陷

HFETRRPV筒體部分共分為3節(jié)，由不銹鋼板卷焊而成，中筒節(jié)容器內(nèi)側(cè)采用手工打底焊，外層采用自動(dòng)焊，對(duì)接焊的坡口型如圖4所示，焊接厚度均為15 mm。RPV組焊后，所有主焊縫都經(jīng)過(guò)100%超聲波、100%X射線探傷，檢查合格。

圖4 中筒體對(duì)接焊坡口型式Fig.4 Butt welding groovetypefor middlecylinder

筒節(jié)組焊后，為了消除殘余應(yīng)力分上下兩段放在臺(tái)式爐內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定處理。由于自動(dòng)焊絲采用H08Cr18Ni11Mo2，在穩(wěn)定化熱處理時(shí)其中的鉬元素促使焊縫材料的α鐵素體向σ相轉(zhuǎn)變。σ相是復(fù)雜的正方晶體結(jié)構(gòu)，是硬而脆的無(wú)磁相，導(dǎo)致了焊縫ak值偏低，不能滿足ak≥10 kgm/cm2的設(shè)計(jì)要求。因此49-3堆壓力容器部分縱焊縫性能降低，并且到發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)已無(wú)法消除σ相，焊縫ak值偏低成了PRV不能消除的缺陷［12］。

問(wèn)題發(fā)現(xiàn)后，在壓力容器上筒體段（50 mm厚度）切下一塊焊縫作實(shí)物試件，由哈爾濱焊接研究所作U形缺口沖擊試驗(yàn)，主要結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 筒體對(duì)接焊縫的沖擊性能Table 3 Impact property of cylinder weld

經(jīng)RPV的應(yīng)力強(qiáng)度模擬計(jì)算表明，壁厚為11.98 mm就能夠滿足ASME對(duì)屈服強(qiáng)度的規(guī)定。由表3可知，手工焊縫部分（焊縫下層）ak滿足設(shè)計(jì)要求，而手工焊厚度有15 mm，實(shí)際運(yùn)行時(shí)滿足強(qiáng)度要求。

2.2 PRV的老化管理活動(dòng)

經(jīng)研究表明RPV材料老化的機(jī)理主要：輻照脆化、熱老化、回火脆化、疲勞、腐蝕、磨損［13］，而限制RPV壽命的最重要的老化機(jī)理是堆芯筒體段的輻照脆化［14，15］。由于HFETRPRV材料為奧氏體不銹鋼，基本上沒(méi)有脆化轉(zhuǎn)變點(diǎn)［16］，但由于PRV的焊縫缺陷，HFETRPRV中筒節(jié)焊縫的輻照脆化成了HFETR老化管理的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)HFETR PRV各部件的材料、運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行老化識(shí)別，其中主要的老化機(jī)理為：輻照脆化、疲勞、應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、熱老化幾個(gè)方面。并依據(jù)HFETR的老化管理大綱編制了HFETRRPV老化管理程序，規(guī)定了老化管理中具體的實(shí)施、監(jiān)督檢查等活動(dòng)，HFETR RPV的老化管理活動(dòng)如表4所示。

表4 HFETR RPV老化管理活動(dòng)Table 4 Aging management operations of HFETR RPV

2.3 HFETR RPV的老化緩解措施

為了限制HFETR PRV中筒節(jié)焊縫的輻照脆化程度并保證在正常運(yùn)行或事故工況下的反應(yīng)堆安全，采取了如下緩解措施。

（1）提供安全保障

為限制HFETR RPV焊縫破裂事故發(fā)生的后果，利用生物屏蔽層內(nèi)的3 mm的碳鋼板與RPV之間的夾層形成一個(gè)不漏水的包容空間，該包容空間可在RPV中筒節(jié)焊縫破裂時(shí)，確保RPV內(nèi)有足夠高的水層不至于燃料元件裸露，該設(shè)施被稱為RPV二次包容；為了消除了RPV焊縫破裂及二次包容失效而導(dǎo)致堆芯裸露的安全隱患，先后增設(shè)了第二套回補(bǔ)水系統(tǒng)、應(yīng)急消防注入水系統(tǒng)、移動(dòng)式應(yīng)急供水裝置等專設(shè)安全設(shè)施，保證事故工況下的反應(yīng)堆安全。

（2）降低中子輻照損傷

為了降低HFETR RPV中筒節(jié)縱焊縫處的輻照損傷，采取了以下辦法：用SUS321不銹鋼棒代替堆內(nèi)最外一圈反射層鋁棒；堆芯采用低泄露裝載方式；堆芯燃料區(qū)外布置一定數(shù)量的吸收體靶件，因而大幅度降低了RPV焊縫處的快中子注量率。

2.4 RPV的老化管理評(píng)價(jià)

HFETR的RPV老化管理活動(dòng)，開(kāi)展了主要部件、材料的老化機(jī)理研究，并按要求開(kāi)展了監(jiān)測(cè)、監(jiān)督、檢查等老化活動(dòng)，并通過(guò)采取緩解措施有效地降低了RPV縱焊縫處的輻照損傷，從而保證了RPV在延壽期內(nèi)的安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

HFETR已建立了一套老化管理方法，完成了老化機(jī)理分析和老化管理對(duì)象的篩選，并編制了老化管理大綱和老化管理程序。從HFETR RPV的老化管理活動(dòng)可以看出，HFETR的老化管理按照老化管理大綱、程序的要求得到了有效地開(kāi)展。目前HFETR也已經(jīng)通過(guò)了三次定期安全審查，壽期也已成功延長(zhǎng)至40年以上，且目前系統(tǒng)設(shè)備還保持有足夠的安全水平，表明HFETR的老化管理方法是有效的。