核電廠聯(lián)合泵房管道預(yù)防性維護(hù)策略的探索和實踐

龍笛

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538000）

0 引言

核電廠的重要廠用水系統(tǒng)（簡稱SEC 系統(tǒng)）的功能是在正常運(yùn)行和事故運(yùn)行工況下將設(shè)備冷卻水系統(tǒng)所傳輸?shù)臒崃總鞯胶Ｋ校琒EC 系統(tǒng)是核電廠核島的最終熱阱。某核電廠每臺機(jī)組SEC 系統(tǒng)有4臺SEC 泵，SEC 泵為立式電動離心泵，位于聯(lián)合泵房內(nèi)，是SEC 系統(tǒng)的唯一動力源，必須保證SEC 泵在各類工況下的安全可靠運(yùn)行。某核電廠收到外部反饋，法國部分核電廠發(fā)現(xiàn)消防水管道壁厚存在減薄現(xiàn)象，可能導(dǎo)致地震條件下消防水管道完全斷裂，有導(dǎo)致廠房內(nèi)積水，淹沒或淋濕重要廠用水泵造成其不可用，從而導(dǎo)致核島最終熱阱全部喪失的風(fēng)險。本文以此反饋為切入點(diǎn)，展開對某核電廠聯(lián)合泵房管道安全狀態(tài)評估和預(yù)防性維護(hù)策略建立的探討。

1 聯(lián)合泵房管道的安全狀態(tài)評估

1.1 安全狀態(tài)評估針對的風(fēng)險

本文的安全狀態(tài)評估主要是針對聯(lián)合泵房內(nèi)管道在地震情況下快速斷裂導(dǎo)致SEC 泵坑內(nèi)短時間內(nèi)大量進(jìn)水，超出泵坑內(nèi)設(shè)計排水能力，運(yùn)行人員來不及響應(yīng)或無法隔離，導(dǎo)致SEC 泵被水淹，機(jī)組最終熱阱喪失的風(fēng)險。

1.2 聯(lián)合泵房各系統(tǒng)管道安全狀態(tài)評估的總體原則

聯(lián)合泵房內(nèi)的系統(tǒng)主要有重要廠用水系統(tǒng)（SEC 系統(tǒng)）、循環(huán)水過濾系統(tǒng)（CFI系統(tǒng)）、飲用水系統(tǒng)（SEP系統(tǒng)）、電站污水系統(tǒng)（SEO 系統(tǒng)）、核島除鹽水分配系統(tǒng)（SED 系統(tǒng)）、循環(huán)水處理系統(tǒng)（CTE）、消防水分配系統(tǒng)（JPD）和消防水生產(chǎn)系統(tǒng)（JPP系統(tǒng)）。安全狀態(tài)評估的總體原則如下：

（1）分析該系統(tǒng)管道是否在SEC 泵坑內(nèi)。如不在SEC 泵坑內(nèi)，即使管道斷裂也不會造成水淹SEC 泵。

（2）分析在SEC 泵坑內(nèi)的系統(tǒng)管道材質(zhì)是否對管道內(nèi)介質(zhì)具有腐蝕敏感性。如管道材質(zhì)耐腐蝕，則發(fā)生腐蝕減薄的概率極低，發(fā)生管道快速斷裂的概率更低。

（3）分析在SEC 泵坑內(nèi)對介質(zhì)具有腐蝕敏感性的系統(tǒng)管道直徑是否大于等于某個特定值。一旦直徑大于等于此特定值，則管道在地震工況下快速斷裂就將在SEC 泵坑內(nèi)短時引入大量介質(zhì)，超出SEC 泵坑內(nèi)設(shè)計排水能力，從而導(dǎo)致SEC 泵被淹不可用[1]。某核電廠將此特定值設(shè)定為管道名義直徑100 mm，因為每個SEC 泵坑內(nèi)都有集水坑和2臺潛污泵，名義直徑小于DN100的單根管道發(fā)生快速斷裂泄漏的介質(zhì)可以通過潛污泵排出SEC 泵坑，不會導(dǎo)致SEC 泵被淹的后果。

（4）該管道是否無法隔離。如無法隔離，快速斷裂后將造成水淹SEC 泵。因此，若此部分管道無法隔離，應(yīng)進(jìn)行超聲測厚和評估。

（5）管道是否處于工況有變化的主干管段。JPP系統(tǒng)管道在日常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間為靜壓滿水，靜水管道內(nèi)部腐蝕類型主要為管瘤腐蝕，JPP泵前后主干管道內(nèi)部介質(zhì)間歇式流動，使氧含量、微生物所需營養(yǎng)物質(zhì)、淤泥、固體顆粒等較豐富，這些因素對管瘤腐蝕起著促進(jìn)作用。此部分管道應(yīng)進(jìn)行超聲測厚和評估。

