核电厂开式循环冷却水系统机械老化管理应用

高 超，杨广宇，蒋林中，刘亚飞，柯松长

（1.福建宁德核电有限公司，福鼎 315200；2.苏州热工研究院有限公司，苏州 215004）

开式循环冷却水系统（OCCW）定义为安全相关系统、构筑物和部件（SSCs）的热量传递到最终热阱的系统（又称厂用水系统）。1987年，由于持续性的出现OCCW系统的安全影响事件，美国核管会对轻水反应堆OCCW系统故障和老化进行了系统全面的审查和评估。12起事件涉及OCCW系统功能完全丧失。图1列出的系统老化的几个重要原因也是导致这12个涉及系统故障的事件原因。OCCW系统是电厂的冷源，其状态好坏直接影响到机组的安全运行和经济性，一直受到国内外核电运营单位和监管单位的重视。业界相关的法规标准和技术报告主要包括：美国核管会GL 89-13［1，2］，NUREG 1801［3］。国内电站与国外电站相比较，在这方面做的还远远不够。国内核电厂目前老化管理缺乏系统性，管理比较粗放。例如：对于建造安装阶段的记录不够完整和细致、缺少材料的强度和疲劳试验性能数据、基础性研究力量不足、对现场安全级设备识别不够、对现场监督不够、缺乏趋势性分析数据和技术、评估水平有待提高，等等［4］。为了在核电厂中有效地进行老化管理活动，必须在电厂的运行管理中建立并执行老化管理大纲。通过老化管理大纲进行老化管理，大纲管理OCCW系统中由于微观或宏观有机物及各种腐蚀机理导致的材料损失及结垢的老化效应［3］。

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

1 管理实施方法

目前，世界各国采用的寿命管理方式主要有执照更新和定期安全审查两种［5，6］。其中，美国对老化管理和寿命管理研究的最为成熟，采用了执照更新方式［7］。美国对于安全相关设备的老化管理，分为能动设备与非能动设备进行管理，对于非能动、长寿期设备老化采用执照更新（10CFR54）管理，对于能动、短寿期设备老化采用维修法规（10CFR50.65）管理，对于非安全相关设备，用设备可靠性管理流程（AP-913）进行统一可靠性管理，既满足了核安全监管部门的要求，又满足了电厂追求机组可靠性、可用性的要求，取得了可靠性与可用性间的平衡［8，9］。借鉴目前最新的老化管理大纲编制经验，编制了国内某核电厂OCCW老化管理大纲，大纲结构见图2。

图2 老化管理大纲总体结构Fig.2 Overall framework of aging management program

1.1 界定与筛选

在大纲编写过程中梳理了老化管理对象，列出了相应的设备和部件清单，涵盖了安全相关系统、有重大影响的非安全系统结构和组件。其中能动SSCs的老化管理属于维修技术政策管理的范畴，而非能动SSCs的老化管理则属于老化管理的范畴。能动SSCs的老化管理原则是性能监测，而非能动SSCs的老化管理原则是状态监督。

某核电厂的OCCW系统为重要厂用水系统（SEC）和循环水过滤系统（CFI）。范围界定原则包括：

（1）《核电厂最终安全分析报告》中所描述的执行控制反应性、排出堆芯热量，以及包容放射性物质和控制运行排放，限制事故释放等几项基本安全功能的SSCs；

（2）其故障可能影响上述SSCs执行功能的核电厂其他SSCs；

（3）《核电厂最终安全分析报告》中所描述的防火设计、火灾探测和灭火系统；

（4）《核电厂最终安全分析报告》描述的超设计基准事故的预防或缓解设施：

（5）未纳入《核电厂最终安全分析报告》，但经国家核安全局批准或国家核安全局所要求的改进项中涉及上述范围的SSCs。

筛选是在界定范围内的SSCs中识别需要进行老化审查的构筑物和部件的过程，见图3。筛选的原则是该构筑物或部件执行预定功能，并符合“非能动”和“长寿期”定义。

图3 界定与筛选流程图Fig.3 Defining and screening flowchart

在老化管理大纲编制过程中，如电厂的文件不能提供相关信息，需要现场检查。包括以下几部分内容：针对电子及纸质资料不全或存在疑问的SSCs；现场验证非安全影响安全部件的范围界定结果；调查需要现场核实的部件材质及所处环境。

1.2 老化管理大纲

1.2.1 老化效应识别

以OCCW系统范围界定和筛选结果为对象，对OCCW系统执行预定功能的非能动、长寿期部件进行老化管理自查，包括自查对象的确认和分组、老化效应的识别、一致性审查，确定部件的老化效应。理解选定部件的老化应力因素、老化机理、老化效应及失效原因。

