HFETR的老化管理研究與實踐

鄧云李，韓良文，李子彥，蔡文超，劉 鵬，趙 鵬，高業(yè)棟，賴立斯

（中國核動力研究設(shè)計院，四川成都 610213）

高通量工程試驗堆（High Flux Engineering Test Reactor，簡稱HFETR）是我國自主設(shè)計建造的壓力容器式多用途研究堆，其設(shè)計功率125 MW，最高熱中子注量率6.2×1014n/cm2·s，最高快中子注量率1.7×1015n/cm2·s。HFETR于1968年5月15日批準(zhǔn)設(shè)計建造，1971年3月破土動工，1979年12月達(dá)臨界，設(shè)計壽命20年。

由于缺乏技術(shù)、經(jīng)驗和監(jiān)管要求［1］，在達(dá)到設(shè)計壽期后，還未對HFETR的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備（Structures Systems and Components，簡稱SSCs）開展系統(tǒng)性的老化管理研究工作，直到在2001年7月的國家核安全局（The National Nuclear Safety Administration，簡稱NNSA）與中國核動力研究設(shè)計院（Nuclear Power Institute of China，簡稱NPIC）的對話會上，確定對HFETR進行定期安全審查［2］，并將老化管理作為定期安全審查的關(guān)鍵要素之一。通過調(diào)研國內(nèi)外核動力廠及研究堆相關(guān)法規(guī)、導(dǎo)則、標(biāo)準(zhǔn)及老化管理相關(guān)的文獻(xiàn)資料［3，4］，NPIC開始進行SSCs的老化認(rèn)知及機理研究，完成老化管理對象篩選，編制了老化管理計劃即HFETR老化管理大綱，并按照老化管理計劃積極開展定期試驗、預(yù)防性維修、監(jiān)督檢查等老化管理活動。

通過系統(tǒng)性的老化管理研究，HFETR的老化管理得到了NNSA的認(rèn)可，滿足定期安全審查的要求。通過NNSA組織的三次定期安全審查，HFETR已延壽至40年，HFETR的安全運行歷史和當(dāng)前設(shè)備的實際狀態(tài)表明，HFETR的老化管理研究與實踐是有效的，有望延壽至50年。

1 HFETR的老化管理

老化是SSCs的特征隨時間或使用逐漸變化的過程，使SSCs的老化控制在可接受限值內(nèi)而采取的工程、運行和維護等活動，稱為老化管理［5］。對SSCs實施有效的老化管理，能夠確定降低反應(yīng)堆安全裕度的老化影響因素，并能夠在SSCs的完整性或功能喪失之前采取糾正行動，從而維持了反應(yīng)堆的安全水平。

由于缺乏研究堆老化管理相應(yīng)的法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)，HFETR的老化管理主要參考IAEA的老化管理導(dǎo)則與標(biāo)準(zhǔn)［6，7］及依據(jù)核動力廠老化管理導(dǎo)則HAD 103/12—2012［5］編制了老化管理大綱，通過老化管理組織機構(gòu)的有效運作，協(xié)調(diào)包括維修、在役檢查、檢查監(jiān)督、定期試驗等已有的各個大綱，建立了“計劃-實施-檢查-行動”（PDCA）系統(tǒng)性的老化管理方法。

1.1 老化管理組織機構(gòu)

老化管理活動是一個復(fù)雜的過程，涉及的設(shè)備數(shù)量及設(shè)備種類眾多，涵蓋機械、電氣、儀控、運行、化學(xué)、反應(yīng)堆物理熱工等專業(yè)，為確保HFETR老化管理活動的有效實施，建立了如圖1所示的老化管理組織機構(gòu)。

