核电厂联合泵房管道预防性维护策略的探索和实践

引言

核电厂的重要厂用水系统(简称SEC系统)的功能是在正常运行和事故运行工况下将设备冷却水系统所传输的热量传到海水中,SEC系统是核电厂核岛的最终热阱。某核电厂每台机组SEC系统有4台SEC泵,SEC泵为立式电动离心泵,位于联合泵房内,是SEC系统的唯一动力源,必须保证SEC泵在各类工况下的安全可靠运行。某核电厂收到外部反馈,法国部分核电厂发现消防水管道壁厚存在减薄现象,可能导致地震条件下消防水管道完全断裂,有导致厂房内积水,淹没或淋湿重要厂用水泵造成其不可用,从而导致核岛最终热阱全部丧失的风险。本文以此反馈为切入点,展开对某核电厂联合泵房管道安全状态评估和预防性维护策略建立的探讨。

1联合泵房管道的安全状态评估

1.1安全状态评估针对的风险

本文的安全状态评估主要是针对联合泵房内管道在地震情况下快速断裂导致SEC泵坑内短时间内大量进水,超出泵坑内设计排水能力,运行人员来不及响应或无法隔离,导致SEC泵被水淹,机组最终热阱丧失的风险。

1.2联合泵房各系统管道安全状态评估的总体原则

联合泵房内的系统主要有重要厂用水系统(SEC系统)、循环水过滤系统(CFI系统)、饮用水系统(SEP系统)、电站污水系统(SEO系统)、核岛除盐水分配系统(SED系统)、循环水处理系统(CTE)、消防水分配系统(JPD)和消防水生产系统(JPP系统)。安全状态评估的总体原则如下:

(1)分析该系统管道是否在SEC泵坑内。如不在SEC泵坑内,即使管道断裂也不会造成水淹SEC泵。

(2)分析在SEC泵坑内的系统管道材质是否对管道内介质具有腐蚀敏感性。如管道材质耐腐蚀,则发生腐蚀减薄的概率极低,发生管道快速断裂的概率更低。

(3)分析在SEC泵坑内对介质具有腐蚀敏感性的系统管道直径是否大于等于某个特定值。一旦直径大于等于此特定值,则管道在地震工况下快速断裂就将在SEC泵坑内短时引入大量介质,超出SEC泵坑内设计排水能力,从而导致SEC泵被淹不可用[1]。某核电厂将此特定值设定为管道名义直径100mm,因为每个SEC泵坑内都有集水坑和2台潜污泵,名义直径小于DN100的单根管道发生快速断裂泄漏的介质可以通过潜污泵排出SEC泵坑,不会导致SEC泵被淹的后果。

(4)该管道是否无法隔离。如无法隔离,快速断裂后将造成水淹SEC泵。因此,若此部分管道无法隔离,应进行超声测厚和评估。

(5)管道是否处于工况有变化的主干管段。JPP系统管道在日常稳态运行期间为静压满水,静水管道内部腐蚀类型主要为管瘤腐蚀,JPP泵前后主干管道内部介质间歇式流动,使氧含量、微生物所需营养物质、淤泥、固体颗粒等较丰富,这些因素对管瘤腐蚀起着促进作用。此部分管道应进行超声测厚和评估。

(6)国内多个核电厂在JPP小流量管道发现过腐蚀减薄和泄漏。对JPP系统小流量管道实施超声波壁厚测量和评估。

(7)其他类型的JPP系统管道腐蚀减薄风险很低,如果对上述几类JPP管道的壁厚评估发现异常情况,再考虑对其他JPP管道进行扩大检查,并进行安全评估。

2重点管道的壁厚排查方案

根据上节的排查和评估总体原则和图1,需进行现场超声波测厚排查的管道范围如下:(1)断管后不可隔离的管道: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)有工况变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)其他电厂有泄漏反馈的管道:JPP009/010小流量管道。

3重点管道的安全状态评估

针对上节所述排查范围,对重点管道实施超声测厚检查。对选定的JPP系统重点管道进行超声测厚,并通过应力计算得到JPP系统重点管道的抗震允许壁厚。

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

根据上文的壁厚排查和应力计算数据可以发现,联合泵房内重点管道的实际最小剩余壁厚均大于抗震条件的最小允许壁厚,满足抗震要求,可以有效避免地震工况下管道快速断裂导致机组失去最终热阱的风险。因此,根据初始分析和排查,某核电厂的联合泵房内管道的安全状态都是有保障的。

