核電廠開式循環冷卻水系統機械老化管理應用

高 超，楊廣宇，蔣林中，劉亞飛，柯松長

（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）

開式循環冷卻水系統（OCCW）定義為安全相關系統、構筑物和部件（SSCs）的熱量傳遞到最終熱阱的系統（又稱廠用水系統）。1987年，由于持續性的出現OCCW系統的安全影響事件，美國核管會對輕水反應堆OCCW系統故障和老化進行了系統全面的審查和評估。12起事件涉及OCCW系統功能完全喪失。圖1列出的系統老化的幾個重要原因也是導致這12個涉及系統故障的事件原因。OCCW系統是電廠的冷源，其狀態好壞直接影響到機組的安全運行和經濟性，一直受到國內外核電運營單位和監管單位的重視。業界相關的法規標準和技術報告主要包括：美國核管會GL 89-13［1，2］，NUREG 1801［3］。國內電站與國外電站相比較，在這方面做的還遠遠不夠。國內核電廠目前老化管理缺乏系統性，管理比較粗放。例如：對于建造安裝階段的記錄不夠完整和細致、缺少材料的強度和疲勞試驗性能數據、基礎性研究力量不足、對現場安全級設備識別不夠、對現場監督不夠、缺乏趨勢性分析數據和技術、評估水平有待提高，等等［4］。為了在核電廠中有效地進行老化管理活動，必須在電廠的運行管理中建立并執行老化管理大綱。通過老化管理大綱進行老化管理，大綱管理OCCW系統中由于微觀或宏觀有機物及各種腐蝕機理導致的材料損失及結垢的老化效應［3］。

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

1 管理實施方法

目前，世界各國采用的壽命管理方式主要有執照更新和定期安全審查兩種［5，6］。其中，美國對老化管理和壽命管理研究的最為成熟，采用了執照更新方式［7］。美國對于安全相關設備的老化管理，分為能動設備與非能動設備進行管理，對于非能動、長壽期設備老化采用執照更新（10CFR54）管理，對于能動、短壽期設備老化采用維修法規（10CFR50.65）管理，對于非安全相關設備，用設備可靠性管理流程（AP-913）進行統一可靠性管理，既滿足了核安全監管部門的要求，又滿足了電廠追求機組可靠性、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驗，編制了國內某核電廠OCCW老化管理大綱，大綱結構見圖2。

圖2 老化管理大綱總體結構Fig.2 Overall framework of aging management program

1.1 界定與篩選

在大綱編寫過程中梳理了老化管理對象，列出了相應的設備和部件清單，涵蓋了安全相關系統、有重大影響的非安全系統結構和組件。其中能動SSCs的老化管理屬于維修技術政策管理的范疇，而非能動SSCs的老化管理則屬于老化管理的范疇。能動SSCs的老化管理原則是性能監測，而非能動SSCs的老化管理原則是狀態監督。

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

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

（2）其故障可能影響上述SSCs執行功能的核電廠其他SSCs；

（3）《核電廠最終安全分析報告》中所描述的防火設計、火災探測和滅火系統；

（4）《核電廠最終安全分析報告》描述的超設計基準事故的預防或緩解設施：

（5）未納入《核電廠最終安全分析報告》，但經國家核安全局批準或國家核安全局所要求的改進項中涉及上述范圍的SSCs。

篩選是在界定范圍內的SSCs中識別需要進行老化審查的構筑物和部件的過程，見圖3。篩選的原則是該構筑物或部件執行預定功能，并符合“非能動”和“長壽期”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程中，如電廠的文件不能提供相關信息，需要現場檢查。包括以下幾部分內容：針對電子及紙質資料不全或存在疑問的SSCs；現場驗證非安全影響安全部件的范圍界定結果；調查需要現場核實的部件材質及所處環境。

1.2 老化管理大綱

1.2.1 老化效應識別

以OCCW系統范圍界定和篩選結果為對象，對OCCW系統執行預定功能的非能動、長壽期部件進行老化管理自查，包括自查對象的確認和分組、老化效應的識別、一致性審查，確定部件的老化效應。理解選定部件的老化應力因素、老化機理、老化效應及失效原因。

1.2.2 老化管理大綱

建立大綱提出管理要求，通過聯合采取預防、狀態和性能監測管理OCCW部件的老化效應。包括內容：管理范圍、預防性措施、監檢測參數、老化效應探測等。通過一系列的措施，對OCCW系統的老化效應進行了全面的評價，提出了增強項和例外項，以提高OCCW系統的可靠性。

