核電廠開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)機(jī)械老化管理應(yīng)用

高 超，楊廣宇，蔣林中，劉亞飛，柯松長(zhǎng)

（1.福建寧德核電有限公司，福鼎 315200；2.蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004）

開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)（OCCW）定義為安全相關(guān)系統(tǒng)、構(gòu)筑物和部件（SSCs）的熱量傳遞到最終熱阱的系統(tǒng)（又稱(chēng)廠用水系統(tǒng)）。1987年，由于持續(xù)性的出現(xiàn)OCCW系統(tǒng)的安全影響事件，美國(guó)核管會(huì)對(duì)輕水反應(yīng)堆OCCW系統(tǒng)故障和老化進(jìn)行了系統(tǒng)全面的審查和評(píng)估。12起事件涉及OCCW系統(tǒng)功能完全喪失。圖1列出的系統(tǒng)老化的幾個(gè)重要原因也是導(dǎo)致這12個(gè)涉及系統(tǒng)故障的事件原因。OCCW系統(tǒng)是電廠的冷源，其狀態(tài)好壞直接影響到機(jī)組的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性，一直受到國(guó)內(nèi)外核電運(yùn)營(yíng)單位和監(jiān)管單位的重視。業(yè)界相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)報(bào)告主要包括：美國(guó)核管會(huì)GL 89-13［1，2］，NUREG 1801［3］。國(guó)內(nèi)電站與國(guó)外電站相比較，在這方面做的還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。國(guó)內(nèi)核電廠目前老化管理缺乏系統(tǒng)性，管理比較粗放。例如：對(duì)于建造安裝階段的記錄不夠完整和細(xì)致、缺少材料的強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)性研究力量不足、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全級(jí)設(shè)備識(shí)別不夠、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督不夠、缺乏趨勢(shì)性分析數(shù)據(jù)和技術(shù)、評(píng)估水平有待提高，等等［4］。為了在核電廠中有效地進(jìn)行老化管理活動(dòng)，必須在電廠的運(yùn)行管理中建立并執(zhí)行老化管理大綱。通過(guò)老化管理大綱進(jìn)行老化管理，大綱管理OCCW系統(tǒng)中由于微觀或宏觀有機(jī)物及各種腐蝕機(jī)理導(dǎo)致的材料損失及結(jié)垢的老化效應(yīng)［3］。

圖1 OCCW故障和老化原因Fig.1 Causes of OCCW failure and aging

1 管理實(shí)施方法

目前，世界各國(guó)采用的壽命管理方式主要有執(zhí)照更新和定期安全審查兩種［5，6］。其中，美國(guó)對(duì)老化管理和壽命管理研究的最為成熟，采用了執(zhí)照更新方式［7］。美國(guó)對(duì)于安全相關(guān)設(shè)備的老化管理，分為能動(dòng)設(shè)備與非能動(dòng)設(shè)備進(jìn)行管理，對(duì)于非能動(dòng)、長(zhǎng)壽期設(shè)備老化采用執(zhí)照更新（10CFR54）管理，對(duì)于能動(dòng)、短壽期設(shè)備老化采用維修法規(guī)（10CFR50.65）管理，對(duì)于非安全相關(guān)設(shè)備，用設(shè)備可靠性管理流程（AP-913）進(jìn)行統(tǒng)一可靠性管理，既滿足了核安全監(jiān)管部門(mén)的要求，又滿足了電廠追求機(jī)組可靠性、可用性的要求，取得了可靠性與可用性間的平衡［8，9］。借鑒目前最新的老化管理大綱編制經(jīng)驗(yàn)，編制了國(guó)內(nèi)某核電廠OCCW老化管理大綱，大綱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 老化管理大綱總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall framework of aging management program

1.1 界定與篩選

在大綱編寫(xiě)過(guò)程中梳理了老化管理對(duì)象，列出了相應(yīng)的設(shè)備和部件清單，涵蓋了安全相關(guān)系統(tǒng)、有重大影響的非安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組件。其中能動(dòng)SSCs的老化管理屬于維修技術(shù)政策管理的范疇，而非能動(dòng)SSCs的老化管理則屬于老化管理的范疇。能動(dòng)SSCs的老化管理原則是性能監(jiān)測(cè)，而非能動(dòng)SSCs的老化管理原則是狀態(tài)監(jiān)督。

