承插管道泄漏原因分析

颜令博，焦中杰

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200000）

电站消防系统由火灾探测和报警设备、消防水供给设备、自动和手动灭火设备等组成。火灾探测和报警设备包括探测和确认火灾发生地点所需的仪控装置、报警装置、FPS 自检装置和自动灭火触发装置。

消防系统为核反应堆厂房（以下简称“核岛”）、汽机厂房（以下简称“常规岛”）及核岛和常规岛以外的配套建筑物、构筑物及其设施（以下简称“BOP”）等提供火灾保护。

核电站消防系统水压是由2 个电动稳压泵、1 个电动消防泵和1 个柴油机消防泵所建立。消防水是由消防泵从2 个独立的水箱中输送的，2 个水箱之间设常关联通阀。电动稳压泵给消防集管供水，以保证管道长期维持压力稳定。稳压泵在其就地控制盘上投入运行，由各自的压力开关控制。当系统需求超过稳压泵的能力时，集管的压力下降，电动消防泵启动来提供消防水。1 个消防泵就能提供要求的全部消防水量。如果电动消防泵启动失败或系统需求超过该泵的能力，集管的压力下降，柴油机消防泵启动。电动消防泵或者柴油消防泵一旦启动，只能在就地控制盘上使其停运。

消防水系统提供正常余热排出泵和正常余热排出热交换器的备用冷却。

1 消防系统管道承插管道介绍

承插管道是将管子或管件一端的插口插入欲接件的承口内，并在环隙内用填充材料密封。填充材料主要有柔性的青铅、弹性橡胶密封圈和水泥砂浆等。承插连接主要用于铸铁管、钢筋混凝土管和塑料管等连接。承插式管道接口可以简化制造工艺、降低制造成本，并且提高承载强度。

T 型承插口属于标准件，结构包括3 个部分，较大的承口、较小的插口及橡胶密封圈。密封圈位于承口和插口中间。国标T 型承插口结构图如图1 所示。

图1 国标T 型承插口结构图

2 承插管道漏水事件描述

2.1 试验背景描述

一些汽机厂房的火灾可能会引起设备冷却水系统和厂用水系统功能的丧失。在电站冷却期间，正常余热排出系统用于导出堆芯衰变热，如果在此期间发生这样的火灾，设备冷却水系统和厂用水系统的丧失将会引起冷却堆芯能力的丧失。设备冷却水系统设置有一条与消防系统连接的管线，用于在这种情况下向正常余热排出热交换器提供冷却水。其他所有设备冷却水用户将与消防系统水隔离，只有1 个正常余热排出热交换器能被冷却。火灾保护水流通过正常余热排出热交换器后，从专门的排放管线流到辅助厂房地坑。

消防系统供、回水管线用临时的软管和有足够容量的便携式风冷热交换器和循环泵底座连接起来。这个便携式泵被用作向正常余热排出热交换器提供水流以导出堆芯衰变热。

2.2 承插管道泄漏过程描述

在设备冷却水完成流量分配试验，所有流量孔板尺寸均确定之后，试验负责人依据设备冷却水系统预运行试验程序执行消防系统向设备冷却水系统补水流量试验。本试验需求消防系统电动消防泵MP-01A 处于在线状态，柴油消防泵被隔离。试验负责人指派试验组成员就地依次打开消防系统补水隔离阀V440 和设备冷却水系统的隔离阀V309，消防系统集管压力瞬间降低，电动消防泵MP-01A 压力低自动联启，电动消防泵侧人员调节电动消防泵再循环阀V009A 控制系统压力在1.31 MPa 左右，最后全关再循环阀门，消防系统向设备冷却水系统补水流量达到最大值，完成试验流量验证，流量试验期间电动消防泵MP-01A 一直处于运行状态，就地关闭设备冷却水系统V309 和消防系统V440，在关闭设备冷却水系统V309 后，消防系统压力立即上升到1.46 MPa，就地手动停运电动消防泵，3 s 后由于系统压力降低，电动消防泵MP-01A 再次启动将压力稳定在1.37 MPa，再次手动将电动泵停运，几秒钟后电动消防泵因压力低第三次启动，压力无法稳定在1.03 MPa 以上，并且电动消防泵控制柜显示电动消防泵电流超流，立即切断电动消防泵电源。与此同时，消防系统压力瞬间降为0，柴油消防泵房人员汇报柴油消防泵房地板下面出现大面积漏水，隔离柴油消防泵出口泄漏点，手动启动消防稳压泵MP-02，10 min左右消防系统压力恢复正常。消防系统压力瞬时变化曲线如图2 所示。

图2 消防系统压力瞬时变化曲线

2.3 现场情况踏勘

在事件发生后，消防系统小组对漏水处进行现场检查，现场发现柴油消防泵房下面消防泵出口管L009B 的承插接口发生漏水，现场核实情况如下。

（1）承插口整体布置在工作坑内，坑底混凝土有1个开孔。出口管通过法兰与弯头连接，弯头最下部焊接1 个带法兰的大小头变径，然后大小头的法兰连接白色插口管，最终插入球磨铸铁承口。

