承插管道泄漏原因分析

顏令博，焦中杰

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200000）

電站消防系統由火災探測和報警設備、消防水供給設備、自動和手動滅火設備等組成。火災探測和報警設備包括探測和確認火災發生地點所需的儀控裝置、報警裝置、FPS 自檢裝置和自動滅火觸發裝置。

消防系統為核反應堆廠房（以下簡稱“核島”）、汽機廠房（以下簡稱“常規島”）及核島和常規島以外的配套建筑物、構筑物及其設施（以下簡稱“BOP”）等提供火災保護。

核電站消防系統水壓是由2 個電動穩壓泵、1 個電動消防泵和1 個柴油機消防泵所建立。消防水是由消防泵從2 個獨立的水箱中輸送的，2 個水箱之間設常關聯通閥。電動穩壓泵給消防集管供水，以保證管道長期維持壓力穩定。穩壓泵在其就地控制盤上投入運行，由各自的壓力開關控制。當系統需求超過穩壓泵的能力時，集管的壓力下降，電動消防泵啟動來提供消防水。1 個消防泵就能提供要求的全部消防水量。如果電動消防泵啟動失敗或系統需求超過該泵的能力，集管的壓力下降，柴油機消防泵啟動。電動消防泵或者柴油消防泵一旦啟動，只能在就地控制盤上使其停運。

消防水系統提供正常余熱排出泵和正常余熱排出熱交換器的備用冷卻。

1 消防系統管道承插管道介紹

承插管道是將管子或管件一端的插口插入欲接件的承口內，并在環隙內用填充材料密封。填充材料主要有柔性的青鉛、彈性橡膠密封圈和水泥砂漿等。承插連接主要用于鑄鐵管、鋼筋混凝土管和塑料管等連接。承插式管道接口可以簡化制造工藝、降低制造成本，并且提高承載強度。

T 型承插口屬于標準件，結構包括3 個部分，較大的承口、較小的插口及橡膠密封圈。密封圈位于承口和插口中間。國標T 型承插口結構圖如圖1 所示。

圖1 國標T 型承插口結構圖

2 承插管道漏水事件描述

2.1 試驗背景描述

一些汽機廠房的火災可能會引起設備冷卻水系統和廠用水系統功能的喪失。在電站冷卻期間，正常余熱排出系統用于導出堆芯衰變熱，如果在此期間發生這樣的火災，設備冷卻水系統和廠用水系統的喪失將會引起冷卻堆芯能力的喪失。設備冷卻水系統設置有一條與消防系統連接的管線，用于在這種情況下向正常余熱排出熱交換器提供冷卻水。其他所有設備冷卻水用戶將與消防系統水隔離，只有1 個正常余熱排出熱交換器能被冷卻。火災保護水流通過正常余熱排出熱交換器后，從專門的排放管線流到輔助廠房地坑。

消防系統供、回水管線用臨時的軟管和有足夠容量的便攜式風冷熱交換器和循環泵底座連接起來。這個便攜式泵被用作向正常余熱排出熱交換器提供水流以導出堆芯衰變熱。

2.2 承插管道泄漏過程描述

在設備冷卻水完成流量分配試驗，所有流量孔板尺寸均確定之后，試驗負責人依據設備冷卻水系統預運行試驗程序執行消防系統向設備冷卻水系統補水流量試驗。本試驗需求消防系統電動消防泵MP-01A 處于在線狀態，柴油消防泵被隔離。試驗負責人指派試驗組成員就地依次打開消防系統補水隔離閥V440 和設備冷卻水系統的隔離閥V309，消防系統集管壓力瞬間降低，電動消防泵MP-01A 壓力低自動聯啟，電動消防泵側人員調節電動消防泵再循環閥V009A 控制系統壓力在1.31 MPa 左右，最后全關再循環閥門，消防系統向設備冷卻水系統補水流量達到最大值，完成試驗流量驗證，流量試驗期間電動消防泵MP-01A 一直處于運行狀態，就地關閉設備冷卻水系統V309 和消防系統V440，在關閉設備冷卻水系統V309 后，消防系統壓力立即上升到1.46 MPa，就地手動停運電動消防泵，3 s 后由于系統壓力降低，電動消防泵MP-01A 再次啟動將壓力穩定在1.37 MPa，再次手動將電動泵停運，幾秒鐘后電動消防泵因壓力低第三次啟動，壓力無法穩定在1.03 MPa 以上，并且電動消防泵控制柜顯示電動消防泵電流超流，立即切斷電動消防泵電源。與此同時，消防系統壓力瞬間降為0，柴油消防泵房人員匯報柴油消防泵房地板下面出現大面積漏水，隔離柴油消防泵出口泄漏點，手動啟動消防穩壓泵MP-02，10 min左右消防系統壓力恢復正常。消防系統壓力瞬時變化曲線如圖2 所示。

圖2 消防系統壓力瞬時變化曲線

2.3 現場情況踏勘

在事件發生后，消防系統小組對漏水處進行現場檢查，現場發現柴油消防泵房下面消防泵出口管L009B 的承插接口發生漏水，現場核實情況如下。

（1）承插口整體布置在工作坑內，坑底混凝土有1個開孔。出口管通過法蘭與彎頭連接，彎頭最下部焊接1 個帶法蘭的大小頭變徑，然后大小頭的法蘭連接白色插口管，最終插入球磨鑄鐵承口。

