秦山二期RRA余排入口死管段效應(yīng)分析及對(duì)策

朱益東

(中核核電運(yùn)行管理有限公司二廠，浙江海鹽 314300)

核電廠投入商運(yùn)以后，各種設(shè)備的老化問題也逐步顯露出來。在不斷提高運(yùn)行和維修水平的同時(shí)，如何做好設(shè)備的可靠性管理，避免因設(shè)備的老化問題影響電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是需要進(jìn)一步關(guān)注和提高的研究方向。

“死管段現(xiàn)象”是目前困擾核電廠的一個(gè)重大難題，也是影響相關(guān)設(shè)備壽命的最主要因素(梁漢生等，2005)。RRA余排入口管道就屬于“死管段”之一。該現(xiàn)象已經(jīng)多次在國內(nèi)外同類型電廠中出現(xiàn)問題，導(dǎo)致閥門閥座產(chǎn)生腐蝕，影響閥門的密封性。如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，將會(huì)破壞一回路壓力邊界的完整性，產(chǎn)生放射性物質(zhì)泄漏的重大安全風(fēng)險(xiǎn)。本文通過分析死管段產(chǎn)生機(jī)理，并結(jié)合秦山二期4臺(tái)機(jī)組實(shí)際改造經(jīng)驗(yàn)，為今后其它電站設(shè)計(jì)及技術(shù)改造提供參考。

1 “死管段”現(xiàn)象及機(jī)理

核電廠運(yùn)行管道中，存在一些與一回路相連但在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)其內(nèi)流體不流動(dòng)的管段。當(dāng)一回路升溫升壓或升功率運(yùn)行過程中，這些管道內(nèi)的靜止流體被一回路加熱產(chǎn)生熱分層或汽化，最終導(dǎo)致管道內(nèi)壁和閥門部件腐蝕，這些管道被稱為死管段。RRA余排進(jìn)口管道(即 RCP212VP和RRA001VP之間、RCP215VP和RRA021VP之間)就屬于“死管段”之一。RRA入口管線死管段現(xiàn)象在設(shè)計(jì)時(shí)就存在的，屬于設(shè)計(jì)缺陷(石海松，2010)，如不及時(shí)糾正，將會(huì)有可能導(dǎo)致重大放射性泄漏事故發(fā)生。

RRA余排入口死管段內(nèi)的腐蝕問題主要是由持續(xù)不斷的熱工水力現(xiàn)象引起的，主要表現(xiàn)在:

(1)管道熱疲勞。死管段內(nèi)不同部位之間存在熱分層，當(dāng)這種熱分層不穩(wěn)定時(shí)會(huì)引起溫度的變化，使得管道相應(yīng)位置材料交替出現(xiàn)膨脹、收縮，導(dǎo)致管道產(chǎn)生熱疲勞。進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋，發(fā)展到后期可能會(huì)出現(xiàn)貫穿性裂紋(譚璞等，2011)，導(dǎo)致事故發(fā)生。

(2)汽水兩項(xiàng)腐蝕。與主管道連接的RRA余排入口管道兩道隔離閥之間流體為靜止?fàn)顟B(tài)，正常運(yùn)行期間這段管道是被隔離的，通過一回路側(cè)隔離閥的加熱作用，導(dǎo)致死管段內(nèi)靜止流體溫度升高，同時(shí)體積膨脹引起壓力升高(自加壓現(xiàn)象)。如果管道內(nèi)有殘留的氣體空間，而且初始?jí)毫^低，則當(dāng)液體溫度達(dá)到管道內(nèi)部壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度(即沸點(diǎn))時(shí)，管道內(nèi)的液體將會(huì)形成蒸汽，產(chǎn)生水-汽兩相，導(dǎo)致化學(xué)腐蝕。

圖1 某核電廠“死管段”現(xiàn)象導(dǎo)致的閥門閥瓣腐蝕Fig.1 Valve clack corroded as the result of Dead-end pipe in a nuclear power plant

2 死管段改造思路及方案

從總體上來看，死管段嚴(yán)重腐蝕問題是在多種腐蝕機(jī)理的共同作用下造成的，包括高溫、汽液兩相共存、水質(zhì)條件及可能的高氧化環(huán)境等。而導(dǎo)致其發(fā)生的重要原因是管道閥門布置過于緊湊，連接余熱排出系統(tǒng)與主回路的隔離閥都布置在靠近主管道的位置，從一回路到第一道隔離閥之間的距離相對(duì)較近(約5 m)，較多熱量可以從一回路傳遞給死管段，使得第一道隔離閥上游的溫度接近一回路溫度，且RRA入口前兩道隔離閥之間的管道長度較短(約1 m)，不利于死管段散熱。

一回路通過RCP閥門不斷給死管段內(nèi)靜止液體加熱，如果溫度達(dá)到管道內(nèi)部壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，就會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)形成水-汽兩相。當(dāng)管道內(nèi)排氣不充分而存在空氣時(shí)更會(huì)加速腐蝕的產(chǎn)生。試驗(yàn)證明，RRA入口一次隔離閥上游的溫度幾乎與一回路的溫度相同，達(dá)到290～323℃，一次隔離閥下游的溫度最高可以達(dá)到230℃左右。