1.2.3 有效性自查

通過老化管理自查，逐一的審查OCCW系統的部件的老化效應。根據國內外管理經驗編制了OCCW老化管理大綱，確定了某核電廠在管理OCCW方面應有的措施。為了保證大綱中的措施都得到了良好的執行，對大綱所覆蓋的所有設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告。

1.2.4 經驗反饋分析

電廠應對老化分析進行周期性總結，不斷改進維修政策與運行程序，不斷吸納老化機制領域的研發成果及國際國內的經驗?？紤]可能出現一些無法管理到的特有老化效應，因此對電廠的運行經驗進行收集和分析，補充老化管理措施。

1.3 老化管理數據庫

數據庫是貫穿整個老化管理研究和活動記錄及提供信息的最重要媒體。國際原子能機構在安全系列50-P-3中對核電站老化管理數據庫的建立給出了明確的要求，老化管理數據庫也應隨著核電站老化管理的不斷深入而不斷地提高和完善［10］。在大綱編制過程中，產生了大量的基礎數據和過程文件，這些數據全部都存入老化管理數據庫中，某核電廠專門開發了OC?CW系統的數據庫模塊。

2 管理實施結果和討論

2.1 老化管理范圍

CFI系統設備2960個，SEC系統設備1648個。經過界定，確定CFI系統在界定范圍內的機械設備1240個，SEC系統在界定范圍內的機械設備1592個。在范圍界定工作之后進行篩選，確定需要進行老化管理的部件。對于材料、環境相似的部件合并成物項組，共確定50項物項組。

圖4 CFI系統在界定范圍內設備數量Fig.4 The number of CFI equipment within the defined range

圖5 SEC系統在界定范圍內設備數量Fig.5 The number of SEC equipment within the defined range

結合SEC和CFI系統的流程圖進行了設備范圍界定，在流程圖上標識了在界定范圍內的設備，共繪制流程圖16張，從標識的流程圖上可以清楚直觀的界定老化管理設備的范圍和邊界。

在OCCW系統老化管理大綱的編制過程中，某核電廠對CFI系統的468個設備，SEC系統的346個設備進行了現場檢查。（1）通過現場檢查的方式核實失效會影響安全的非安全級設備；（2）部件的材料類別是判斷材料老化效應的重要依據，通過現場檢查的方式確定每一個部件的材料環境信息。

2.2 老化管理內容

2.2.1 老化管理自查

以OCCW系統范圍界定和篩選結果為對象進行老化管理自查，包括自查對象的確認和分組、老化效應的識別、一致性審查，確定部件的老化效應。CFI組合項自查51個，SEC組合項自查58個。OCCW系統關注范圍內部件的材料和環境信息匯總如下：

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

環境：處理水、海水、室內空氣、土壤環境；

老化效應：識別老化管理自查關注范圍內，部件的老化效應及其老化機理，包括：

（1）材料損失/點蝕、縫隙腐蝕、結垢導致的腐蝕；

（2）材料損失/點蝕和縫隙腐蝕（僅限襯里或堆焊層降質后的鋼）；

（3）材料損失/均勻腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、微生物腐蝕、結垢導致的腐蝕、襯里或涂層降質；

（4）材料損失/侵蝕；

（5）點蝕和縫隙腐蝕（僅限襯里或堆焊層降質后的鋼）；

（6）鋼筋的開裂、剝落和腐蝕/鋼筋暴露；

（7）開裂、起泡、顏色變化/吸水；

（8）開裂、顏色變化；

（9）開裂/化學侵蝕和浸出、材料性能改變/化學侵蝕；

（10）硬化及強度損失/彈性體材料降質；

（11）預載荷損失/自松動。

2.2.2 老化管理大綱

OCCW系統將安全有關的SSCs的熱量傳遞到最終熱阱中。該大綱確保OCCW系統的老化效應在運行期間得到管理。大綱內容包括：（1）監督和控制生物淤積；（2）驗證傳熱能力的檢驗大綱；（3）確保腐蝕、侵蝕、防護涂層失效、泥沙沉積（淤積）和生物淤積不會降低OCCW系統提供服務的安全相關系統性能的常規檢查和維修大綱；（4）確保符合要求的系統巡檢；（5）維修、運行、培訓實踐和程序的審查。

