闕家嘉，羅衛(wèi)華，史芳杰，湯志杰

（1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215000；2.大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，廣東深圳518124）

1 引言

核電廠的設(shè)計(jì)壽命通常為40年，為了延長(zhǎng)機(jī)組壽命，必須對(duì)核電廠進(jìn)行全面安全評(píng)估和改造。20世紀(jì)80年代以后，如何對(duì)核電廠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件（SSCs）實(shí)施老化壽命管理成為一個(gè)國(guó)際關(guān)注的課題。

近年來(lái)，我國(guó)核安全局出臺(tái)了一系列的法規(guī)、導(dǎo)則，對(duì)核電廠SSCs老化管理工作提出了明確要求，要求在核動(dòng)力廠壽期內(nèi)的設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試、運(yùn)行（包括延壽運(yùn)行和長(zhǎng)期停堆）和退役各階段都應(yīng)考慮SSCs的老化管理[1]。支撐結(jié)構(gòu)附屬于構(gòu)筑物，也不能例外。

因此，在核電廠許可證延續(xù)中，支撐結(jié)構(gòu)的老化管理需要得到關(guān)注和執(zhí)行。目前，在運(yùn)營(yíng)的核電廠中，支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量巨大，且普遍出現(xiàn)老化。此外，我國(guó)許多電廠對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)的老化并未提高重視，缺乏系統(tǒng)性老化管理，極易引起支撐結(jié)構(gòu)預(yù)定功能的失效，給其相連接的設(shè)備和管道的安全運(yùn)行帶來(lái)重大隱患。因此，有必要對(duì)核電廠支撐結(jié)構(gòu)老化管理方法展開(kāi)深入地探討，完善老化管理體系，使支撐結(jié)構(gòu)在機(jī)組運(yùn)行以及延續(xù)運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能，提高電廠生產(chǎn)運(yùn)行的安全性。

2 支撐結(jié)構(gòu)概述

2.1 支撐結(jié)構(gòu)的老化管理范圍

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）推薦的老化管理方法包含3個(gè)階段：選擇實(shí)施核電廠老化管理的部件清單、理解選定部件的老化機(jī)理、綜合性深入的老化研究[2]。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在核電廠許可證延續(xù)論證時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)也應(yīng)執(zhí)行這樣的流程。

支撐結(jié)構(gòu)是指可以將部件載荷傳遞給構(gòu)筑物或其鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)部件，通常與構(gòu)筑物或系統(tǒng)部件相連。支撐結(jié)構(gòu)包含的范圍很廣，主要分為機(jī)械設(shè)備支撐、電儀設(shè)備支撐和構(gòu)筑物支撐。在RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》[3]H篇中定義了機(jī)械設(shè)備支撐的分級(jí)，級(jí)別與被支撐的機(jī)械設(shè)備的核安全級(jí)別有關(guān)，核1級(jí)機(jī)械設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)為S1級(jí)，核2級(jí)或3級(jí)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)為S2級(jí)，非核級(jí)機(jī)械設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)為NC級(jí)，其余電儀類、構(gòu)筑物類支撐不進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)支撐的分類和分級(jí)，支撐具體分類如表1所示。

表1 支撐結(jié)構(gòu)分類

支撐結(jié)構(gòu)老化管理范圍必須包含核級(jí)支撐，并且還應(yīng)以保守的原則考慮核級(jí)設(shè)備的空間關(guān)聯(lián)性，保守認(rèn)為，包容在運(yùn)行許可證有效期限安全評(píng)估范圍內(nèi)的核級(jí)設(shè)備所在構(gòu)筑物區(qū)域內(nèi)所有支撐結(jié)構(gòu)的預(yù)定功能喪失均會(huì)對(duì)在該范圍內(nèi)的設(shè)備造成影響，因此，該構(gòu)筑物區(qū)域內(nèi)所有支撐結(jié)構(gòu)均屬于老化管理范圍。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)的老化原因分析

目前，運(yùn)行的核電廠中普遍出現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的老化現(xiàn)象，通過(guò)結(jié)合支撐結(jié)構(gòu)材料、所處環(huán)境以及受力情況進(jìn)行分析，支撐結(jié)構(gòu)的老化效應(yīng)主要有材料損失、機(jī)械性能損失、開(kāi)裂、預(yù)載荷損失、減振功能降低。

材料損失通常表現(xiàn)為材料溶解、腐蝕產(chǎn)物堆積和點(diǎn)蝕。材料損失主要與材料的耐腐蝕性和所處環(huán)境有直接關(guān)系。支撐結(jié)構(gòu)的材料主要是碳鋼，部分重要支撐可能采用合金鋼或不銹鋼材料。所處的環(huán)境主要為室內(nèi)空氣，少部分處于室外。故引起核電廠支撐結(jié)構(gòu)材料損失的老化機(jī)理則一般為均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和硼酸腐蝕。