因此可采取的改造方案有兩種:

(1)從改善一回路傳熱入手，即通過改變管路設(shè)計(jì)，增加第一道隔離閥與一回路之間管道長度，減少一回路傳遞給第一道隔離閥的熱量，從而使死管段內(nèi)流體達(dá)不到飽和溫度，徹底解決死管段問題。目前美國和法國等先進(jìn)壓水堆核電廠設(shè)計(jì)中已經(jīng)采取該措施。但該方案不適合國內(nèi)M310機(jī)組，因?yàn)槭艿焦艿啦贾煤屯两ńY(jié)構(gòu)限制，無法采取增加管道長度的方法來解決死管段問題。今后國內(nèi)大力推行的AP1000堆型可能會(huì)在設(shè)計(jì)上有所改進(jìn)。

(2)對(duì)死管段加壓，提高管段內(nèi)流體沸點(diǎn)，從而避免汽-液共存現(xiàn)象出現(xiàn)。目前國內(nèi)大亞灣和嶺澳一期即采用該原理對(duì)RRA進(jìn)口死管段進(jìn)行了改造。據(jù)相關(guān)報(bào)告顯示，改造后電廠對(duì)相關(guān)閥門進(jìn)行了檢查和密封性測試，效果良好。

秦山二期作為M310型機(jī)組，采用的是第二種方案，即通過從一回路引壓到RRA余排入口管線的兩個(gè)隔離閥之間，增加該死管段壓力，避免相關(guān)閥門因死管段現(xiàn)象產(chǎn)生腐蝕、泄露，確保一回路壓力邊界完整性。秦山二期總共4臺(tái)機(jī)組，目前3、4號(hào)機(jī)組已完成改造，另外2臺(tái)前期準(zhǔn)備工作已完成，待大修窗口開啟即可實(shí)施改造工作。

圖2為秦山二期RRA余排入口管線改造前管路和閥門布置情況，其原先運(yùn)作狀況如下:

(1)正常運(yùn)行期間 RCP212VP/RRA001VP、RCP215VP/RRA021VP關(guān)閉，一回路壓力邊界實(shí)現(xiàn)兩道隔離。

(2)機(jī)組啟動(dòng)初期一回路熱量傳遞到RCP212VP/RRA001VP、RCP215VP/RRA021VP之間的密閉空間，液體受熱膨脹，壓力上升，上升的壓力通過逆止閥RCP354VP/355VP泄到一回路系統(tǒng)，防止兩道閥門之間的設(shè)備超壓損壞，這個(gè)逆止閥具有安全閥的功能。

(3)水壓試驗(yàn)期間(首次大修執(zhí)行，后續(xù)每10年執(zhí)行一次)RCP212VP、RCP215VP開啟，RRA001VP、RRA021VP關(guān)閉。同時(shí) RRA130VP、RRA131VP開啟，安注RIS系統(tǒng)試驗(yàn)管線分別與兩個(gè)閥門相連接。

按照國內(nèi)某核電廠的改造案例，將逆止閥RCP354VP修改為手動(dòng)隔離閥RCP354VP，正常運(yùn)行時(shí)保持常開，“死管段”從隔離閥RCP212VP前的一回路直接引壓。取消氣動(dòng)隔離閥RRA130VP，用管帽對(duì)管道進(jìn)行封堵。手動(dòng)隔離閥RCP354VP前增設(shè)一個(gè)3mm流量孔板。

該方法雖然利用管段增壓的原理，暫時(shí)解決了RRA余排入口死管段問題，但也留下了其它隱患。首先該方案對(duì)隔離閥RCP212VP進(jìn)行了旁通，使得余排系統(tǒng)與一回路之間只存在RRA001VP一道隔離閥，違背了RCC-P關(guān)于一回路壓力邊界雙重隔離的要求，降低了一回路隔離的可靠性。另外由于取消了RRA130VP取代以管帽封堵RIS管線，改變了原水壓試驗(yàn)引壓管線的設(shè)計(jì)，影響了今后對(duì)水壓試驗(yàn)的實(shí)施。

圖2 秦山二期RRA余排入口管線改造前管路和閥門圖Fig.2 The arrangement plan of pipe and valve before doing the teehniral reform of RRA

秦山二期在借鑒、吸收了國內(nèi)其他電廠改造經(jīng)驗(yàn)后，通過對(duì)自身4臺(tái)機(jī)組的實(shí)地勘測及結(jié)合設(shè)計(jì)院的意見，制定了一個(gè)不同思路的技術(shù)改造方案。

(1)RCV系統(tǒng)下泄管道與RRA130/131VP下游之間，增設(shè)直徑為3/4”的引壓管線。

(2)電廠正常運(yùn)行時(shí)，新增閥門3、RRA130VP、RRA131VP保持開啟狀態(tài)，將下泄管線處的壓力引到死管段，使死管段壓力保持與RCV系統(tǒng)壓力相等，避免出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。新增的逆止閥2作用是防止冷卻劑倒流。