圖1 HFETR老化管理組織機構(gòu)Fig.1 Aging management organization of HFETR

依據(jù)HAD 103/12—2012的要求，NPIC高級管理層即主管副院長領(lǐng)導(dǎo)推動HFETR的老化管理活動，負(fù)責(zé)批準(zhǔn)老化管理大綱并為老化管理活動調(diào)配必要的資源?？萍继帪槔匣芾淼膮f(xié)調(diào)部門，負(fù)責(zé)老化管理計劃的協(xié)調(diào)開展、老化管理結(jié)果的評估以及重大問題的審查。安防處和技質(zhì)處負(fù)責(zé)處理老化管理相關(guān)的問題，如組織制定老化管理大綱、檢查老化管理實施情況等。NPIC一所作為HFETR的直接營運單位，負(fù)責(zé)老化管理活動的具體實施，包括開展老化監(jiān)測與檢查、老化預(yù)防及老化緩解等活動。外部單位作為技術(shù)服務(wù)方，主要向核動力院提供老化機理分析、老化檢查技術(shù)、老化評估方法等方面的服務(wù)，并由科技處進行接口協(xié)調(diào)。

1.2 老化管理方法

依據(jù)HAD 103/12—2012中的PDCA方法建立了HFETR的老化管理方法，如圖2所示。

圖2 HFETR的老化管理方法Fig.2 Aging management method of HFETR

對老化的認(rèn)知是有效監(jiān)測和緩解老化的基礎(chǔ)，同時也是編制老化管理大綱的前提，需要開展SSCs老化管理對象的篩選、SSCs基本資料的收集及老化管理對象的老化機理分析，為老化的預(yù)防、檢測、緩解等提供科學(xué)依據(jù)。

（1）老化認(rèn)識

HFETR進行SSCs老化管理的原則為分類管理，根據(jù)SSCs是否安全重要、是否易更換和老化的可能性及經(jīng)驗反饋的結(jié)果進行分類［8，9］，其分類原則如圖3所示。對于不可更換的安全重要SSCs作為老化管理對象，必須進行老化評估并編制相應(yīng)的老化管理程序，按照程序?qū)嵤├匣芾砘顒樱粚τ谝赘鼡Q的安全重要設(shè)備，在必要時進行老化評估，通過協(xié)調(diào)已有的大綱，如在役檢查大綱、維修大綱、定期試驗與檢查大綱以及其他文件等進行老化監(jiān)測與管理；而非安全重要設(shè)備不納入老化管理的范圍。

圖3 老化管理的分類原則Fig.3 Aging management classification principle

按照圖3所示的分類原則確定了7個SSCs作為HFETR老化管理對象，如表1所示。

表1 HFETR老化管理對象Table1 Aging management object of HFETR

逐個對表1中的SSCs進行老化機理分析，主要考慮運行環(huán)境及運行方式引起的老化［10］，分析結(jié)果如表2所示。

表2 HFETR老化管理對象的老化分析Table2 Aging analysisfor aging management object of HFETR

（2）老化管理活動的建立

根據(jù)HFETR SSCs的基本資料和基于老化的認(rèn)識，編制HFETR老化管理大綱，對老化管理過程提出基本要求及指導(dǎo)。老化管理大綱通過協(xié)調(diào)已有的各個大綱包括維修、定期試驗與檢查、在役檢查，以及運行規(guī)程、運行限制與條件、技術(shù)支持文件等，有效地實施老化管理活動。依據(jù)老化管理大綱對每個老化管理對象制定了相應(yīng)的老化管理程序，規(guī)定了老化管理對象在老化管理中的活動內(nèi)容和方法。

（3）老化管理的實施

老化管理活動實施的目的是在SSCs的使用或運行過程中，通過控制造成SSCs老化的運行環(huán)境及運行方式等因素，將SSCs性能劣化的降低到最低。老化管理活動實施過程中常采用的方法有水質(zhì)管理、一次水泄漏率監(jiān)測、減少瞬態(tài)變化次數(shù)、最高溫度控制、參數(shù)波動范圍控制等，并根據(jù)運行規(guī)程進行相關(guān)設(shè)備操作，使HFETR運行過程嚴(yán)格遵守運行限值與條件。