（2）插口管为30.48 cm 碳钢管道，承口管道为30.48 cm 球磨铸铁标准件，未见有卡箍等加固措施。

（3）混凝土孔直径与承口外径一致，由于插口管外径比承口管小，说明混凝土未与插口管道发生接触。即混凝土没有对插口管道起到固定作用。

（4）柴油消防泵房为框架式钢结构，内外安装彩钢板。所有支撑都固定在厂房钢结构上，未在混凝土上生根。

（5）排水后发现橡胶密封圈部分脱出，出口管向上移动约50 mm，造成与其相连的再循环管支撑受积压变形。

现场检查情况如图3 柴油消防泵出口管插口漏水点和图4 柴油消防泵管道变形支架所示。

图3 柴油消防泵出口管插口漏水点

图4 柴油消防泵管道变形支架

3 原因分析

柴油消防泵出口承插口整体布置在工作坑内，柴油消防泵出口管通过法兰与弯头连接，弯头最下部焊接1 个带法兰的大小头变径，然后大小头的法兰连接插口管，最终插入球磨铸铁承口。插口管为40 cm 碳钢管道，承口管道为40 cm 球磨铸铁标准件。根据当时系统压力进行受力分析计算，当时进行试验时最高系统压力为1.46 MPa，管道为内径约305 mm。作用在管道横截面的力为

相当于10 t 重的物体产生的重力，在承插口轴向没有加强紧固措施和管道支撑限位的情况下，在如此大的压应力作用下，管道向上发生移动，出现漏水事件。

经查找发现此类承插管道存在于消防系统集管与核岛、常规岛厂房之间连接处、2 个消防水箱之间埋地管道、核岛厂房与BOP 厂房连接处等，相比较而言，此处管道压力变化较大，支撑较为薄弱，发生泄漏概率更高。基于该经验反馈对其原因做如下分析。

3.1 设计变更问题

根据现场的核实情况和设计部门的反馈，原始设计的室外埋地消防管道，材质为球磨铸铁，公称压力等级CL350，管道材料标准为AWWA-C151/A21.51，管道涂层要求为AWWA-C104/A21.4，外涂沥青，内衬水泥，连接方式为法兰。

由于在国内按照原设计要求未采购到美标的球磨铸铁管道，于是在现场发起材料替代用国标GB/T 13295—2019《水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件》材料替代美标材料。原来的内衬水泥砂浆的法兰连接管道，变更为国标壁厚等级的K9 系球磨铸铁管道，公称压力2.50 MPa，变更后的连接方式为T 型承插连接。

设计要求对变更后的承插口应该使用管箍和拉杆进行加固，并认为这不属于设计职责。

国内此类承插管道多用于及主要用于市政、工矿企业给水、输气和输油等。在此变更中未考虑法兰连接变更为T 型承插口连接，在自然状态下连接处不能承受拉应力。

3.2 施工问题

在设计变更后，施工单位初步确定用8 根螺栓和4 片管夹分别夹紧插口和承口管道，然后将管夹焊接在管道，最后通过4 个中间开孔的垫圈和2 根双头长螺栓，将2 对管夹紧固。但由于变更中并未明确管箍与碳钢管道的焊接方式，也未明确管箍在管道轴向上的位置，而且在后续安装施工中没有及时进行澄清，所以该加强措施最终没有实施。

根据系统和管道设计要求，在埋地承插管道安装完成后，应进行建安水压试验，施工单位发现无法进行保压，经过设计澄清，施工单位对埋地承插管道的承口位置浇筑混凝土支墩。支墩安装完成后，施工单位对埋地管道进行了回填工作。在此基础上建安管道水压试验顺利完成，为后续防止埋地管道泄漏提供可靠保障，同时也为后续问题的发生埋下隐患。

3.3 调试、生产问题

在系统联检移交过程中，调试和生产方均未识别此变更潜在风险，并且在现场联检过程中未认识到此缺陷。

在消防系统试验过程中，未出现承插管道泄漏，存在本身试验未能将系统设备性能验证齐全的可能性，调试和运行人员应认真分析试验是否满足系统本身功能需求。

综上所述，设计、施工及调试等各方屏障突破，是造成承插口泄漏的主要原因。

4 后续处理措施

在明确原因后，为解决消防系统承插口泄漏问题，设计方发布变更文件对承插口该使用管箍和拉杆进行加固，设计文件确定用8 根螺栓和4 片管夹分别夹紧插口和承口管道，然后将管夹焊接在管道，最后通过4个中间开孔的垫圈和2 根双头长螺栓，将2 对管夹紧固。承插管道加固措施如图5 所示。设计通过计算证明可以固定承插管道，能够保证系统在正常运行压力下长期稳定运行。消防系统所有承插管道重新按照此方式进行支撑修改，施工完成后设计评估之前完成试验有效性，同时设计、调试和生产各方共同讨论是否需要增加试验，证明消防系统的可靠性和安全性。

图5 承插管道加固措施

5 结束语

在设计方面发生变更时，变更后的设计一定要满足或者超过最初的设计标准，在建安阶段或其他阶段系统需要进行的压力试验或其他试验不能无故增加临时措施，防止问题无法提前暴露，增加后续解决问题的难度，浪费大量人力物力。在核电站中应用的任何技术都应做到安全运行，避免上述类似事件的发生。

核电厂的屏障是核电厂安全建设、运行的基本保障，每个工作层级都应认真履行其职责，避免核电厂的屏障失效。