某核電廠的OCCW系統(tǒng)為重要廠用水系統(tǒng)（SEC）和循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)（CFI）。范圍界定原則包括：

（1）《核電廠最終安全分析報(bào)告》中所描述的執(zhí)行控制反應(yīng)性、排出堆芯熱量，以及包容放射性物質(zhì)和控制運(yùn)行排放，限制事故釋放等幾項(xiàng)基本安全功能的SSCs；

（2）其故障可能影響上述SSCs執(zhí)行功能的核電廠其他SSCs；

（3）《核電廠最終安全分析報(bào)告》中所描述的防火設(shè)計(jì)、火災(zāi)探測(cè)和滅火系統(tǒng)；

（4）《核電廠最終安全分析報(bào)告》描述的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的預(yù)防或緩解設(shè)施：

（5）未納入《核電廠最終安全分析報(bào)告》，但經(jīng)國(guó)家核安全局批準(zhǔn)或國(guó)家核安全局所要求的改進(jìn)項(xiàng)中涉及上述范圍的SSCs。

篩選是在界定范圍內(nèi)的SSCs中識(shí)別需要進(jìn)行老化審查的構(gòu)筑物和部件的過(guò)程，見(jiàn)圖3。篩選的原則是該構(gòu)筑物或部件執(zhí)行預(yù)定功能，并符合“非能動(dòng)”和“長(zhǎng)壽期”定義。

圖3 界定與篩選流程圖Fig.3 Defining and screening flowchart

在老化管理大綱編制過(guò)程中，如電廠的文件不能提供相關(guān)信息，需要現(xiàn)場(chǎng)檢查。包括以下幾部分內(nèi)容：針對(duì)電子及紙質(zhì)資料不全或存在疑問(wèn)的SSCs；現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證非安全影響安全部件的范圍界定結(jié)果；調(diào)查需要現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)的部件材質(zhì)及所處環(huán)境。

1.2 老化管理大綱

1.2.1 老化效應(yīng)識(shí)別

以O(shè)CCW系統(tǒng)范圍界定和篩選結(jié)果為對(duì)象，對(duì)OCCW系統(tǒng)執(zhí)行預(yù)定功能的非能動(dòng)、長(zhǎng)壽期部件進(jìn)行老化管理自查，包括自查對(duì)象的確認(rèn)和分組、老化效應(yīng)的識(shí)別、一致性審查，確定部件的老化效應(yīng)。理解選定部件的老化應(yīng)力因素、老化機(jī)理、老化效應(yīng)及失效原因。

1.2.2 老化管理大綱

建立大綱提出管理要求，通過(guò)聯(lián)合采取預(yù)防、狀態(tài)和性能監(jiān)測(cè)管理OCCW部件的老化效應(yīng)。包括內(nèi)容：管理范圍、預(yù)防性措施、監(jiān)檢測(cè)參數(shù)、老化效應(yīng)探測(cè)等。通過(guò)一系列的措施，對(duì)OCCW系統(tǒng)的老化效應(yīng)進(jìn)行了全面的評(píng)價(jià)，提出了增強(qiáng)項(xiàng)和例外項(xiàng)，以提高OCCW系統(tǒng)的可靠性。

1.2.3 有效性自查

通過(guò)老化管理自查，逐一的審查OCCW系統(tǒng)的部件的老化效應(yīng)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外管理經(jīng)驗(yàn)編制了OCCW老化管理大綱，確定了某核電廠在管理OCCW方面應(yīng)有的措施。為了保證大綱中的措施都得到了良好的執(zhí)行，對(duì)大綱所覆蓋的所有設(shè)備都逐一梳理了電廠的已有措施，形成了老化管理大綱自查報(bào)告。

1.2.4 經(jīng)驗(yàn)反饋分析

電廠應(yīng)對(duì)老化分析進(jìn)行周期性總結(jié)，不斷改進(jìn)維修政策與運(yùn)行程序，不斷吸納老化機(jī)制領(lǐng)域的研發(fā)成果及國(guó)際國(guó)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)。考慮可能出現(xiàn)一些無(wú)法管理到的特有老化效應(yīng)，因此對(duì)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行收集和分析，補(bǔ)充老化管理措施。

