核電廠埋地管風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法研究

魏松林 龔怒 黃紅科 鄭云翼 劉朝 方江

1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 湖北武漢 430000

2.中核核電運(yùn)行管理有限公司 浙江海鹽 314300

1 背景

核電廠埋地管包括直埋和管溝兩種形式，涉及重要廠用水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、化學(xué)水系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、排污水系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，數(shù)量巨大，系統(tǒng)功能各不相同；不同的管段，所處的內(nèi)外部環(huán)境也存在較大差異，這些因素將導(dǎo)致埋地管段降質(zhì)失效的可能性及失效導(dǎo)致的后果存在較大差別。為了制定更有針對(duì)性且可操作性更強(qiáng)的埋地管管理策略，有必要綜合考慮各方面因素，對(duì)不同的埋地管段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，以作為開展埋地管檢查、評(píng)估及維護(hù)工作的基礎(chǔ)。

目前，國際上核能行業(yè)已經(jīng)成功將風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法應(yīng)用于埋地管，并形成了相關(guān)的成果文件，文獻(xiàn)包括USNRC NUREG/CR-6876[1]、EPRI1021175[2]、NEI09-14[3]、IAEA 核 能 系 列出版物NP-T-3.1、CSA標(biāo)準(zhǔn)N285.7。另外，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)知決策的方法在核電廠在役檢查方面進(jìn)行了應(yīng)用，獲得了較好的效果，如EPRI TR-112657、ASME Code Case N-578-1。國際上埋地管風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)已經(jīng)可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)，如EPRI BP Works[4]和Structural Integrity Associates Inc.’s MAPProTM。

在國內(nèi)，石油化工行業(yè)已建立了風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)估方法的標(biāo)準(zhǔn)，但其輸送的是易燃易爆的石油、天然氣等介質(zhì)，管道敷設(shè)環(huán)境、敷設(shè)方式、介質(zhì)壓力、管道泄漏后果等方面與核電廠站場埋地管道有很大的不同，已建立的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與核工業(yè)的需要不匹配，而國內(nèi)核電行業(yè)開展埋地管道相關(guān)技術(shù)的研究及運(yùn)用較少，還沒有針對(duì)埋地管建立風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。

2 核電廠埋地管風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法

筆者通過對(duì)核電廠埋地管實(shí)際環(huán)境和基礎(chǔ)信息的調(diào)研，充分考慮埋地管風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的影響因素，建立了一種核電廠埋地管風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法。

本文所述核電廠埋地管風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法也是基于失效后果、失效可能性矩陣建立的，分為數(shù)據(jù)收集、管段劃分、失效可能性分析、失效后果評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)更新六個(gè)步驟，綜合風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的矩陣如圖1所示。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)矩陣Fig.1 Risk ranking matrix

2.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集需包含下述六類數(shù)據(jù)：

（1）管道設(shè)計(jì)資料：材料、規(guī)范、公稱尺寸、公稱壁厚、設(shè)計(jì)壓力、連接焊縫類型、圖紙：流程圖，平面圖，等軸圖、安全等級(jí)、系統(tǒng)功能。

（2）管道建造資料：安裝日期、變更改造日期、埋深、長度、路線踏勘：如交通運(yùn)輸負(fù)載。

（3）環(huán)境資料。土壤：管地電位、電阻率、氧化還原電位、理化分析（如含水量、pH值、硫酸根離子、硫離子、氯離子）；流體介質(zhì)：硫離子、硫酸根離子、氯離子、貝類生物含量、微生物含量、添加物（如緩蝕劑、殺生劑）。

（4）腐蝕控制資料：涂層類型和涂層狀態(tài)；陰極保護(hù)及其有效性：是否有欠保護(hù)的區(qū)域；是否有過保護(hù)的區(qū)域。

（5）運(yùn)行壓力、運(yùn)行溫度、失效歷史、檢查結(jié)果。

（6）偏差項(xiàng)：管道材料、尺寸、工作計(jì)劃或涂層等其它項(xiàng)與設(shè)計(jì)規(guī)格書的偏差記錄。

2.2 管段劃分

風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的對(duì)象是埋地管段，管道段用于風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)、間接檢查區(qū)域的選擇。管道劃分的方法是基于所收集到的數(shù)據(jù)，按相似的特征、相似的失效可能性、相似的失效后果，分成一系列的管道段。管段劃分原則如下：a）管道上翻處；b）內(nèi)、外部載荷改變的地方（穿路管道）；c）土壤腐蝕性改變的地方；d）涂層或陰極保護(hù)改變的地方；e）管材改變的地方；f）管道規(guī)格改變的地方；g）三通、支管、焊縫等部位。

