核電廠埋地管道管理方法實(shí)踐

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(國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233)

隨著核電廠運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，埋地管道的劣化將會(huì)成為核電業(yè)主們不得不面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題。環(huán)境因素和運(yùn)行工況是造成埋地管道結(jié)構(gòu)完整性被破壞及其預(yù)設(shè)功能下降的主要原因[1-2]，因此，核電廠需要針對(duì)劣化嚴(yán)重的相關(guān)部件進(jìn)行維修或替換。國(guó)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)核電廠運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10 a時(shí)，埋地管道的失效情況將會(huì)越來(lái)越多(如Palo Verde核電廠、Salem核電廠以及Watts Bar核電廠等均發(fā)生過(guò)埋地管道泄漏失效事件，并導(dǎo)致放射性物質(zhì)進(jìn)入土壤[3]；國(guó)內(nèi)某核電廠安全廠用水?dāng)嚮旃芫€發(fā)生噴水現(xiàn)象、常規(guī)島某埋地玻璃鋼管道發(fā)生泄漏)，這對(duì)核電機(jī)組的正常運(yùn)行以及安全生產(chǎn)將會(huì)產(chǎn)生顯著影響。因此對(duì)埋地管道系統(tǒng)進(jìn)行安全、可靠性管理具有非常重要的意義。本工作介紹了核電廠埋地管道的基本情況，并從工程實(shí)踐方向闡明核電廠埋地管道的管理方法。

1 核電廠埋地管道系統(tǒng)

核電廠埋地管道系統(tǒng)包括安全相關(guān)以及非安全相關(guān)的系統(tǒng)，常見(jiàn)的系統(tǒng)包括：安全廠用水系統(tǒng)、非安全廠用水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、輔助冷卻水系統(tǒng)、廢液排放系統(tǒng)、氣體系統(tǒng)、生活水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。核電廠埋地管道涉及到的材料主要包括碳鋼、鑄鐵、不銹鋼、鋼筋混凝土、玻璃鋼等。常見(jiàn)的管道保護(hù)方式有涂層、內(nèi)襯、陰極保護(hù)以及各種保護(hù)方式組合使用。

2 腐蝕機(jī)理及其失效形式

對(duì)于金屬管道，依據(jù)腐蝕機(jī)理以及其失效形式將腐蝕分為以下三類(lèi)：壁厚減薄型、開(kāi)裂以及冶金效應(yīng)導(dǎo)致的材料性能發(fā)生變化。由于埋地管道所處環(huán)境的特殊性(內(nèi)表面流體、外表面土壤)，因此將會(huì)產(chǎn)生內(nèi)外兩種劣化形式。

3 核電廠埋地管道管理方法實(shí)踐

核電廠埋地管道管理應(yīng)從全壽期管理角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)管道的全面管理。通過(guò)工程實(shí)踐將埋地管道管理分為以下四個(gè)階段：基礎(chǔ)階段、檢測(cè)階段、修復(fù)階段以及緩解階段。

3.1 基礎(chǔ)階段

基礎(chǔ)階段的工作主要內(nèi)容包括確立埋地管道系統(tǒng)管理對(duì)象、收集與整理埋地管道基礎(chǔ)信息、建立埋地管道系統(tǒng)三維可視化系統(tǒng)(如圖1所示)、管道部件風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)等。

圖1 三維可視化系統(tǒng)Fig. 1 Three-dimensional visualization system of buried piping

收集與整理的管道基礎(chǔ)信息包括但不限于管道的設(shè)計(jì)施工圖、運(yùn)行參數(shù)包括溫度、壓力以及介質(zhì)、廠內(nèi)外失效經(jīng)驗(yàn)反饋與總結(jié)等，通過(guò)數(shù)據(jù)整理明確管道的材質(zhì)、埋深以及走向等信息；同時(shí)明確管道功能、運(yùn)行工況以及失效后果。將收集到的信息編制成基礎(chǔ)信息表，作為管道進(jìn)一步分級(jí)的依據(jù)。繪制管道軸測(cè)圖建立埋地管道三維可視化系統(tǒng)。