（2）插口管為30.48 cm 碳鋼管道，承口管道為30.48 cm 球磨鑄鐵標準件，未見有卡箍等加固措施。

（3）混凝土孔直徑與承口外徑一致，由于插口管外徑比承口管小，說明混凝土未與插口管道發生接觸。即混凝土沒有對插口管道起到固定作用。

（4）柴油消防泵房為框架式鋼結構，內外安裝彩鋼板。所有支撐都固定在廠房鋼結構上，未在混凝土上生根。

（5）排水后發現橡膠密封圈部分脫出，出口管向上移動約50 mm，造成與其相連的再循環管支撐受積壓變形。

現場檢查情況如圖3 柴油消防泵出口管插口漏水點和圖4 柴油消防泵管道變形支架所示。

圖3 柴油消防泵出口管插口漏水點

圖4 柴油消防泵管道變形支架

3 原因分析

柴油消防泵出口承插口整體布置在工作坑內，柴油消防泵出口管通過法蘭與彎頭連接，彎頭最下部焊接1 個帶法蘭的大小頭變徑，然后大小頭的法蘭連接插口管，最終插入球磨鑄鐵承口。插口管為40 cm 碳鋼管道，承口管道為40 cm 球磨鑄鐵標準件。根據當時系統壓力進行受力分析計算，當時進行試驗時最高系統壓力為1.46 MPa，管道為內徑約305 mm。作用在管道橫截面的力為

相當于10 t 重的物體產生的重力，在承插口軸向沒有加強緊固措施和管道支撐限位的情況下，在如此大的壓應力作用下，管道向上發生移動，出現漏水事件。

經查找發現此類承插管道存在于消防系統集管與核島、常規島廠房之間連接處、2 個消防水箱之間埋地管道、核島廠房與BOP 廠房連接處等，相比較而言，此處管道壓力變化較大，支撐較為薄弱，發生泄漏概率更高。基于該經驗反饋對其原因做如下分析。

3.1 設計變更問題

根據現場的核實情況和設計部門的反饋，原始設計的室外埋地消防管道，材質為球磨鑄鐵，公稱壓力等級CL350，管道材料標準為AWWA-C151/A21.51，管道涂層要求為AWWA-C104/A21.4，外涂瀝青，內襯水泥，連接方式為法蘭。

由于在國內按照原設計要求未采購到美標的球磨鑄鐵管道，于是在現場發起材料替代用國標GB/T 13295—2019《水及燃氣用球墨鑄鐵管、管件和附件》材料替代美標材料。原來的內襯水泥砂漿的法蘭連接管道，變更為國標壁厚等級的K9 系球磨鑄鐵管道，公稱壓力2.50 MPa，變更后的連接方式為T 型承插連接。

設計要求對變更后的承插口應該使用管箍和拉桿進行加固，并認為這不屬于設計職責。

國內此類承插管道多用于及主要用于市政、工礦企業給水、輸氣和輸油等。在此變更中未考慮法蘭連接變更為T 型承插口連接，在自然狀態下連接處不能承受拉應力。

3.2 施工問題

在設計變更后，施工單位初步確定用8 根螺栓和4 片管夾分別夾緊插口和承口管道，然后將管夾焊接在管道，最后通過4 個中間開孔的墊圈和2 根雙頭長螺栓，將2 對管夾緊固。但由于變更中并未明確管箍與碳鋼管道的焊接方式，也未明確管箍在管道軸向上的位置，而且在后續安裝施工中沒有及時進行澄清，所以該加強措施最終沒有實施。

根據系統和管道設計要求，在埋地承插管道安裝完成后，應進行建安水壓試驗，施工單位發現無法進行保壓，經過設計澄清，施工單位對埋地承插管道的承口位置澆筑混凝土支墩。支墩安裝完成后，施工單位對埋地管道進行了回填工作。在此基礎上建安管道水壓試驗順利完成，為后續防止埋地管道泄漏提供可靠保障，同時也為后續問題的發生埋下隱患。

3.3 調試、生產問題

在系統聯檢移交過程中，調試和生產方均未識別此變更潛在風險，并且在現場聯檢過程中未認識到此缺陷。

在消防系統試驗過程中，未出現承插管道泄漏，存在本身試驗未能將系統設備性能驗證齊全的可能性，調試和運行人員應認真分析試驗是否滿足系統本身功能需求。

綜上所述，設計、施工及調試等各方屏障突破，是造成承插口泄漏的主要原因。

4 后續處理措施

在明確原因后，為解決消防系統承插口泄漏問題，設計方發布變更文件對承插口該使用管箍和拉桿進行加固，設計文件確定用8 根螺栓和4 片管夾分別夾緊插口和承口管道，然后將管夾焊接在管道，最后通過4個中間開孔的墊圈和2 根雙頭長螺栓，將2 對管夾緊固。承插管道加固措施如圖5 所示。設計通過計算證明可以固定承插管道，能夠保證系統在正常運行壓力下長期穩定運行。消防系統所有承插管道重新按照此方式進行支撐修改，施工完成后設計評估之前完成試驗有效性，同時設計、調試和生產各方共同討論是否需要增加試驗，證明消防系統的可靠性和安全性。

圖5 承插管道加固措施

5 結束語

在設計方面發生變更時，變更后的設計一定要滿足或者超過最初的設計標準，在建安階段或其他階段系統需要進行的壓力試驗或其他試驗不能無故增加臨時措施，防止問題無法提前暴露，增加后續解決問題的難度，浪費大量人力物力。在核電站中應用的任何技術都應做到安全運行，避免上述類似事件的發生。

核電廠的屏障是核電廠安全建設、運行的基本保障，每個工作層級都應認真履行其職責，避免核電廠的屏障失效。