1.2.2 老化管理大纲

建立大纲提出管理要求，通过联合采取预防、状态和性能监测管理OCCW部件的老化效应。包括内容：管理范围、预防性措施、监检测参数、老化效应探测等。通过一系列的措施，对OCCW系统的老化效应进行了全面的评价，提出了增强项和例外项，以提高OCCW系统的可靠性。

1.2.3 有效性自查

通过老化管理自查，逐一的审查OCCW系统的部件的老化效应。根据国内外管理经验编制了OCCW老化管理大纲，确定了某核电厂在管理OCCW方面应有的措施。为了保证大纲中的措施都得到了良好的执行，对大纲所覆盖的所有设备都逐一梳理了电厂的已有措施，形成了老化管理大纲自查报告。

1.2.4 经验反馈分析

电厂应对老化分析进行周期性总结，不断改进维修政策与运行程序，不断吸纳老化机制领域的研发成果及国际国内的经验。考虑可能出现一些无法管理到的特有老化效应，因此对电厂的运行经验进行收集和分析，补充老化管理措施。

1.3 老化管理数据库

数据库是贯穿整个老化管理研究和活动记录及提供信息的最重要媒体。国际原子能机构在安全系列50-P-3中对核电站老化管理数据库的建立给出了明确的要求，老化管理数据库也应随着核电站老化管理的不断深入而不断地提高和完善［10］。在大纲编制过程中，产生了大量的基础数据和过程文件，这些数据全部都存入老化管理数据库中，某核电厂专门开发了OC⁃CW系统的数据库模块。

2 管理实施结果和讨论

2.1 老化管理范围

CFI系统设备2960个，SEC系统设备1648个。经过界定，确定CFI系统在界定范围内的机械设备1240个，SEC系统在界定范围内的机械设备1592个。在范围界定工作之后进行筛选，确定需要进行老化管理的部件。对于材料、环境相似的部件合并成物项组，共确定50项物项组。

图4 CFI系统在界定范围内设备数量Fig.4 The number of CFI equipment within the defined range

图5 SEC系统在界定范围内设备数量Fig.5 The number of SEC equipment within the defined range

结合SEC和CFI系统的流程图进行了设备范围界定，在流程图上标识了在界定范围内的设备，共绘制流程图16张，从标识的流程图上可以清楚直观的界定老化管理设备的范围和边界。

在OCCW系统老化管理大纲的编制过程中，某核电厂对CFI系统的468个设备，SEC系统的346个设备进行了现场检查。（1）通过现场检查的方式核实失效会影响安全的非安全级设备；（2）部件的材料类别是判断材料老化效应的重要依据，通过现场检查的方式确定每一个部件的材料环境信息。

2.2 老化管理内容

2.2.1 老化管理自查

以OCCW系统范围界定和筛选结果为对象进行老化管理自查，包括自查对象的确认和分组、老化效应的识别、一致性审查，确定部件的老化效应。CFI组合项自查51个，SEC组合项自查58个。OCCW系统关注范围内部件的材料和环境信息汇总如下：

材料：钛合金、碳钢（内部涂层/衬里）、不锈钢（内部涂层/衬里）、不锈钢、碳钢、玻璃纤维、钢筒型混凝土、合金钢、钢；

环境：处理水、海水、室内空气、土壤环境；

老化效应：识别老化管理自查关注范围内，部件的老化效应及其老化机理，包括：

（1）材料损失/点蚀、缝隙腐蚀、结垢导致的腐蚀；

（2）材料损失/点蚀和缝隙腐蚀（仅限衬里或堆焊层降质后的钢）；

（3）材料损失/均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、微生物腐蚀、结垢导致的腐蚀、衬里或涂层降质；

（4）材料损失/侵蚀；

（5）点蚀和缝隙腐蚀（仅限衬里或堆焊层降质后的钢）；

（6）钢筋的开裂、剥落和腐蚀/钢筋暴露；

（7）开裂、起泡、颜色变化/吸水；

（8）开裂、颜色变化；

（9）开裂/化学侵蚀和浸出、材料性能改变/化学侵蚀；

（10）硬化及强度损失/弹性体材料降质；

（11）预载荷损失/自松动。

2.2.2 老化管理大纲

OCCW系统将安全有关的SSCs的热量传递到最终热阱中。该大纲确保OCCW系统的老化效应在运行期间得到管理。大纲内容包括：（1）监督和控制生物淤积；（2）验证传热能力的检验大纲；（3）确保腐蚀、侵蚀、防护涂层失效、泥沙沉积（淤积）和生物淤积不会降低OCCW系统提供服务的安全相关系统性能的常规检查和维修大纲；（4）确保符合要求的系统巡检；（5）维修、运行、培训实践和程序的审查。