(3)隔離閥3和止回閥2，在RRA系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)或RRA001/021VP泄露及其它特殊情況下，起到隔離RCV系統(tǒng)作用。

(4)在引壓管線上增加3 mm孔板，主要目的是在第二道隔離閥RRA001VP、RRA021VP出現(xiàn)泄漏或者誤開故障狀態(tài)下能夠減小一回路冷卻劑喪失的速率。

(5)在RRA130VP和RIS水壓試壓管在線增設(shè)閥門1，在RIS系統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)開啟該閥門，其它時(shí)候關(guān)閉閥門將RIS系統(tǒng)與RRA隔離。

(6)引壓管線取口位置在原RCV下泄管線的疏排管上(即RCV617VP所在管線)，選合適位置增設(shè)三通。

3 改造方案可行性分析

3.1 現(xiàn)場實(shí)施可行性

根據(jù)系統(tǒng)流程及工藝要求，設(shè)計(jì)院對(duì)余排死管段改造工作中涉及的管道走向、支架布置、閥門安裝等進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)并出具了施工圖。在大修停堆期間，秦山業(yè)主、設(shè)計(jì)院、安裝公司等幾方面人員依據(jù)圖紙對(duì)引壓破口位置、管道路徑、閥門位置、支架型式及生根位置、焊接或安裝可達(dá)性等進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)地勘測，并將勘測中發(fā)現(xiàn)需整改的地方反饋給設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，確保了改造實(shí)施的可行性。

3.2 改造功能可實(shí)現(xiàn)性

秦山二期“死管段”改造新增管路由RCV下泄管線的疏排管上(RCV617VP所在管線)引出一根3/4寸的管線，穿過環(huán)墻，經(jīng)由－3.5 m環(huán)廊，在地坑過濾器上方上升至 4.65 m標(biāo)高層，與RRA130VP相接。RCV正常運(yùn)行時(shí)，下泄管道引壓點(diǎn)壓力略低于一回路壓力，大約為15.4 MPa，引壓點(diǎn)到死管段處高度差大約8 m，因此傳到RRA死管段的壓力大約為15.3 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)院分析，死管段內(nèi)流體溫度約230℃，在該溫度、壓力下流體不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。因此該方案在理論上滿足消除“死管段”現(xiàn)象的要求。

3.3 新增管路安全性

設(shè)計(jì)院對(duì)新增管路、閥門、孔板、支架等進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示在各工況下，新系統(tǒng)滿足RCC-M相關(guān)要求。另外根據(jù)RCC-P要求，內(nèi)徑小于25 mm(1”)的管道不在一回路范圍內(nèi)(石海松，2010)，只需考慮其對(duì)電廠功能所造成的后果即可。新增這些3/4”、1/2”管道從安裝路徑來看，即使出現(xiàn)破口也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。另外新增的管路要比經(jīng)過路徑上的其他管道尺寸小，這些管路斷裂甩擊時(shí)不會(huì)撞壞周邊管路。因此不需要對(duì)新增余排死管段改進(jìn)管道進(jìn)行破裂、甩擊分析。

3.4 材料采購方便性

改造中新增的三個(gè)閥門都是安全2級(jí)的閥門，其中1、3為截止閥，2為升降式止回閥，為核電廠常用閥門，秦山二期庫存就有上述閥門。1/2”、3/4”無縫鋼管、90°彎頭、三通等管道管件為安全2級(jí)，材質(zhì)為Z2CN18-10，在采購上不存在困難。

3.5 投運(yùn)后對(duì)其他系統(tǒng)運(yùn)行影響

(1)在功率運(yùn)行期間，”死管段”雖然進(jìn)行了引壓，但閥門RCP121/355VP、RRA001/131VP仍處于關(guān)閉狀態(tài)，滿足一回路壓力邊界雙重隔離要求。若發(fā)現(xiàn)RRA001/131VP閥門泄露量超標(biāo)，關(guān)閉閥門RRA130/131VP和閥門3即可防止RCV系統(tǒng)向RRA泄露。

(2)RRA系統(tǒng)投運(yùn)前，將RRA130/131VP和新增閥門3關(guān)閉，即可滿足RCV下泄管線隔離。

(3)10年水壓試驗(yàn)期間，開啟RRA130/131VP和新增閥門1，關(guān)閉新增閥門3，即可滿足原RIS系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

從三種工況看，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)如RCV，RRA，RIS沒有影響，該方案可以滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

4 結(jié)束語

死管段現(xiàn)象是當(dāng)前國內(nèi)外各核電廠都客觀存在并亟需解決的重大課題，國際核組織要求各成員單位積極研究并盡快解決死管段現(xiàn)象，確保一回路壓力邊界的安全性。秦山二期研制出的RRA余排死管段改造方案簡單易行，能最大程度地降低對(duì)原系統(tǒng)功能的影響，目前已獲得國家頒布的知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利。該方案的實(shí)施，為今后其他M310機(jī)組余排死管段問題的解決提供了一種新思路。

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