1.3 老化管理數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是貫穿整個(gè)老化管理研究和活動(dòng)記錄及提供信息的最重要媒體。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)在安全系列50-P-3中對(duì)核電站老化管理數(shù)據(jù)庫(kù)的建立給出了明確的要求，老化管理數(shù)據(jù)庫(kù)也應(yīng)隨著核電站老化管理的不斷深入而不斷地提高和完善［10］。在大綱編制過(guò)程中，產(chǎn)生了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和過(guò)程文件，這些數(shù)據(jù)全部都存入老化管理數(shù)據(jù)庫(kù)中，某核電廠專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了OC?CW系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。

2 管理實(shí)施結(jié)果和討論

2.1 老化管理范圍

CFI系統(tǒng)設(shè)備2960個(gè)，SEC系統(tǒng)設(shè)備1648個(gè)。經(jīng)過(guò)界定，確定CFI系統(tǒng)在界定范圍內(nèi)的機(jī)械設(shè)備1240個(gè)，SEC系統(tǒng)在界定范圍內(nèi)的機(jī)械設(shè)備1592個(gè)。在范圍界定工作之后進(jìn)行篩選，確定需要進(jìn)行老化管理的部件。對(duì)于材料、環(huán)境相似的部件合并成物項(xiàng)組，共確定50項(xiàng)物項(xiàng)組。

圖4 CFI系統(tǒng)在界定范圍內(nèi)設(shè)備數(shù)量Fig.4 The number of CFI equipment within the defined range

圖5 SEC系統(tǒng)在界定范圍內(nèi)設(shè)備數(shù)量Fig.5 The number of SEC equipment within the defined range

結(jié)合SEC和CFI系統(tǒng)的流程圖進(jìn)行了設(shè)備范圍界定，在流程圖上標(biāo)識(shí)了在界定范圍內(nèi)的設(shè)備，共繪制流程圖16張，從標(biāo)識(shí)的流程圖上可以清楚直觀的界定老化管理設(shè)備的范圍和邊界。

在OCCW系統(tǒng)老化管理大綱的編制過(guò)程中，某核電廠對(duì)CFI系統(tǒng)的468個(gè)設(shè)備，SEC系統(tǒng)的346個(gè)設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查。（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查的方式核實(shí)失效會(huì)影響安全的非安全級(jí)設(shè)備；（2）部件的材料類(lèi)別是判斷材料老化效應(yīng)的重要依據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查的方式確定每一個(gè)部件的材料環(huán)境信息。

2.2 老化管理內(nèi)容

2.2.1 老化管理自查

以O(shè)CCW系統(tǒng)范圍界定和篩選結(jié)果為對(duì)象進(jìn)行老化管理自查，包括自查對(duì)象的確認(rèn)和分組、老化效應(yīng)的識(shí)別、一致性審查，確定部件的老化效應(yīng)。CFI組合項(xiàng)自查51個(gè)，SEC組合項(xiàng)自查58個(gè)。OCCW系統(tǒng)關(guān)注范圍內(nèi)部件的材料和環(huán)境信息匯總?cè)缦拢?/p>

材料：鈦合金、碳鋼（內(nèi)部涂層/襯里）、不銹鋼（內(nèi)部涂層/襯里）、不銹鋼、碳鋼、玻璃纖維、鋼筒型混凝土、合金鋼、鋼；

環(huán)境：處理水、海水、室內(nèi)空氣、土壤環(huán)境；

老化效應(yīng)：識(shí)別老化管理自查關(guān)注范圍內(nèi)，部件的老化效應(yīng)及其老化機(jī)理，包括：

（1）材料損失/點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、結(jié)垢導(dǎo)致的腐蝕；

（2）材料損失/點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕（僅限襯里或堆焊層降質(zhì)后的鋼）；

（3）材料損失/均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、微生物腐蝕、結(jié)垢導(dǎo)致的腐蝕、襯里或涂層降質(zhì)；