大纲通过联合采取预防、状态和性能监测，管理生水系统（如厂用水或江河水）部件的老化效应。其中包括：（1）管理OCCW系统或系统构筑物和部件中生物淤积、腐蚀、侵蚀、防护涂层失效和沉积淤泥导致的老化效应的监督和控制技术；（2）关键部件的腐蚀、侵蚀和生物淤积迹象的检查；（3）从安全重要的部件中散热的热交换器热传递性能的检测。

2.2.3 老化管理大纲有效性自查

OCCW老化管理大纲中已经提出了管理要求，老化管理大纲有效性自查则逐项对比电厂的实际管理措施有无落实老化管理大纲中的要求，确保所有的OCCW老化管理大纲应管理的部件的老化效应都得到了良好管理，但是也发现了一些待改进的地方。

（1）一些范围内的设备在海水环境下会发生老化效应，而目前程序和大纲并没有相应的检查措施或是管理范围不全，如图6。建议电厂增加检查措施或者进行分析评估。如CFI系统碳钢（内部涂层/衬里）管道在海水环境下会发生老化效应，而目前程序和大纲只有部分管道的内部检查，覆盖不全，如：1.主管道上的小支管未检查；2.新增泵系列未检查；3.反冲洗碳钢管道只有部分抽检。

图6 待增强管理设备Fig.6 The equipments that need effective management

（2）电厂进行现场检查的人员应按要求或有关主管部门的规定进行相关培训，取得相应授权。

（3）SEC系统钢筒型混凝土管道在土壤环境下会发生老化效应（开裂/化学侵蚀和浸出；材料性能改变/化学侵蚀），目前电厂有定期内部检查。其中一部分为死管段，美国核管会GL 89-13中提示需注意内部流体流速缓慢或不流动的管道可能有微生物腐蚀风险。某核电厂对此部分管道也进行了识别，需要特别注意。

2.2.4 经验反馈分析

经验反馈的收集与分析也是老化管理大纲有效性自查的重要方面。收集了国内外核电厂OCCW系统设备的大量经验反馈，从数万条电站的24小时事件单、内部通知单和内部经验反馈报告等来源中筛选出与设备/部件材料失效或降质相关的内容。某核电厂OCCW系统管理良好，事件单都得到了及时、有效的处理，但也有需要加强的方面：

（1）通过大修SEC项目总结报告中可以得出，衬胶管道有开裂和鼓包现象，对衬胶开裂和鼓包也及时进行修补，但记录不明确，不能确认该衬胶管道下次开裂和鼓包跟上一次是否是同一位置，不能确认是否是重发事件。因此衬胶的修补应该有明确的记录，以便后续的跟踪和缺陷处理；

（2）通知单发现有穿墙管道泄露、开裂和渗水现象，目前电厂对穿墙管只有目视检查，为了加强对穿墙管的老化管理，增加穿墙管的无损检测，以便监测穿墙管的老化状态。

2.3 老化管理数据库

编制大纲所需要的所有数据均先收集基础数据，录入数据库，确保数据能够统一格式，避免重复收集数据，确保每个数据都有来源。CFI系统在范围界定工作过程中共收集数据50339条，SEC系统在范围界定工作过程中共收集数据57183条。数据库集成了大数据分析模块，可用差异分析、聚类、预测、相关性分析等多种数据挖掘技术，从多个维度对平台中的数据进行呈现。在提高工作效率，降低作业风险的同时也可实现方便的数据同步，提高数据录入的准确率和效率。

3 总结

通过对OCCW开展系统化的老化管理研究，建立核电厂老化管理大纲标准体系，整体上提升OCCW系统安全可靠性。

（1）针对CFI系统和SEC系统进行SSCs分类，筛选出非能动、长寿期重要部件，对于不确定的环境材料信息现场核查是必要的。通过材料环境物项组、老化效应分类管理，提高老化管理效率。整个老化管理过程中的数据经过应用、创新，完成集约化管理，建立了OCCW系统数据平台，提高数据的可用率，并降低管理成本。

（2）建立了OCCW系统的老化管理体系，内容包括老化效应识别、老化大纲、经验反馈等，并辅以相应技术报告，结合国际通用的法规和我国其他核电相关法规保证了老化管理的兼容性。在管理上还存在待增强的部分，如新增设备的检查措施、人员授权资质、检测记录等。

（3）老化管理纠正措施的确定和落实工作开展有待完善。需要形成一个后续行动的有效机制。这个落实过程需要一系列记录文件，说明落实情况和后续计划。老化大纲一旦建立，后续还需要定期更新经验反馈报告，关注最新的管理经验确保系统的安全运行。