（4）老化的監(jiān)測、檢查和評估

目的是通過對SSCs的檢查和監(jiān)測，及時探測和表征其顯著的性能劣化，并對所觀測到的性能劣化作出評估，以便確定所需糾正行動的類型和時機。HFETR SSCs老化監(jiān)測、檢查的方法主要有定期試驗、在役檢查（如無損檢查）、維修后的性能測試、運行過程中的參數(shù)及狀態(tài)檢測（如系統(tǒng)泄露率，泵的運行震動、溫度、聲音、水質(zhì)核素分析）等，并通過監(jiān)測、檢查的結(jié)果對設(shè)備的老化情況進行老化評估。

（5）行動措施

對出現(xiàn)明顯老化的SSCs，依據(jù)HFETR的維修大綱對老化設(shè)備進行糾正性維修、預(yù)防性維修或進行技術(shù)改造更換，有效緩解設(shè)備的老化。對于具體的SSCs，應(yīng)制訂出具體的預(yù)防和緩解措施。設(shè)備老化的預(yù)防和緩解措施主要包括以下幾個方面：

（a）評價部件和系統(tǒng)降質(zhì)的監(jiān)督和檢驗活動；

（b）制定預(yù)防性維修大綱；

（c）進行運行經(jīng)驗的階段性評價；

（d）優(yōu)化運行條件；

（e）進行部件的檢修或更換。

（6）老化管理的更新

老化管理的更新就是老化管理的過時管理，主要包括兩個方面：第一，當(dāng)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)等更新時，已由HFETR的運行質(zhì)量保證大綱規(guī)定，需組織進行相應(yīng)的大綱文件的更新；第二，基于自身經(jīng)驗或外部經(jīng)驗反饋，持續(xù)對老化管理大綱進行改進。

2 HFETR老化管理的實踐

HFETR建立的老化管理方法已經(jīng)過十幾年的老化管理實踐，通過HFETR的安全運行歷史和當(dāng)前設(shè)備實際狀態(tài)表明HFETR實施的老化管理活動是有效的，同時在老化管理過程中也積累了寶貴的經(jīng)驗，以HFETR壓力容器（Reactor Pressure Vessel，簡稱RPV）為例［11］，簡單介紹HFETR老化管理方法的實施過程。

2.1 PRV的焊縫缺陷

HFETRRPV筒體部分共分為3節(jié)，由不銹鋼板卷焊而成，中筒節(jié)容器內(nèi)側(cè)采用手工打底焊，外層采用自動焊，對接焊的坡口型如圖4所示，焊接厚度均為15 mm。RPV組焊后，所有主焊縫都經(jīng)過100%超聲波、100%X射線探傷，檢查合格。

圖4 中筒體對接焊坡口型式Fig.4 Butt welding groovetypefor middlecylinder

筒節(jié)組焊后，為了消除殘余應(yīng)力分上下兩段放在臺式爐內(nèi)進行穩(wěn)定處理。由于自動焊絲采用H08Cr18Ni11Mo2，在穩(wěn)定化熱處理時其中的鉬元素促使焊縫材料的α鐵素體向σ相轉(zhuǎn)變。σ相是復(fù)雜的正方晶體結(jié)構(gòu)，是硬而脆的無磁相，導(dǎo)致了焊縫ak值偏低，不能滿足ak≥10 kgm/cm2的設(shè)計要求。因此49-3堆壓力容器部分縱焊縫性能降低，并且到發(fā)現(xiàn)問題時已無法消除σ相，焊縫ak值偏低成了PRV不能消除的缺陷［12］。