（4）材料損失/侵蝕；

（5）點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕（僅限襯里或堆焊層降質(zhì)后的鋼）；

（6）鋼筋的開(kāi)裂、剝落和腐蝕/鋼筋暴露；

（7）開(kāi)裂、起泡、顏色變化/吸水；

（8）開(kāi)裂、顏色變化；

（9）開(kāi)裂/化學(xué)侵蝕和浸出、材料性能改變/化學(xué)侵蝕；

（10）硬化及強(qiáng)度損失/彈性體材料降質(zhì)；

（11）預(yù)載荷損失/自松動(dòng)。

2.2.2 老化管理大綱

OCCW系統(tǒng)將安全有關(guān)的SSCs的熱量傳遞到最終熱阱中。該大綱確保OCCW系統(tǒng)的老化效應(yīng)在運(yùn)行期間得到管理。大綱內(nèi)容包括：（1）監(jiān)督和控制生物淤積；（2）驗(yàn)證傳熱能力的檢驗(yàn)大綱；（3）確保腐蝕、侵蝕、防護(hù)涂層失效、泥沙沉積（淤積）和生物淤積不會(huì)降低OCCW系統(tǒng)提供服務(wù)的安全相關(guān)系統(tǒng)性能的常規(guī)檢查和維修大綱；（4）確保符合要求的系統(tǒng)巡檢；（5）維修、運(yùn)行、培訓(xùn)實(shí)踐和程序的審查。

大綱通過(guò)聯(lián)合采取預(yù)防、狀態(tài)和性能監(jiān)測(cè)，管理生水系統(tǒng)（如廠用水或江河水）部件的老化效應(yīng)。其中包括：（1）管理OCCW系統(tǒng)或系統(tǒng)構(gòu)筑物和部件中生物淤積、腐蝕、侵蝕、防護(hù)涂層失效和沉積淤泥導(dǎo)致的老化效應(yīng)的監(jiān)督和控制技術(shù)；（2）關(guān)鍵部件的腐蝕、侵蝕和生物淤積跡象的檢查；（3）從安全重要的部件中散熱的熱交換器熱傳遞性能的檢測(cè)。

2.2.3 老化管理大綱有效性自查

OCCW老化管理大綱中已經(jīng)提出了管理要求，老化管理大綱有效性自查則逐項(xiàng)對(duì)比電廠的實(shí)際管理措施有無(wú)落實(shí)老化管理大綱中的要求，確保所有的OCCW老化管理大綱應(yīng)管理的部件的老化效應(yīng)都得到了良好管理，但是也發(fā)現(xiàn)了一些待改進(jìn)的地方。

（1）一些范圍內(nèi)的設(shè)備在海水環(huán)境下會(huì)發(fā)生老化效應(yīng)，而目前程序和大綱并沒(méi)有相應(yīng)的檢查措施或是管理范圍不全，如圖6。建議電廠增加檢查措施或者進(jìn)行分析評(píng)估。如CFI系統(tǒng)碳鋼（內(nèi)部涂層/襯里）管道在海水環(huán)境下會(huì)發(fā)生老化效應(yīng)，而目前程序和大綱只有部分管道的內(nèi)部檢查，覆蓋不全，如：1.主管道上的小支管未檢查；2.新增泵系列未檢查；3.反沖洗碳鋼管道只有部分抽檢。

圖6 待增強(qiáng)管理設(shè)備Fig.6 The equipments that need effective management

（2）電廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查的人員應(yīng)按要求或有關(guān)主管部門(mén)的規(guī)定進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，取得相應(yīng)授權(quán)。

（3）SEC系統(tǒng)鋼筒型混凝土管道在土壤環(huán)境下會(huì)發(fā)生老化效應(yīng)（開(kāi)裂/化學(xué)侵蝕和浸出；材料性能改變/化學(xué)侵蝕），目前電廠有定期內(nèi)部檢查。其中一部分為死管段，美國(guó)核管會(huì)GL 89-13中提示需注意內(nèi)部流體流速緩慢或不流動(dòng)的管道可能有微生物腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。某核電廠對(duì)此部分管道也進(jìn)行了識(shí)別，需要特別注意。