（6）國內(nèi)多個核電廠在JPP小流量管道發(fā)現(xiàn)過腐蝕減薄和泄漏。對JPP系統(tǒng)小流量管道實施超聲波壁厚測量和評估。

（7）其他類型的JPP系統(tǒng)管道腐蝕減薄風(fēng)險很低，如果對上述幾類JPP管道的壁厚評估發(fā)現(xiàn)異常情況，再考慮對其他JPP管道進(jìn)行擴(kuò)大檢查，并進(jìn)行安全評估。

2 重點(diǎn)管道的壁厚排查方案

根據(jù)上節(jié)的排查和評估總體原則和圖1，需進(jìn)行現(xiàn)場超聲波測厚排查的管道范圍如下：（1）斷管后不可隔離的管道：JPP001管道003VE 上游管段，JPP002 管 道002VE 上游管段和JPP020管道023VE 上游管段。（2）有工況變化的泵出入口主干管道：JPP001管道003VE下游管段，JPP002管道002VE 下游管段，JPP003/004管道和JPP005/006泵出口管段。（3）其他電廠有泄漏反饋的管道：JPP009/010小流量管道。

圖1 聯(lián)合泵房管道安全狀態(tài)評估流程圖

3 重點(diǎn)管道的安全狀態(tài)評估

針對上節(jié)所述排查范圍，對重點(diǎn)管道實施超聲測厚檢查。對選定的JPP系統(tǒng)重點(diǎn)管道進(jìn)行超聲測厚，并通過應(yīng)力計算得到JPP系統(tǒng)重點(diǎn)管道的抗震允許壁厚。

泵吸水母管JPP001/002最小壁厚8.32 mm，抗震允許壁厚值4.32 mm ；泵入口管道JPP003/004最小壁厚5.95 mm，抗震允許壁厚值2.2 mm ；泵出口管道JPP005/006最小壁厚6.02 mm，抗震允許壁厚值3.50 mm；泵小流量管道JPP009/010最小壁厚4.30 mm，抗震允許壁厚值2.80 mm ；消防水池連接管道1JPP020最小壁厚5.91 mm，抗震允許壁厚值4.10 mm；消防水池連接管道2JPP020最小壁厚5.79 mm，抗震允許壁厚值5.75 mm 。

根據(jù)上文的壁厚排查和應(yīng)力計算數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合泵房內(nèi)重點(diǎn)管道的實際最小剩余壁厚均大于抗震條件的最小允許壁厚，滿足抗震要求，可以有效避免地震工況下管道快速斷裂導(dǎo)致機(jī)組失去最終熱阱的風(fēng)險。因此，根據(jù)初始分析和排查，某核電廠的聯(lián)合泵房內(nèi)管道的安全狀態(tài)都是有保障的。

4 管道預(yù)防性維護(hù)策略制訂

4.1 管道短期預(yù)防性維護(hù)策略制訂

下面以JPP系統(tǒng)消防水池連接管道為例，說明管道短期預(yù)防性維護(hù)策略的制訂。

1JPP020最小壁厚5.91 mm，抗震允許壁厚值4.10 mm；2JPP020最小壁厚5.79 mm，抗震允許壁厚值5.75 mm 。可見JPP系統(tǒng)消防水池連接管道滿足抗震要求，目前可以有效避免地震工況下管道快速斷裂。

從壁厚數(shù)據(jù)中還可發(fā)現(xiàn)，1JPP020和2JPP020的抗震允許壁厚差異較大，2JPP020管道在地震工況下最大應(yīng)力明顯大于1JPP020管道。這是因為1JPP020管道和2JPP020管道在管道現(xiàn)場布置和支架布置上存在差異，2JPP020管道上支架功能設(shè)置不合理是導(dǎo)致應(yīng)力計算結(jié)果差異較大的主要原因。某電廠決定對2JPP020管道實施改造，參考1JPP020管道支架布置方式，將支架P122052修改為緊固類支架。改造完成后重新計算應(yīng)力和最小允許壁厚，2JPP020管道抗震條件下最小允許壁厚降至2.40 mm，目前實際剩余最小壁厚5.79 mm 的安全裕度較大。

根據(jù)制訂的排查原則和安全性評估方法，結(jié)合對管道的布局和應(yīng)力模型的校核，提前采取改造等短期預(yù)防性維護(hù)策略，可以有效增加被改造管道的腐蝕余量，提高管道的抗震性能[2]。

