核電廠執(zhí)照更新管道老化管理臨時導則解析及應(yīng)對實踐

魏松林，劉 朝，胡苧尹，欒興峰，張 鋒

(1.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

2010年12月，美國核管會(NRC)發(fā)布了《審查核電廠執(zhí)照更新申請的標準審查大綱》(NUREG -1800，第2版)[1]和《核電廠老化管理通用經(jīng)驗(GALL)報告》(NUREG -1801，第2版)[2]，這兩份文件共同構(gòu)成了美國核電廠的執(zhí)照更新申請的審評基準。NRC依據(jù)這兩份文件審查電廠執(zhí)照更新申請報告時，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)這兩份文件存在細節(jié)問題，例如個別管理要求不夠清晰、兩份文件的表述不一致、某些老化效應(yīng)的推薦管理措施不充分等。為了避免細節(jié)問題導致NUREG -1800和NUREG -1801頻繁升版，NRC采用了臨時員工導則(ISG)的形式來澄清這些問題，臨時導則與SRP報告及GALL報告第2版作為美國核電廠第一次運行執(zhí)照更新申請的審評基準。

自2010年12月至今，NRC一共發(fā)布了10份臨時導則，這10份臨時導則反映了美國核電廠延壽基準文件的變更情況。臨時導則的成果已落實到美國核電機組第二次運行執(zhí)照更新文件(運行壽期將達到80年)中，主要體現(xiàn)在NRC 2017年發(fā)布的NUREG -2191《核電廠后續(xù)執(zhí)照更新通用老化經(jīng)驗報告》(GALL-SLR)[3]以及NUREG -2192《核電廠后續(xù)執(zhí)照更新申請書審查的標準審查大綱》(SRP-SLR)[4]，這兩份指南作為美國核電廠第二次運行執(zhí)照更新申請的審評基準。

中國大陸第一座核電站秦山核電廠在技術(shù)政策[5]的指導下，于2021年完成了運行許可證延續(xù)工作，獲批延續(xù)運行二十年。由于國內(nèi)老化管理基礎(chǔ)體系不夠完善，國家核安全局對秦山核電廠延續(xù)運行的審評工作中，將美國NUREG -1800和GALL報告列為重要的參考文件[6]。在審評對話階段，國家核安全局組織中美開展許可證延續(xù)審評技術(shù)交流，國內(nèi)核行業(yè)首次接觸到臨時導則，發(fā)現(xiàn)臨時導則是美國執(zhí)行更新審評經(jīng)驗的總結(jié)和優(yōu)化，是美國執(zhí)照更新基準文件不可或缺的一部分，因此國家核安全局要求電廠按照臨時導則要求補充論證分析，是審評對話中提出的重大糾正行動。

本文基于已開展的國內(nèi)首臺核電機組延續(xù)審評的工作經(jīng)驗，聚焦管道老化管理臨時導則中的變更，對臨時導則技術(shù)內(nèi)容和適用性進行解讀，總結(jié)秦山核電廠運行許可證延續(xù)審評應(yīng)對實踐，以供國內(nèi)核電廠開展老化管理及延壽工作、核安全監(jiān)管單位編制中國核電廠通用老化經(jīng)驗報告等工作借鑒參考。

1 臨時導則主要內(nèi)容

自2010年12月以來，NRC圍繞含硼水環(huán)境中不銹鋼材料的腐蝕、蒸汽發(fā)生器傳熱管的老化評估、埋地管老化管理等方面陸續(xù)發(fā)布了10份臨時導則，清單見表1。

表1 2010年12月以后美國核管會發(fā)布的LR-ISG清單

根據(jù)NRC發(fā)布的10份臨時導則，臨時導則變更涉及蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構(gòu)件、埋地管道、含硼水環(huán)境下不銹鋼部件、侵蝕機理的老化管理等多個技術(shù)點。本文基于秦山核電廠管道老化管理變更的良好實踐，論述埋地管道、消防水管道、含硼水環(huán)境下不銹鋼管道、侵蝕機理的老化管理四項變更及應(yīng)對實踐，供其他核電廠開展老化管理工作借鑒參考。