2.3 埋地管失效可能性分析

埋地管失效是指流體損失（泄漏或破裂）或流動(dòng)面積減少，失效模式包括泄漏，破裂或阻塞，具體失效原因如下：a）泄漏是由針孔穿孔或致密裂縫引起的，是由于接頭的不正確的安裝、接頭或元件的故障、不均勻沉降、因推力限制不足導(dǎo)致開裂和周向撕裂造成的；b）破裂包括爆裂、剪切斷裂或脆性斷裂。爆裂是由超壓引起的破裂，可能是因壓力穩(wěn)定上升或者壓力瞬變（水錘）；剪切斷裂可能是由于土壤運(yùn)動(dòng)造成的；脆性斷裂可能是脆性材料管道過載造成的，如鑄鐵類材料；c）阻塞包括宏觀物或微生物結(jié)垢增長（藻類，貽貝等），碎片的沉積以及松散沉積物造成的。阻塞也可能是由管道或儲(chǔ)罐中襯里脫落產(chǎn)生的碎屑引起的。

以埋地管道段為對(duì)象開展失效可能性分析，分析的要素包括材料腐蝕敏感性、環(huán)境侵蝕性、服役狀態(tài)、緩解控制、檢查監(jiān)督五個(gè)要素，每個(gè)要素按照表1所示子項(xiàng)、判據(jù)內(nèi)容進(jìn)行賦值，賦值后將各個(gè)要素所賦分值累加，將失效可能性分為“低”、“中”、“高”三個(gè)等級(jí)。

若埋地管段符合以下特點(diǎn)之一，管線突發(fā)破裂的可能性高或者發(fā)生阻塞滯流可能性高，則失效可能性直接定為“高”：a）溫度在100攝氏度以上，壓力在2MPa以上；b）管材在最低運(yùn)行溫度下沖擊韌性低于27J；c）存在未分析的交通載荷風(fēng)險(xiǎn)；d）埋管內(nèi)部發(fā)現(xiàn)明顯的貝殼、海藻等海生物的繁殖增長；e）埋管內(nèi)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌導(dǎo)致的膠狀物的累積；f）埋管內(nèi)部發(fā)現(xiàn)明顯的泥沙沉積。

表1 失效可能性分析Table1Point system for failure likelihood

2.4 埋地管失效后果評(píng)價(jià)

以埋地管道段為對(duì)象開展失效后果評(píng)價(jià)，分析的要素包括核安全的影響、失效對(duì)環(huán)境和工業(yè)安全的影響、失效對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響三個(gè)要素，每個(gè)要素按照表2所示判據(jù)類別、判據(jù)內(nèi)容進(jìn)行賦值，賦值后將各個(gè)要素所賦分值累加，將失效后果分為“低”、“中”、“高”三個(gè)等級(jí)。

表2 失效后果評(píng)價(jià)賦值Table2Point system for failure consequence

2.5 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

埋地管失效可能性、失效后果均分為“低”、“中”、“高”三個(gè)等級(jí)，在完成埋地管段的失效可能性分析和失效后果評(píng)價(jià)后，即綜合考慮失效后果和失效可能性將埋地管風(fēng)險(xiǎn)分為“低”、“中”、“高”三個(gè)等級(jí)。

2.6 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)更新

風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的結(jié)果，應(yīng)定期審查，必要時(shí)進(jìn)行更新，考慮因素如下：a）土壤腐蝕性調(diào)查結(jié)果；b）開挖直接檢查和評(píng)估結(jié)果；c）陰極保護(hù)系統(tǒng)變更；d）間接檢查的結(jié)果（包括陰極保護(hù)有效性評(píng)估結(jié)果、防腐層破損點(diǎn)檢查結(jié)果、管體檢查結(jié)果）；e）維修和更換。

2.7 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)實(shí)踐

筆者將上述風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法應(yīng)用于國內(nèi)某核電廠埋地管實(shí)踐，并與國外先進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)軟件EPRI BP Works比對(duì)。如圖2所示，本方法計(jì)算結(jié)果在失效可能性、失效后果和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)三項(xiàng)結(jié)果上與EPRI BP Works 計(jì)算結(jié)果吻合。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)實(shí)踐Fig.2Risk ranking example and comparison

3 結(jié)語

本文描述了一種核電廠埋地管風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法，包括基礎(chǔ)信息調(diào)查、埋地管分段、埋地管風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。埋地管基礎(chǔ)信息調(diào)查包含信息數(shù)據(jù)的類別及信息數(shù)據(jù)的內(nèi)容，埋地管風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)包含埋地管失效可能性和失效后果分級(jí)的打分要素、賦值及綜合風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)判斷方法。通過該方法，可識(shí)別核電廠埋地管的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為開展埋地管工作提供依據(jù)。