支撐結(jié)構(gòu)機(jī)械性能損失的老化機(jī)理主要有變形、過(guò)載、振動(dòng)以及循環(huán)熱載荷引起的疲勞。在這些機(jī)理的作用下，會(huì)引起支撐結(jié)構(gòu)的材料剛度、強(qiáng)度、硬度以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性發(fā)生改變，從而導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能損失。

開(kāi)裂這種老化效應(yīng)主要體現(xiàn)為支撐部件開(kāi)裂或是支撐焊縫開(kāi)裂以及高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)螺栓（實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度大于1034MPa）的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。在汽水管道或高速轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備中，與之相連的支撐存在高頻振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，從而導(dǎo)致支撐部件開(kāi)裂或支撐焊縫出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。核電廠高強(qiáng)度螺栓材料一般為低合金，但其處于腐蝕環(huán)境中并且有持續(xù)的高拉伸應(yīng)力時(shí)，則滿足了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的3個(gè)條件：（1）腐蝕性環(huán)境；（2）敏感材料；（3）拉伸應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)螺栓發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象。

預(yù)載荷損失這種老化效應(yīng)主要體現(xiàn)為支撐結(jié)構(gòu)的螺栓松脫。連接件的振動(dòng)和撓曲以及循環(huán)的剪切載荷和熱載荷，這些因素都會(huì)引起螺栓的松弛，從而導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)的預(yù)載荷損失。

在汽輪機(jī)座和應(yīng)急柴油機(jī)座中，一般會(huì)布置有一些彈簧減振器。在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行情況下，持續(xù)的振動(dòng)加載，會(huì)引起彈簧材料的降質(zhì)，從而導(dǎo)致減振功能降低。

3 支撐結(jié)構(gòu)目前管理現(xiàn)狀

對(duì)于核電廠1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)支撐結(jié)構(gòu)的管理，核電廠主要依靠在役檢查大綱進(jìn)行管理。核電廠運(yùn)行壽期內(nèi)的在役檢查大綱參考的規(guī)范主要有2種體系：一種是法國(guó)RSE-M《核島機(jī)械在役檢查規(guī)范》[4]；另一種是美國(guó)ASME第XI卷《核電廠部件在役檢查規(guī)則》[5]。針對(duì)這2種體系，分別從大綱范圍、檢查間隔/周期、檢測(cè)方法、檢查參數(shù)、驗(yàn)收準(zhǔn)則這5個(gè)要素上進(jìn)行了比較，如表2所示。

從2種管理體系的對(duì)比結(jié)果可知，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但總體而言，RSE-M相比于ASME在檢查周期、檢測(cè)方法上更加保守和嚴(yán)格，但比較大的弊端是管理范圍未能涵蓋齊全。在我國(guó)眾多核電廠中，法系機(jī)組在核電機(jī)組中占比較高，以RSE-M規(guī)范進(jìn)行在役檢查時(shí)，電廠僅對(duì)規(guī)范體制內(nèi)的核級(jí)支撐進(jìn)行在役檢查，但對(duì)于RSE-M規(guī)范外的核級(jí)支撐，許多電廠可能未形成大綱或程序?qū)@部分支撐進(jìn)行管理。這部分支撐也用于支撐核級(jí)設(shè)備，屬于老化管理范圍，其重要性與RSE-M規(guī)范體制內(nèi)的核級(jí)支撐是同等的，管理上如若缺失，將會(huì)引發(fā)安全隱患。

表2 2種1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)支撐結(jié)構(gòu)的管理體系比較

此外，目前許多電廠對(duì)支撐的概念只局限于管道支吊架，對(duì)機(jī)械設(shè)備支撐、電儀設(shè)備支撐、構(gòu)筑物部件支撐關(guān)注甚少，未形成有效的管理措施，但在支撐結(jié)構(gòu)的老化管理范圍中，這部分支撐占比很大。電廠對(duì)這部分支撐的管理缺失或不足，是一個(gè)較大漏洞，會(huì)影響設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，建立一套完整的、系統(tǒng)的老化管理方法是很必要的。

4 系統(tǒng)化的老化管理方法探討

建立系統(tǒng)性的老化管理方法，首先需明確管理對(duì)象和管理范圍。根據(jù)本文所述，支撐結(jié)構(gòu)老化管理的范圍是包容在運(yùn)行許可證有效期限安全評(píng)估范圍內(nèi)的核級(jí)設(shè)備所在構(gòu)筑物區(qū)域的所有支撐結(jié)構(gòu)。對(duì)于核級(jí)（S1、S2級(jí)）支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)列出檢查清單，參考相關(guān)規(guī)范，對(duì)這部分支撐制定檢查方案，包括檢查周期、檢查方法、檢查參數(shù)等。對(duì)于非核級(jí)的機(jī)械支撐、電儀設(shè)備支撐和構(gòu)筑物支撐，需對(duì)形成構(gòu)筑物區(qū)域清單進(jìn)行廠房區(qū)域巡檢，巡檢周期至少為5年一次。