2 管道老化管理變更解析及應(yīng)對實踐

2.1 埋地管老化管理

2.1.1 變更主要內(nèi)容

為有效控制核電廠埋地管泄漏排放，NRC在2009年發(fā)起了“埋地管糾正行動計劃”，組織工業(yè)界開展研究，至2015年關(guān)閉該行動計劃，期間發(fā)布了兩份臨時導則，LR-ISG -2011-03提出了針對NUREG -1801中XI.M41“埋地和地下管線和儲罐大綱”的變更，包括：規(guī)定了沒有陰極保護系統(tǒng)的電廠在延續(xù)運行期間應(yīng)執(zhí)行的檢查項目、刪除了采用體積檢查方法探測地下管線內(nèi)部腐蝕狀況的要求、修改了探測出異常狀況時抽樣檢查的范圍等多項變更。2015年發(fā)布的LR-ISG -2015-01對XI.M41再次提出了XI.M41“埋地和地下管線和儲罐大綱”變更，包括：修改陰極保護驗收標準極化電位上限，增加擴大檢查的完成時間要求；調(diào)整陰極保護驗收標準等多項變更[7-8]。

NRC認為，由于美國所有電站均實施了有效的埋地管風險分級，建立了埋地管管理大綱及系統(tǒng)健康評價系統(tǒng)，實施了或正在實施高風險區(qū)域的埋地管檢測，埋地管老化風險降低，在臨時導則更新的埋地管老化管理大綱中大量減少了埋地管檢測數(shù)量要求[9]。

2.1.2 應(yīng)對實踐及經(jīng)驗

按照許可證延續(xù)策略需制定埋地管老化管理大綱確保埋地管系統(tǒng)在運行許可證延續(xù)運行期間的預(yù)期功能與當前安全論證基準保持一致。埋地管老化管理大綱管理所有材質(zhì)(包括金屬材料、聚合物材料、水泥材料)的直埋、地下管線的外表面老化效應(yīng)的管理，是一個綜合性大綱，包括根據(jù)不同材料采用的不同預(yù)防緩解技術(shù)，如外防腐層、回填土質(zhì)量、陰極保護等；檢查活動有間接檢查，包括土壤侵蝕性調(diào)查、防腐層破損點探測、泄漏探測等；根據(jù)失效可能性和失效后果制定風險分級策略，針對高風險管段開展管道壁厚的無損檢測評估，以及在條件允許情況下的管道外表面目視檢查。

在國內(nèi)首個運行許可證延續(xù)審評項目(OLE)實踐中，為評估埋地管狀態(tài)，核安全局信任一定數(shù)量的開挖直接檢查(10%管道長度)。為制定更具代表性的開挖直接檢測評估策略，秦山核電廠先用總體性的間接檢查技術(shù)探測出可疑區(qū)域，然后再采用局部檢查技術(shù)對可疑區(qū)域進行檢查和評價。在檢測工作中，開展了土壤侵蝕性調(diào)查、防腐層破損點探測、陰極保護有效性檢測三項間接檢查，土壤腐蝕性調(diào)查包含了足夠的信息，包括土壤取樣位置、土壤取樣檢測結(jié)果、土壤腐蝕性評價方法和結(jié)果、管地電位測量；防腐層破損點探測先采用交流電位梯度法開展破損點定位，然后再采用皮爾遜法復驗和補遺，最后再采用直流電位梯度法對破損點腐蝕活性和程度定性判斷，根據(jù)評價結(jié)果判定開挖檢查位置，應(yīng)用外腐蝕直接評價方法成功實施了埋地管檢測與評估工作(見圖1)，準確檢測并確定了埋地管破損點和泄漏點(見圖2)；陰極保護有效性檢測采用斷電電位和密間隔電位檢測法檢測了埋地管管地電位并在該機組首次獲得消除土壤電位降的準確管地電位。

圖1 秦山核電廠埋地管道外腐蝕檢測與評價Fig.1 Control of external corrosion on buried piping in Qinshan Nuclear Power Plant

圖2 秦山核電廠防腐層缺陷開挖驗證結(jié)果Fig.2 Excavation and verification result of coating defects in Qinshan Nuclear Power Plant

結(jié)合間接檢查結(jié)果，對OLE范圍埋地管實施風險分級，風險分級從失效可能性和失效后果兩個方面考慮，并分別建立定量指標，其中失效可能性從材料腐蝕敏感性、環(huán)境侵蝕性、服役狀態(tài)、緩解控制、檢查監(jiān)督等5個要素建立定量指標，失效后果從核安全等級、失效對環(huán)境的影響、失效對機組運行的影響3個要素建立定量指標。每個定量指標從不同的子要素分別賦予分值，如服役狀態(tài)從外部防腐層降質(zhì)破損、內(nèi)部襯里和內(nèi)部表面狀態(tài)、服役年限、失效經(jīng)驗反饋等方面考慮計分，各分值之和為該指標分值。各指標分值乘以其在失效可能性風險分級中的權(quán)重獲得該指標分值，各指標分值之和構(gòu)成失效可能性風險分級。