2.2.4 經(jīng)驗(yàn)反饋分析

經(jīng)驗(yàn)反饋的收集與分析也是老化管理大綱有效性自查的重要方面。收集了國(guó)內(nèi)外核電廠OCCW系統(tǒng)設(shè)備的大量經(jīng)驗(yàn)反饋，從數(shù)萬(wàn)條電站的24小時(shí)事件單、內(nèi)部通知單和內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)反饋報(bào)告等來(lái)源中篩選出與設(shè)備/部件材料失效或降質(zhì)相關(guān)的內(nèi)容。某核電廠OCCW系統(tǒng)管理良好，事件單都得到了及時(shí)、有效的處理，但也有需要加強(qiáng)的方面：

（1）通過(guò)大修SEC項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告中可以得出，襯膠管道有開(kāi)裂和鼓包現(xiàn)象，對(duì)襯膠開(kāi)裂和鼓包也及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，但記錄不明確，不能確認(rèn)該襯膠管道下次開(kāi)裂和鼓包跟上一次是否是同一位置，不能確認(rèn)是否是重發(fā)事件。因此襯膠的修補(bǔ)應(yīng)該有明確的記錄，以便后續(xù)的跟蹤和缺陷處理；

（2）通知單發(fā)現(xiàn)有穿墻管道泄露、開(kāi)裂和滲水現(xiàn)象，目前電廠對(duì)穿墻管只有目視檢查，為了加強(qiáng)對(duì)穿墻管的老化管理，增加穿墻管的無(wú)損檢測(cè)，以便監(jiān)測(cè)穿墻管的老化狀態(tài)。

2.3 老化管理數(shù)據(jù)庫(kù)

編制大綱所需要的所有數(shù)據(jù)均先收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，確保數(shù)據(jù)能夠統(tǒng)一格式，避免重復(fù)收集數(shù)據(jù)，確保每個(gè)數(shù)據(jù)都有來(lái)源。CFI系統(tǒng)在范圍界定工作過(guò)程中共收集數(shù)據(jù)50339條，SEC系統(tǒng)在范圍界定工作過(guò)程中共收集數(shù)據(jù)57183條。數(shù)據(jù)庫(kù)集成了大數(shù)據(jù)分析模塊，可用差異分析、聚類(lèi)、預(yù)測(cè)、相關(guān)性分析等多種數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從多個(gè)維度對(duì)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)。在提高工作效率，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)方便的數(shù)據(jù)同步，提高數(shù)據(jù)錄入的準(zhǔn)確率和效率。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)OCCW開(kāi)展系統(tǒng)化的老化管理研究，建立核電廠老化管理大綱標(biāo)準(zhǔn)體系，整體上提升OCCW系統(tǒng)安全可靠性。

（1）針對(duì)CFI系統(tǒng)和SEC系統(tǒng)進(jìn)行SSCs分類(lèi)，篩選出非能動(dòng)、長(zhǎng)壽期重要部件，對(duì)于不確定的環(huán)境材料信息現(xiàn)場(chǎng)核查是必要的。通過(guò)材料環(huán)境物項(xiàng)組、老化效應(yīng)分類(lèi)管理，提高老化管理效率。整個(gè)老化管理過(guò)程中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)應(yīng)用、創(chuàng)新，完成集約化管理，建立了OCCW系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)，提高數(shù)據(jù)的可用率，并降低管理成本。

（2）建立了OCCW系統(tǒng)的老化管理體系，內(nèi)容包括老化效應(yīng)識(shí)別、老化大綱、經(jīng)驗(yàn)反饋等，并輔以相應(yīng)技術(shù)報(bào)告，結(jié)合國(guó)際通用的法規(guī)和我國(guó)其他核電相關(guān)法規(guī)保證了老化管理的兼容性。在管理上還存在待增強(qiáng)的部分，如新增設(shè)備的檢查措施、人員授權(quán)資質(zhì)、檢測(cè)記錄等。

（3）老化管理糾正措施的確定和落實(shí)工作開(kāi)展有待完善。需要形成一個(gè)后續(xù)行動(dòng)的有效機(jī)制。這個(gè)落實(shí)過(guò)程需要一系列記錄文件，說(shuō)明落實(shí)情況和后續(xù)計(jì)劃。老化大綱一旦建立，后續(xù)還需要定期更新經(jīng)驗(yàn)反饋報(bào)告，關(guān)注最新的管理經(jīng)驗(yàn)確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。