核電廠汽輪機解體檢修周期延長可行性研究

關鍵詞：汽輪機；解體檢修周期；運行經濟性

0引言

核電廠合理、適當地延長設備檢修周期是降低運維成本、提高運行經濟性的有效途徑。Z核電廠汽輪機是由日立公司設計和制造的單軸、三缸四排汽、再熱凝汽式沖動型汽輪機，其解體檢修（A類大修）是核電機組大修關鍵和重點項目。該汽輪機于2003年初服役，解體檢修周期為6年，現已安全運行21年，具備檢修周期延長的潛力。

本文以Z核電廠汽輪機為對象，對其檢修周期由6年延長至8年進行可行性分析論證和經濟性評估。詳細闡述了解體檢修周期延長的可行性論證方法，識別了汽輪機的關鍵老化問題，并給出了定量的經濟性評估結果，對國內核電廠汽輪機管理具有參考和指導意義。

1行業要求與方法簡介

根據相關國家法規和行業標準，如《發電企業設備檢修導則》（DL/T838—2003）、《汽輪發電機運行導則》（DL/T1164—2012）等，均未對核電機組汽輪機的檢修周期進行強制性的規定，因此可以按照廠家建議和運行經驗確定和調整檢修周期，這為核電機組汽輪機解體檢修周期的合理延長提供了政策支持。

核電行業關于調整檢修周期已有相關方法的經驗積累，尤其是核電機組因換料周期延長導致的大修項目周期調整。陳童等[1]闡述了經驗反饋法、以可靠性與技術特性為中心的維修、故障模式及影響分析、概率安全評價等論證方法，提出以運行經驗反饋為主的定性分析方法在國內外預防性維修周期延長論證中都是首選的方法。張圣等[2]闡述了核電廠預防性維修計劃的編制和優化，指出對于某些大型設備，如汽輪機、凝汽器等，一般都是根據設備運行和維修手冊以及內外部經驗反饋來建立和優化維修任務。本文采用經驗反饋法來論證延長核電廠汽輪機解體檢修周期的可行性，包括同行電廠檢修計劃對比、外部行業經驗反饋及內部電廠運行歷史反饋等。

2同行檢修周期對比

同行對比時應關注汽輪機檢修周期與廠家型號、服役年限及實際狀態，還應了解各汽輪機的運行狀況，以佐證其解體檢修周期是合理有效的。

通過調研，國內核電廠汽輪機解體檢修周期大多為9年。如表1所示，C電廠CNP650機組全速汽輪機檢修周期為4.5年，檢修周期較短，主要原因是其發生過一次嚴重的低壓次末級葉片斷裂事故，使機組非計劃停機超800h，造成了巨大的產能損失；B電廠CPR1000機組使用的半速汽輪機類型與本文所述Z核電廠的設備相近，且主蒸汽溫度更高。相對于全速機，半速機具備更好的熱效率和安全可靠性，尤其是末級葉片，其運行應力和水蝕傾向均較低[3]。該CPR1000機組的10年檢修周期具有較強的參考性。同行檢修計劃對比顯示本文所述Z核電廠汽輪機檢修周期（6年）有延長潛力。同行電廠在較長的檢修周期內暫未發現影響設備安全運行的故障問題。

3汽輪機老化問題識別與論證

針對解體檢修周期延長的需要，首先應將必須通過解體方式才能開展檢查和維修的部件列為影響汽輪機解體檢修周期的關鍵部件；其次在開展經驗反饋分析論證時，應識別事件原因，將與時間相關的老化缺陷列為影響汽輪機解體檢修周期的關鍵因素，排除設計制造安裝相關問題、人因失誤等孤立偶發事件對分析論證的干擾。

3.1行業經驗反饋分析

通過調研近30年核電廠汽輪機的經驗反饋及技術成果來識別核電廠汽輪機關鍵老化問題。美國電力研究院（ElectricPowerResearchInstitute，EPRI）[4]總結了19種汽輪機（火電廠/核電廠）的老化降質機制，結合核電廠實際工況和運行經驗反饋，從而得出影響核電汽輪機檢修周期延長的老化機制主要有低壓缸葉片的疲勞和水蝕、轉子的疲勞和應力腐蝕開裂（stresscorrosioncracking，SCC）。如圖1所示，低壓轉子葉根槽存在高周疲勞、低周疲勞和應力腐蝕開裂多重影響，是相對危險的部位；低壓末級葉片因處于蒸汽相變區域，服役環境相對惡劣，水蝕損傷更嚴重，是更需關注的部位。

一般設備廠家會設定汽輪機的設計壽命（如40年），但該設計壽命的實現是以定期的維修和更換為前提的。關鍵部件如葉片及轉子的實際服役壽命與安裝調試、服役環境等均緊密相關，很難基于過往檢修情況精確預測未來剩余壽命。因此本文根據EPRI統計數據[5]，得到部件的期望壽命，如表2所示。