其次，根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)普遍出現(xiàn)的老化效應(yīng)，結(jié)合RSE-M和ASME規(guī)范，分別建立針對(duì)核級(jí)支撐和非核級(jí)支撐的老化管理大綱，制定相應(yīng)的管理措施，將老化相關(guān)的劣化因素控制在規(guī)定限度內(nèi)，以保證支撐結(jié)構(gòu)的老化效應(yīng)得到合理控制，使支撐結(jié)構(gòu)在機(jī)組運(yùn)行許可證期間及延續(xù)期間能夠執(zhí)行預(yù)定的功能。制定的老化管理大綱應(yīng)包含以下老化管理環(huán)節(jié)：

1）在運(yùn)行準(zhǔn)則內(nèi)運(yùn)行以降低劣化速率。滿足運(yùn)行準(zhǔn)則要求，對(duì)于核級(jí)支撐，合理安排各系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的檢查周期，在機(jī)組換料大修時(shí)進(jìn)行檢查和維護(hù)。對(duì)于非核級(jí)支撐，根據(jù)區(qū)域清單，在日常運(yùn)行期間進(jìn)行區(qū)域巡檢，針對(duì)重要性高的汽水管道支吊架，需在大修期間進(jìn)行檢查和維護(hù)，檢查周期根據(jù)重要性程度合理安排，日常巡檢周期至少為5年一次。

2）按照適用要求進(jìn)行檢查和監(jiān)測(cè)以便及時(shí)探測(cè)任何劣化并確定該劣化特征。以目視檢查為主，對(duì)于較重要的支撐焊縫采用滲透檢測(cè)。支撐結(jié)構(gòu)的檢查參數(shù)包括斷裂、變形、零件松動(dòng)或缺失、開(kāi)裂、導(dǎo)向槽和止擋板間隙不當(dāng)、可變載荷彈簧和恒載彈簧支撐熱態(tài)或冷態(tài)整定值不當(dāng)?shù)葯C(jī)械異常和表面腐蝕、氧化以及焊縫開(kāi)裂。

3）按照適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則評(píng)價(jià)觀測(cè)到的劣化，以評(píng)價(jià)完整性和功能。根據(jù)規(guī)范的驗(yàn)收準(zhǔn)則，對(duì)于不滿足的，對(duì)劣化情況進(jìn)行評(píng)估，確定是否可以原樣接受，然后實(shí)施選定的處理方案。

4）進(jìn)行維修（部件修理或更換），以防止或糾正不可接受的劣化。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，對(duì)于需要維修的支撐結(jié)構(gòu)，制定詳細(xì)維修方案，在大修期間進(jìn)行，以防止或糾正不可接受的劣化。

歸納而言，系統(tǒng)化的老化管理方法應(yīng)協(xié)調(diào)所有大綱和活動(dòng)，建立相對(duì)應(yīng)的老化管理大綱，大綱內(nèi)容應(yīng)包括認(rèn)知、監(jiān)測(cè)、控制以及緩解核電廠支撐結(jié)構(gòu)的老化效應(yīng)。該方法的流程如圖1所示。

圖1中的“計(jì)劃”是指整合、協(xié)調(diào)以及修改支撐結(jié)構(gòu)老化管理相關(guān)的現(xiàn)有大綱和活動(dòng)，并在需要時(shí)建立新的大綱；“實(shí)施”活動(dòng)是指通過(guò)嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程和技術(shù)規(guī)格書(shū)使用支撐結(jié)構(gòu)，從而使其預(yù)期的性能劣化減至最??；“檢查”活動(dòng)的目的是通過(guò)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的檢查和監(jiān)測(cè)，及時(shí)探測(cè)出性能劣化，并對(duì)所觀測(cè)到的性能劣化做出評(píng)估，以便確定所需糾正行動(dòng)的類型和時(shí)機(jī)；“行動(dòng)”是指通過(guò)適當(dāng)?shù)木S修和設(shè)計(jì)修改，包括對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的修理和更換，及時(shí)緩解和糾正部件的性能劣化。

圖1的閉環(huán)表明，基于系統(tǒng)化的流程不斷循環(huán)后，從相關(guān)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋、研發(fā)成果以及老化管理自我評(píng)估和同行評(píng)議的結(jié)果，可以對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的老化管理大綱進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，以確保解決出現(xiàn)的老化問(wèn)題。

5 結(jié)論

支撐結(jié)構(gòu)的老化管理在核電廠許可證延續(xù)論證時(shí)是必不可少的，但目前核電廠還未形成有效完善的管理體制，本文根據(jù)IAEA提出的老化管理方法，總結(jié)健全了支撐結(jié)構(gòu)的管理范圍，完善了支撐結(jié)構(gòu)的老化管理方法，形成了一套較為全面的管理體系，對(duì)核電廠支撐結(jié)構(gòu)老化管理的有效開(kāi)展有一定借鑒意義。

圖1 系統(tǒng)化的老化管理方法