大綱通過聯合采取預防、狀態和性能監測，管理生水系統（如廠用水或江河水）部件的老化效應。其中包括：（1）管理OCCW系統或系統構筑物和部件中生物淤積、腐蝕、侵蝕、防護涂層失效和沉積淤泥導致的老化效應的監督和控制技術；（2）關鍵部件的腐蝕、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。

2.2.3 老化管理大綱有效性自查

OCCW老化管理大綱中已經提出了管理要求，老化管理大綱有效性自查則逐項對比電廠的實際管理措施有無落實老化管理大綱中的要求，確保所有的OCCW老化管理大綱應管理的部件的老化效應都得到了良好管理，但是也發現了一些待改進的地方。

（1）一些范圍內的設備在海水環境下會發生老化效應，而目前程序和大綱并沒有相應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行分析評估。如CFI系統碳鋼（內部涂層/襯里）管道在海水環境下會發生老化效應，而目前程序和大綱只有部分管道的內部檢查，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 待增強管理設備Fig.6 The equipments that need effective management

（2）電廠進行現場檢查的人員應按要求或有關主管部門的規定進行相關培訓，取得相應授權。

（3）SEC系統鋼筒型混凝土管道在土壤環境下會發生老化效應（開裂/化學侵蝕和浸出；材料性能改變/化學侵蝕），目前電廠有定期內部檢查。其中一部分為死管段，美國核管會GL 89-13中提示需注意內部流體流速緩慢或不流動的管道可能有微生物腐蝕風險。某核電廠對此部分管道也進行了識別，需要特別注意。

2.2.4 經驗反饋分析

經驗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。收集了國內外核電廠OCCW系統設備的大量經驗反饋，從數萬條電站的24小時事件單、內部通知單和內部經驗反饋報告等來源中篩選出與設備/部件材料失效或降質相關的內容。某核電廠OCCW系統管理良好，事件單都得到了及時、有效的處理，但也有需要加強的方面：

（1）通過大修SEC項目總結報告中可以得出，襯膠管道有開裂和鼓包現象，對襯膠開裂和鼓包也及時進行修補，但記錄不明確，不能確認該襯膠管道下次開裂和鼓包跟上一次是否是同一位置，不能確認是否是重發事件。因此襯膠的修補應該有明確的記錄，以便后續的跟蹤和缺陷處理；

（2）通知單發現有穿墻管道泄露、開裂和滲水現象，目前電廠對穿墻管只有目視檢查，為了加強對穿墻管的老化管理，增加穿墻管的無損檢測，以便監測穿墻管的老化狀態。

2.3 老化管理數據庫

編制大綱所需要的所有數據均先收集基礎數據，錄入數據庫，確保數據能夠統一格式，避免重復收集數據，確保每個數據都有來源。CFI系統在范圍界定工作過程中共收集數據50339條，SEC系統在范圍界定工作過程中共收集數據57183條。數據庫集成了大數據分析模塊，可用差異分析、聚類、預測、相關性分析等多種數據挖掘技術，從多個維度對平臺中的數據進行呈現。在提高工作效率，降低作業風險的同時也可實現方便的數據同步，提高數據錄入的準確率和效率。

3 總結

通過對OCCW開展系統化的老化管理研究，建立核電廠老化管理大綱標準體系，整體上提升OCCW系統安全可靠性。

（1）針對CFI系統和SEC系統進行SSCs分類，篩選出非能動、長壽期重要部件，對于不確定的環境材料信息現場核查是必要的。通過材料環境物項組、老化效應分類管理，提高老化管理效率。整個老化管理過程中的數據經過應用、創新，完成集約化管理，建立了OCCW系統數據平臺，提高數據的可用率，并降低管理成本。

（2）建立了OCCW系統的老化管理體系，內容包括老化效應識別、老化大綱、經驗反饋等，并輔以相應技術報告，結合國際通用的法規和我國其他核電相關法規保證了老化管理的兼容性。在管理上還存在待增強的部分，如新增設備的檢查措施、人員授權資質、檢測記錄等。

（3）老化管理糾正措施的確定和落實工作開展有待完善。需要形成一個后續行動的有效機制。這個落實過程需要一系列記錄文件，說明落實情況和后續計劃。老化大綱一旦建立，后續還需要定期更新經驗反饋報告，關注最新的管理經驗確保系統的安全運行。