4.2 管道長期預(yù)防性維護(hù)策略制訂

繼續(xù)以JPP系統(tǒng)消防水池連接管道為例，說明管道長期預(yù)防性維護(hù)策略的制訂。

根據(jù)某核電廠投入運(yùn)行的時長，確定JPP系統(tǒng)運(yùn)行時間N=3年。

1JPP020的名義壁厚Tn=6.35 mm，實際最小壁厚Tmin=5.91 mm，由此可得目前最大腐蝕速率V=（Tn-Tmin）/N≈0.147 mm/a。1JPP020抗震條件下最小允許壁厚TC=4.10 mm，檢查周期T=（Tn-Tc）/V≈15.31 a。因此，1JPP020的檢查周期初定為15 a，在第7年增加一次檢查，確定壁厚變化趨勢，以修正檢查周期。

2JPP020的名義壁厚Tn=6.35 mm，實際最小壁厚Tmin=5.79 mm，由此可得目前最大腐蝕速率V=（Tn-Tmin）/N≈0.187 mm/a。2JPP020抗震條件下最小允許壁厚TC=2.40 mm，檢查周期T=（Tn-Tc）/V≈21.12 a。因此，2JPP020的檢查周期初定為20 a，在第10年增加一次檢查，確定壁厚變化趨勢，以修正檢查周期。

通過對某核電廠聯(lián)合泵房內(nèi)重要碳鋼材質(zhì)管道的運(yùn)行時間、平均腐蝕速率、抗震最小允許壁厚的綜合評估，制訂個性化的長期預(yù)防性維護(hù)策略。某核電廠聯(lián)合泵房內(nèi)重點(diǎn)管道的長期預(yù)防性策略如下：（1）檢查周期為10年的管道：JPP001/002；（2）檢查周期為15年的管道：1JPP020；（3）檢查周期為20年的管道：JPP003/004/005/006/009/010，2JPP020。

4.3 管道長期預(yù)防性維護(hù)策略的驗證

選取某核電廠2號機(jī)組JPP系統(tǒng)的部分重點(diǎn)管道實施兩次超聲測厚跟蹤驗證，兩次測厚的周期間隔為18個月，選取低于制造公差下限的測點(diǎn)，跟蹤測厚數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某核電廠管道長期預(yù)防性維護(hù)策略驗證結(jié)果

根據(jù)某核電廠JPP系統(tǒng)重點(diǎn)管道的兩次跟蹤測厚數(shù)據(jù)，前期制訂的維護(hù)策略所基于的評估腐蝕速率足夠保守，可以包絡(luò)管道實際的磨損減薄情況。因此，長期預(yù)防性維護(hù)策略的初始周期是合理的，可以此為基礎(chǔ)，對聯(lián)合泵房內(nèi)的管道開展長期的預(yù)防性維護(hù)工作。

5 結(jié)論

針對外部反饋，制訂了某核電廠聯(lián)合泵房各系統(tǒng)管道安全狀態(tài)評估的總體原則，結(jié)合超聲測厚排查和應(yīng)力分析計算，論證篩選出的重要管道均滿足抗震要求，可以避免地震工況管道快速斷裂導(dǎo)致機(jī)組失去最終熱阱的風(fēng)險。某核電廠聯(lián)合泵房內(nèi)的管道安全狀態(tài)是有保障的。

本文還對系統(tǒng)管道的短期和長期預(yù)防性維護(hù)策略的制訂進(jìn)行了探索。針對管系布置導(dǎo)致的管道安全裕度和腐蝕余量不足的情況，采用調(diào)整管道支撐功能和結(jié)構(gòu)的方案，有效提高被改造管道的腐蝕余量和抗震性能，可作為管道短期維護(hù)策略。對篩選出的重要管道評估腐蝕速率后，制訂了個性化的長期預(yù)防性超聲測厚策略，并利用短期內(nèi)連續(xù)跟蹤測厚的方式驗證了長期策略的合理性和保守性。

某核電廠聯(lián)合泵房篩選的重要管道均為碳鋼材質(zhì)，管壁腐蝕減薄是一個長期的必然過程。為了保障核電機(jī)組重要廠用水系統(tǒng)的安全運(yùn)行和最終熱阱的完整性，還需繼續(xù)對聯(lián)合泵房管道的長期維護(hù)策略和方法開展深入探索和研究。如引入先進(jìn)的無損檢測方法對管道的整體壁厚情況進(jìn)行連續(xù)性測量，實現(xiàn)對管道內(nèi)部點(diǎn)狀腐蝕和大面積均勻腐蝕的甄別和評價；對于投運(yùn)時間較長的核電廠，整體更換為其他耐腐蝕材質(zhì)或在管道內(nèi)部增加防腐涂層也是可選的解決方案。