按照風險分級評價結(jié)果，對風險高區(qū)域?qū)嵤┝碎_挖直接檢查，檢查位置分布在一回路海水系統(tǒng)管道、消防水系統(tǒng)(A區(qū))、特殊排放管道(T4)、循環(huán)水系統(tǒng)，檢測內(nèi)容包括目視檢測、超聲測厚和導波檢測，開挖直接檢測結(jié)果如圖3所示，檢測結(jié)果表明秦山核電廠通過外防腐層、回填土質(zhì)量控制、陰極保護緩解手段可有效控制埋地管外腐蝕，相關(guān)檢測技術(shù)也可發(fā)現(xiàn)潛在老化效應(yīng)，應(yīng)用相關(guān)檢測結(jié)果完成了OLE所需的埋地管安全評估論證工作。

圖3 秦山核電廠A區(qū)直接開挖檢查結(jié)果Fig.3 Excavation inspection result of core area A in Qinshan Nuclear Power Plant

2.2 管道沖刷腐蝕引起的壁厚減薄

2.2.1 變更主要內(nèi)容

NRC在發(fā)布GALL報告時，只考慮了流動加速腐蝕(FAc)對管道壁厚造成的影響。而此后的運行經(jīng)驗表明，即使更換了耐FAc的材料(Cr含量高)，仍有壁厚減薄現(xiàn)象發(fā)生。這說明除FAc外，還會有其它沖刷腐蝕會導致管道壁厚減薄，包括：氣蝕、閃蒸、液滴沖擊和固體顆粒沖刷。LR-ISG-2012-01臨時導則要求NUREG -1800和NUREG -1801修訂增加對沖刷腐蝕的管理要求[10]。

2.2.2 應(yīng)對實踐及經(jīng)驗

沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對運動引起的金屬損傷，沖刷腐蝕是一種主要以物理作用為主的腐蝕現(xiàn)象，它主要與目標部件兩端的壓差、流體介質(zhì)等有關(guān)。沖刷腐蝕常發(fā)生在含有水或濕蒸汽流動的壓力管道中，常發(fā)生在以下部位：閥門內(nèi)部及其下游；節(jié)流孔板內(nèi)部及其下游；孔板流量計內(nèi)部及其下游。

對于沖刷腐蝕，建議電廠開展沖刷腐蝕敏感部位篩選，然后基于篩查結(jié)果制定壁厚檢查措施。圖4為秦山核電廠凝汽器出口閥后循環(huán)水管道發(fā)生海水沖刷腐蝕穿孔泄漏的經(jīng)驗反饋，失效原因為出口閥打開(非常開)后海水沖刷，發(fā)生液滴沖擊和固體顆粒沖刷導致局部腐蝕穿孔，海水漏至內(nèi)襯管與外套管間隙，造成外套管腐蝕，海水泄漏流出，針對上述問題，電廠更換了失效管道，制定了每個大修腐蝕檢測，破損陶瓷涂層修補的管理策略。

圖5為某電廠高壓給水管線孔板下游至截止閥間和截止閥下游管線發(fā)生氣蝕的經(jīng)驗反饋，電廠采用超聲導波和內(nèi)窺鏡檢查手段進行了管線質(zhì)量排查，排查發(fā)現(xiàn)與穿孔泄漏管線為同一根管材的另外一處腐蝕凹坑(圖中Q1為超聲導波排查發(fā)現(xiàn)異常位置，Q1指向圖片為內(nèi)窺鏡復核結(jié)果，約2.4 mm深凹坑)，電廠對截止閥下游出現(xiàn)缺陷的管道進行更換，并通過變更將原有單級節(jié)流孔板變更為多級孔板，分級降壓減緩節(jié)流孔板后過分節(jié)流導致的空泡腐蝕。

圖4 秦山核電廠循環(huán)水管道沖刷腐蝕經(jīng)驗反饋Fig.4 Operating experience of circulating water piping erosion-corrosion in Qinshan Nuclear Power Plant

圖5 某電廠汽水管道通過超聲導波壁厚排查發(fā)現(xiàn)腐蝕凹坑案例Fig.5 A case of corrosion pits found through ultrasonic guided wave wall thickness inspection in a power plant’s steam and water piping

2.3 消防水滯水干式管道檢查

2.3.1 變更主要內(nèi)容

LR-ISG -2012-02對消防水系統(tǒng)增加下述管理要求：“消防干式管道但發(fā)生過流體流動的管道需開展下述檢查：如果在運行許可證延續(xù)前五年，未實施流量試驗和沖洗，則需要對此類管道進行100%內(nèi)表面檢查；若未執(zhí)行,則需要在運行許可證運行期間每五年對20%長度的管道進行壁厚檢查，下一個五年則選取不同的位置進行壁厚檢查”[11]。