問題發(fā)現(xiàn)后，在壓力容器上筒體段（50 mm厚度）切下一塊焊縫作實物試件，由哈爾濱焊接研究所作U形缺口沖擊試驗，主要結(jié)果見表3。

表3 筒體對接焊縫的沖擊性能Table 3 Impact property of cylinder weld

經(jīng)RPV的應(yīng)力強度模擬計算表明，壁厚為11.98 mm就能夠滿足ASME對屈服強度的規(guī)定。由表3可知，手工焊縫部分（焊縫下層）ak滿足設(shè)計要求，而手工焊厚度有15 mm，實際運行時滿足強度要求。

2.2 PRV的老化管理活動

經(jīng)研究表明RPV材料老化的機理主要：輻照脆化、熱老化、回火脆化、疲勞、腐蝕、磨損［13］，而限制RPV壽命的最重要的老化機理是堆芯筒體段的輻照脆化［14，15］。由于HFETRPRV材料為奧氏體不銹鋼，基本上沒有脆化轉(zhuǎn)變點［16］，但由于PRV的焊縫缺陷，HFETRPRV中筒節(jié)焊縫的輻照脆化成了HFETR老化管理的一個關(guān)鍵問題。根據(jù)HFETR PRV各部件的材料、運行環(huán)境進行老化識別，其中主要的老化機理為：輻照脆化、疲勞、應(yīng)力腐蝕、點蝕、熱老化幾個方面。并依據(jù)HFETR的老化管理大綱編制了HFETRRPV老化管理程序，規(guī)定了老化管理中具體的實施、監(jiān)督檢查等活動，HFETR RPV的老化管理活動如表4所示。

表4 HFETR RPV老化管理活動Table 4 Aging management operations of HFETR RPV

2.3 HFETR RPV的老化緩解措施

為了限制HFETR PRV中筒節(jié)焊縫的輻照脆化程度并保證在正常運行或事故工況下的反應(yīng)堆安全，采取了如下緩解措施。

（1）提供安全保障

為限制HFETR RPV焊縫破裂事故發(fā)生的后果，利用生物屏蔽層內(nèi)的3 mm的碳鋼板與RPV之間的夾層形成一個不漏水的包容空間，該包容空間可在RPV中筒節(jié)焊縫破裂時，確保RPV內(nèi)有足夠高的水層不至于燃料元件裸露，該設(shè)施被稱為RPV二次包容；為了消除了RPV焊縫破裂及二次包容失效而導(dǎo)致堆芯裸露的安全隱患，先后增設(shè)了第二套回補水系統(tǒng)、應(yīng)急消防注入水系統(tǒng)、移動式應(yīng)急供水裝置等專設(shè)安全設(shè)施，保證事故工況下的反應(yīng)堆安全。

（2）降低中子輻照損傷

為了降低HFETR RPV中筒節(jié)縱焊縫處的輻照損傷，采取了以下辦法：用SUS321不銹鋼棒代替堆內(nèi)最外一圈反射層鋁棒；堆芯采用低泄露裝載方式；堆芯燃料區(qū)外布置一定數(shù)量的吸收體靶件，因而大幅度降低了RPV焊縫處的快中子注量率。

2.4 RPV的老化管理評價

HFETR的RPV老化管理活動，開展了主要部件、材料的老化機理研究，并按要求開展了監(jiān)測、監(jiān)督、檢查等老化活動，并通過采取緩解措施有效地降低了RPV縱焊縫處的輻照損傷，從而保證了RPV在延壽期內(nèi)的安全性。

3 結(jié)語

HFETR已建立了一套老化管理方法，完成了老化機理分析和老化管理對象的篩選，并編制了老化管理大綱和老化管理程序。從HFETR RPV的老化管理活動可以看出，HFETR的老化管理按照老化管理大綱、程序的要求得到了有效地開展。目前HFETR也已經(jīng)通過了三次定期安全審查，壽期也已成功延長至40年以上，且目前系統(tǒng)設(shè)備還保持有足夠的安全水平，表明HFETR的老化管理方法是有效的。