從上述分析中可知，核電廠汽輪機低壓缸部分失效可能性更高，其中轉子和低壓動葉片是應重點關注的部件。因本文所述Z核電廠汽輪機已運行20余年，轉子SCC及葉片損傷是可能發生的潛在風險項，應結合電廠的運行歷史數據進行評估。

3.2Z核電廠汽輪機運行歷史分析

通過汽輪機20余年的檢修結果和核電廠瞬態統計數據來評估該汽輪機的實際狀態和突出老化問題。

20余年的檢修結果顯示該汽輪機總體狀態良好。高壓缸部分主要有中分面螺栓損傷，已進行了修復或更換。低壓缸部分主要有：焊縫（隔板支撐塊與缸體）開裂，主要原因是廠家未將此類焊縫按照承壓、抗拉焊縫設計，簡單封焊處理的焊縫結構強度低，長期服役后發生疲勞開裂，已進行了補焊變更；低壓缸A末級葉片存在水蝕痕跡，經評估為正常的水蝕量，維持使用。其他相關檢修缺陷均已通過評估或處理。

針對低壓轉子葉根槽SCC風險，目前Z核電廠未發現相關缺陷。斷裂力學分析[6]表明該核電廠汽輪機轉子葉根槽處應力強度因子KI遠小于材料應力腐蝕斷裂韌性KISCC，進而認為SCC裂紋擴展傾向極低。

針對低壓末級葉片損傷風險，目前Z核電廠未發現葉片SCC缺陷，在部分葉片上發現了水蝕痕跡。葉片水蝕是汽輪機設計階段的預期損傷，正常程度的水蝕對機組效率影響極小，不影響機組安全穩定運行。Z核電廠汽輪機低壓末級葉片在設計上采用了表面處理緩解水蝕，且核電廠規劃每兩年從低壓外上缸人孔進入排汽腔室開展低壓末級葉片目視檢查，監控水蝕損傷發展，異常時開展評估或維修更換。因此汽輪機檢修周期延長兩年不會顯著提高末級葉片水蝕失效風險。

20余年的機組瞬態統計數據表明機組壽命裕量很高，運行狀態良好。如表3所示，與汽輪機相關的幾種主要瞬態的累積消耗很低，表明經受低周疲勞的部件（如轉子主軸）壽命裕量充足。根據國際電工委員會規定，汽輪機考核低周疲勞壽命的啟停周次為30年內啟動3830次[7]。Z核電廠啟停次數遠低于該數據，可見汽輪機整體壽命裕量較高，疲勞相關的老化管理效果較好。綜上，目前該核電廠汽輪機實際狀態良好，轉子、葉片等關鍵部件老化程度合理可控，解體檢修周期由6年延長至8年具有可行性。

4檢修計劃經濟性分析

結合Z核電廠目前已開展的檢修活動，根據Z核電廠40年設計壽期，以2043年為壽期末制訂檢修周期為6年和8年兩種檢修計劃。制訂檢修計劃時按照：2043年不開展解體檢修活動；由于核電廠已在開展活動，高壓部分檢修計劃起點為2023年；低壓部分最近一次檢修為2019年，檢修周期計劃為6年或8年；在制訂8年檢修周期計劃時，考慮將低壓部分A/B分次檢修以減輕集中檢查工期及成本壓力，因低壓缸A末級葉片水蝕痕跡更嚴重，提前2年檢修低壓部分A。通過對比可得8年檢修周期計劃在后20年壽期內可以減少2次解體檢修（高壓缸和低壓缸B各1次）。

運用壽期管理方法，根據以下原則：成本項及各類數據按照核電廠實際估算；不考慮貨幣時間成本（通貨膨脹率和貼現率）；因無法預料，不考慮后期可能發生的變更改造活動；檢修周期延長對大修路徑無影響，不考慮大修工期對經濟性的影響等假定，對上述兩種檢修計劃開展經濟性對比。6年檢修周期計劃總成本達5720萬元，8年檢修周期計劃總成本為4485萬元，降低1235萬元；另外因低壓缸分次檢修，年度成本也更均勻，符合核電廠實際財務計劃。

5結論與建議

通過經驗反饋法論證了Z核電廠汽輪機解體檢修周期延長2年的可行性，借助行業經驗和Z核電廠運行歷史識別了解體檢修周期延長應關注的重點老化問題，并根據壽期管理方法定量評估了運行經濟性，相關結論與建議如下。

（1）Z核電廠汽輪機實際狀態良好，解體檢修周期由6年延長至8年具有可行性；應重點關注低壓轉子葉根槽SCC開裂和低壓末級葉片異常水蝕損傷。

（2）汽輪機解體檢修周期延長2年，后20年壽期相關解體維修成本降低約1200萬元。適度合理的延長汽輪機解體檢修周期有利于降低運行成本，提升機組運行經濟性。

（3）建議國內核電廠針對如汽輪機等大型昂貴設備實施系統性的壽期管理，有利于制定最優的設備管理方案，提升機組總體運行經濟性。