2.3.2 應(yīng)對實踐及經(jīng)驗

消防水系統(tǒng)中的干式管道如干管系統(tǒng)、預(yù)作用噴淋系統(tǒng)，在正常情況下，消防管道屬于干管，但當發(fā)生火災(zāi)、誤操作、設(shè)備失效時導致消防水進入，隔離設(shè)備關(guān)閉后消防水滯留在管道中，消防管道發(fā)生氧化腐蝕，且腐蝕速率比濕式管道嚴重。當腐蝕產(chǎn)物積累達到一定程度，管線和噴淋頭可能會堵塞，導致消防水系統(tǒng)無法執(zhí)行其預(yù)定功能。

對于消防水滯水干式管道，建議電廠可開展下述工作：根據(jù)流程圖、布置圖、試驗規(guī)程以及有關(guān)閥門、噴淋頭的經(jīng)驗反饋篩選滯水干式消防管段；結(jié)合消防水系統(tǒng)試驗規(guī)程以及歷史運行記錄，對其開展進一步排查分析。圖6為秦山核電廠OLE項目執(zhí)行消防水滯水干式敏感管道排查部分結(jié)果，檢查發(fā)現(xiàn)消防噴淋頭腐蝕穿孔，內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物堵塞；消防管道內(nèi)部存在氧濃差腐蝕(存在明顯液位線)，表明干式管道曾發(fā)生滯水。針對發(fā)現(xiàn)的問題，電廠對腐蝕消防噴淋頭進行了更換，對內(nèi)部發(fā)生腐蝕的管道制定了定期壁厚檢查和內(nèi)表面腐蝕檢查計劃。

圖6 秦山核電廠消防水滯水干式管道檢查結(jié)果Fig.6 Inspection results of the fire dry piping occurred stagnant water of Qinshan Nuclear Power Plant

2.4 含硼水環(huán)境下不銹鋼管道的老化管理

2.4.1 變更主要內(nèi)容

LR-ISG -2011-01臨時導則變更了處理水環(huán)境中不銹鋼部件的老化管理要求，變更事項為：不銹鋼管道在氧含量未能控制在5×10-9以下的處理水(含硼的)環(huán)境中，可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂、點蝕、縫隙腐蝕引起的材料損失，NUREG -1801(2010版)推薦“水化學”大綱進行管理。臨時導則認為除了“水化學”大綱外，管理措施還需增加“一次性檢查”大綱[12]。

3.4.2 應(yīng)對實踐及經(jīng)驗

該臨時導則變更對應(yīng)的管理要求為增加一次性檢查，國內(nèi)核電廠在申請運行許可證延續(xù)時，應(yīng)在制定一次性檢查大綱時中落實含硼水環(huán)境下不銹鋼管道的檢查要求。按照NUREG—1801技術(shù)觀點，需要對下面兩種部件補充進行一次性檢查：1)正常情況下不會發(fā)生嚴重的老化降質(zhì)，但缺少必要的檢查數(shù)據(jù)來支撐該結(jié)論；2)惡劣的局部環(huán)境造成非預(yù)期老化降質(zhì)的部件，典型的部位如水化學環(huán)境條件的下滯留區(qū)。一次性檢查的時機安排在運行許可證到期前10年內(nèi)，這樣既充分保證影響預(yù)期功能的老化效應(yīng)在運行許可證到期前及早得到合適管理，又有足夠時間發(fā)現(xiàn)潛伏期較長的老化效應(yīng)。檢查方法主要為目視檢查，或者能識別老化效應(yīng)的其他無損檢測技術(shù)。

3 結(jié)論與建議

1)本文基于臨時導則在核電廠老化管理及運行許可證延續(xù)審評中的良好實踐，以埋地管道、消防水管道、含硼水環(huán)境下不銹鋼管道、侵蝕機理四項管道老化管理變更為典型對象，詳細分析了臨時導則變更內(nèi)容，并給出了行之有效的應(yīng)對策略;

2)臨時導則作為美國執(zhí)照更新基準文件不可或缺的一部分，在國內(nèi)首個機組許可證延續(xù)審評中應(yīng)用，建議國內(nèi)核電廠許可證延續(xù)審評、定期安全審查和老化管理工作時參考SRP報告和GALL報告時，將臨時導則納入一并考慮;

3)美國采用臨時導則的方式更新執(zhí)照延續(xù)審評的審查經(jīng)驗，建議國內(nèi)通用老化經(jīng)驗編制保持定期更新，及時跟蹤電廠運行積累的老化失效數(shù)據(jù)，重視老化經(jīng)驗更新提升核電廠老化管理水平，進而提升核電廠運行業(yè)績。