依據(jù)管道失效的可能性并結(jié)合管道失效后果的嚴(yán)重性，對(duì)管道管段及其部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。管道系統(tǒng)發(fā)生泄漏或其承載介質(zhì)能力降低，認(rèn)定管道失效。依據(jù)失效機(jī)理將失效可能性分為以下三類(lèi)：高、中、低。依據(jù)環(huán)境、安全和健康目標(biāo)對(duì)失效后果嚴(yán)重性進(jìn)行評(píng)估，將嚴(yán)重性分為高、中、低、無(wú)四類(lèi)。失效可能性與失效后果嚴(yán)重性結(jié)合成以下七類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)別，詳見(jiàn)圖2。

基礎(chǔ)階段的內(nèi)容詳見(jiàn)圖3。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)矩陣Fig. 2 The matrix of risk ranking

圖3 基礎(chǔ)階段Fig. 3 The initial stage

3.2 檢測(cè)階段

埋地管道檢測(cè)工作是其管理的重點(diǎn)與難點(diǎn)。這是因?yàn)槁竦毓艿赖目蛇_(dá)性很差，常規(guī)檢測(cè)手段無(wú)法滿足檢測(cè)要求，給檢測(cè)工作帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。埋地管道檢測(cè)方法包括直接檢測(cè)與間接檢測(cè)兩種。

直接檢測(cè)即局部開(kāi)挖或管道開(kāi)口時(shí)實(shí)施的檢測(cè)，包括目視檢查、超聲導(dǎo)波檢測(cè)以及儀表小車(chē)檢測(cè)設(shè)備等[4]。

目視檢查主要是指管道內(nèi)部間接目視檢查，采用視頻檢測(cè)方法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)存在的沉積、腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域和局部泄漏點(diǎn)等問(wèn)題。視頻檢測(cè)可用來(lái)檢測(cè)干管與濕管系統(tǒng)。對(duì)于濕管系統(tǒng)，當(dāng)液體比較渾濁時(shí)，將會(huì)降低視頻檢測(cè)質(zhì)量。目視檢測(cè)工具包括光纖內(nèi)窺鏡、管道鏡、視頻檢測(cè)爬行器等。

(超聲)導(dǎo)波檢測(cè)可以反映有缺陷的管道橫截面的面積損失率，用于粗檢。導(dǎo)波檢測(cè)的距離取決于管道涂層的類(lèi)型以及土壤緊實(shí)度等因素。導(dǎo)波檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)在于可以精確反映管道橫截面面積損失率，但同時(shí)也存在諸多限制，如檢測(cè)信號(hào)無(wú)法反應(yīng)缺陷尺寸，信號(hào)無(wú)法透過(guò)彎頭、三通、閥以及其他管道部件，傳感器附近的缺陷難以被發(fā)現(xiàn)。

儀表小車(chē)檢測(cè)設(shè)備包括超聲測(cè)厚裝置、漏磁測(cè)量裝置等。

間接測(cè)量為非接觸式(非開(kāi)挖)檢測(cè)方法，此類(lèi)方法主要在地面實(shí)施，用來(lái)檢查管道涂層的質(zhì)量以及雜散電流等，依據(jù)涂層質(zhì)量來(lái)判定埋地管道外表面腐蝕情況。常見(jiàn)的檢測(cè)方法為電磁電勢(shì)梯度法，常見(jiàn)的檢測(cè)設(shè)備有PCM、探地雷達(dá)、SCM雜散電流檢測(cè)設(shè)備等。檢測(cè)方法見(jiàn)圖4。

圖4 檢測(cè)方法Fig. 4 Inspection methods

工程實(shí)踐中采用工業(yè)視頻檢測(cè)爬行器對(duì)某電廠埋地玻璃鋼管線進(jìn)行檢查，成功找到了泄漏點(diǎn)并清除了管道內(nèi)小塊異物。渾濁的液體對(duì)視頻清晰度影響較大，探頭移動(dòng)過(guò)程中需要緩進(jìn)緩出。實(shí)踐表明使用PCM+檢測(cè)金屬管道埋深、走向以及防腐蝕層質(zhì)量時(shí)，應(yīng)避開(kāi)復(fù)雜管網(wǎng)區(qū)域，雜散電流對(duì)設(shè)備檢測(cè)結(jié)果影響較大。目前MsS磁致伸縮超聲導(dǎo)波可實(shí)現(xiàn)30 m直管檢測(cè)，精度可達(dá)3%。