4管道预防性维护策略制订

4.1管道短期预防性维护策略制订

下面以JPP系统消防水池连接管道为例,说明管道短期预防性维护策略的制订。

1JPP020最小壁厚5.91mm,抗震允许壁厚值4.10mm;2JPP020最小壁厚5.79mm,抗震允许壁厚值5.75mm。可见JPP系统消防水池连接管道满足抗震要求,目前可以有效避免地震工况下管道快速断裂。

从壁厚数据中还可发现,1JPP020和2JPP020的抗震允许壁厚差异较大,2JPP020管道在地震工况下最大应力明显大于1JPP020管道。这是因为1JPP020管道和2JPP020管道在管道现场布置和支架布置上存在差异,2JPP020管道上支架功能设置不合理是导致应力计算结果差异较大的主要原因。某电厂决定对2JPP020管道实施改造,参考1JPP020管道支架布置方式,将支架P122052修改为紧固类支架。改造完成后重新计算应力和最小允许壁厚,2JPP020管道抗震条件下最小允许壁厚降至2.40mm,目前实际剩余最小壁厚5.79mm的安全裕度较大。

根据制订的排查原则和安全性评估方法,结合对管道的布局和应力模型的校核,提前采取改造等短期预防性维护策略,可以有效增加被改造管道的腐蚀余量,提高管道的抗震性能。

4.2管道长期预防性维护策略制订

继续以JPP系统消防水池连接管道为例,说明管道长期预防性维护策略的制订。

根据某核电厂投入运行的时长,确定JPP系统运行时间N=3年。

1JPP020的名义壁厚Tn=6.35mm,实际最小壁厚Tmin=5.91mm,由此可得目前最大腐蚀速率v=(Tn-Tmin)/N≈0.147mm/a。1JPP020抗震条件下最小允许壁厚TC=4.10mm,检查周期T=(Tn-Tc)/v≈15.31a。因此,1JPP020的检查周期初定为15a,在第7年增加一次检查,确定壁厚变化趋势,以修正检查周期。

2JPP020的名义壁厚Tn=6.35mm,实际最小壁厚Tmin=5.79mm,由此可得目前最大腐蚀速率v=(Tn-Tmin)/N≈0.187mm/a。2JPP020抗震条件下最小允许壁厚TC=2.40mm,检查周期T=(Tn-Tc)/v≈21.12a。因此,2JPP020的检查周期初定为20a,在第10年增加一次检查,确定壁厚变化趋势,以修正检查周期。

通过对某核电厂联合泵房内重要碳钢材质管道的运行时间、平均腐蚀速率、抗震最小允许壁厚的综合评估,制订个性化的长期预防性维护策略。某核电厂联合泵房内重点管道的长期预防性策略如下:(1)检查周期为10年的管道:JPP001/002:(2)检查周期为15年的管道:1JPP020:(3)检查周期为20年的管道:JPP003/004/005/006/009/010,2JPP020。

4.3管道长期预防性维护策略的验证

选取某核电厂2号机组JPP系统的部分重点管道实施两次超声测厚跟踪验证,两次测厚的周期间隔为18个月,选取低于制造公差下限的测点,跟踪测厚数据如表1所示。

根据某核电厂JPP系统重点管道的两次跟踪测厚数据,前期制订的维护策略所基于的评估腐蚀速率足够保守,可以包络管道实际的磨损减薄情况。因此,长期预防性维护策略的初始周期是合理的,可以此为基础,对联合泵房内的管道开展长期的预防性维护工作。

5结论

针对外部反馈,制订了某核电厂联合泵房各系统管道安全状态评估的总体原则,结合超声测厚排查和应力分析计算,论证筛选出的重要管道均满足抗震要求,可以避免地震工况管道快速断裂导致机组失去最终热阱的风险。某核电厂联合泵房内的管道安全状态是有保障的。

本文还对系统管道的短期和长期预防性维护策略的制订进行了探索。针对管系布置导致的管道安全裕度和腐蚀余量不足的情况,采用调整管道支撑功能和结构的方案,有效提高被改造管道的腐蚀余量和抗震性能,可作为管道短期维护策略。对筛选出的重要管道评估腐蚀速率后,制订了个性化的长期预防性超声测厚策略,并利用短期内连续跟踪测厚的方式验证了长期策略的合理性和保守性。

某核电厂联合泵房筛选的重要管道均为碳钢材质,管壁腐蚀减薄是一个长期的必然过程。为了保障核电机组重要厂用水系统的安全运行和最终热阱的完整性,还需继续对联合泵房管道的长期维护策略和方法开展深入探索和研究。如引入先进的无损检测方法对管道的整体壁厚情况进行连续性测量,实现对管道内部点状腐蚀和大面积均匀腐蚀的甄别和评价:对于投运时间较长的核电厂,整体更换为其他耐腐蚀材质或在管道内部增加防腐涂层也是可选的解决方案。