3.3 修復(fù)階段

修復(fù)檢測(cè)階段發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，常用的修復(fù)方法包括焊接修復(fù)與非焊接修復(fù)兩種。任何一種修復(fù)計(jì)劃都需要考慮以下幾方面因素：修復(fù)對(duì)管道流量的影響；修復(fù)材料與運(yùn)行環(huán)境以及假定事故環(huán)境的兼容性；修復(fù)材料的機(jī)械性能以及安裝要求符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；考慮下次檢測(cè)與替換的周期。

常用的焊接修復(fù)包括管段替換、角焊縫修補(bǔ)、外表面對(duì)焊、套管焊接修補(bǔ)等。常用的非焊接修復(fù)方法包括內(nèi)襯注入技術(shù)、夾具修復(fù)、螺紋修復(fù)、螺栓漏箱修復(fù)等。修復(fù)階段需完成失效部件原因分析并制定下次的檢測(cè)計(jì)劃。

實(shí)踐中針對(duì)腐蝕比較嚴(yán)重或破裂的管段采用管替換的方式進(jìn)行修復(fù)，對(duì)于泄漏點(diǎn)的修復(fù)常采取角焊縫補(bǔ)焊或套管焊接的方式進(jìn)行修復(fù)，新增的焊縫將成為失效的薄弱環(huán)節(jié)。焊后須對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以確保修復(fù)行動(dòng)的有效性。

3.4 緩解階段

針對(duì)失效原因?qū)嵤┫鄳?yīng)的緩解措施可以有效延緩埋地管道的腐蝕劣化，降低腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生概率，延長(zhǎng)埋地管道的服役壽命。常用的緩解措施包括：水處理[5](添加微生物殺滅劑、沉積物控制劑、腐蝕抑制劑等)、管道內(nèi)表面定期清理、采用合適的涂層與內(nèi)襯以及陰極保護(hù)等。

工程實(shí)踐中緩解的重點(diǎn)在于管內(nèi)流體質(zhì)量的控制。采用BioGERGRE微生物膜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效監(jiān)測(cè)海水管道系統(tǒng)微生物含量以及生長(zhǎng)情況，從而優(yōu)化加藥時(shí)機(jī)以及藥量控制。

4 結(jié)論和建議

迄今，已在國(guó)內(nèi)某核電廠開(kāi)展埋地管道相關(guān)工作，建立埋地管道管理大綱，編制了埋地管道基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)現(xiàn)了管段部件分級(jí)以及三位可視化管理系統(tǒng)的建立，并采用PCM+、內(nèi)窺鏡以及面測(cè)厚等對(duì)埋地管道進(jìn)行檢測(cè)，但在維修與緩解階段工作涉及不多，這也是今后工作的重點(diǎn)。

采用老化管理大綱模式對(duì)核電廠埋地管道進(jìn)行管理，整體思路與國(guó)外電廠管理經(jīng)驗(yàn)類(lèi)似。不同的是在基礎(chǔ)階段應(yīng)用三維可視化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)埋地管道的可視化以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理，為數(shù)字化電廠的建立提供基礎(chǔ)。

對(duì)埋地管道管理工作提出以下幾點(diǎn)建議：

(1) 針對(duì)核電廠埋地管道要實(shí)現(xiàn)全面管理，需要建立完善的管道基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、編制檢測(cè)計(jì)劃，并對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析與處理，實(shí)施合適的修復(fù)措施并制定相應(yīng)的緩解維護(hù)措施；

(2) 核電業(yè)主建立埋地管道合作交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，加強(qiáng)廠內(nèi)外管理經(jīng)驗(yàn)交流，同時(shí)加大對(duì)埋地管道的關(guān)注度；

(3)檢測(cè)行業(yè)積極研究與開(kāi)發(fā)有效的埋地管道的檢測(cè)方法，提高檢測(cè)的有效性。

[1] 王智平，李霞，劉展，等. 埋地管道受到腐蝕的可靠性分析與計(jì)算[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，2005，27(3)：1-4.

[2] LOS A，MUNSON D. An assessment of industry needs for control of degradation in buried pipe[J]. EPRI，2008，1016276(3)：2-9.

[3] ANTAKI G. Recommendations for an effective program to control the degradation of buried and underground piping and tanks[J]. EPRI，2010，1021175(12)：9-13.

[4] PALO A. Buried pipe condition assessment with instrumented vehicles[J]. EPRI，2003，1007947(9)：19-23.

[5] PALO A. Water treatment strategies: microorganism control[J]. EPRI，2004，1009598(12)：43-45.