馬谷劍，魏松林，陳 平

（1.福建福清核電有限公司，福清 350318；2.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430000）

核設(shè)施埋地管鋪設(shè)于核電廠地平面以下，承擔(dān)了物質(zhì)運輸?shù)闹匾蝿?wù)。由于長期埋于地下，埋地管的老化降質(zhì)難以被檢測或探及，因此，埋地管時常發(fā)生泄漏、破裂等問題，影響電廠安全穩(wěn)定運行。埋地管老化降質(zhì)常見失效模式如圖1所示。

圖1埋地管失效圖Fig.1 Buried pipefailurediagram

美國核電廠在2009—2012年共發(fā)生了344起埋地管泄漏事件，涵蓋了消防水系統(tǒng)、重要廠用水系統(tǒng)、三廢處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等。失效埋地管涉及安全相關(guān)系統(tǒng)甚至放射性物質(zhì)為介質(zhì)的系統(tǒng)[1]。

近年，我國運行時間較長的埋地管的泄漏失效問題也逐漸凸顯出來。如國內(nèi)某核電廠重要廠用水管道發(fā)生過泄漏，在組織對泄漏點進(jìn)行臨時修復(fù)后，又重新設(shè)計、施工鋪設(shè)埋地管道，導(dǎo)致長時間停堆維修施工，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。

歐美國家核電發(fā)展較早，埋地管老化降質(zhì)失效問題也出現(xiàn)較早。歐美國家已經(jīng)完成了一系列針對埋地管監(jiān)檢測及管理的研究工作，建立了相對完善的技術(shù)體系。美國的相關(guān)技術(shù)文件包括美國電力研究院（EPRI）于2010年發(fā)布的《埋地和地下管道、儲罐老化控制的有效管理大綱建議（1016456，Revision 1）》[2]、美國核能研究所（NEI）于2010年發(fā)布的《埋地和地下管道、儲罐完整性管理導(dǎo)則》（NEI 09-14（Rev 1）[3]、美國核監(jiān)管委員會（NRC）于2010年發(fā)布的《核電廠老化管理通用經(jīng)驗報告》（NUREG 1801）[4]和美國防腐工程師協(xié)會（NACE）于2010年發(fā)布的《管線腐蝕評估方法（RP 0502—2010）》[5]等。IAEA也發(fā)布了一些老化管理通用導(dǎo)則用以指導(dǎo)電廠重要物項（如埋地管的老化）管理。綜合這些文獻(xiàn)反映的技術(shù)成果（NACE、EPRI、IAEA埋地管老化管理框架對比見表1）。美國針對核電廠埋地管老化降質(zhì)問題的技術(shù)體系包含埋地管風(fēng)險分級管理技術(shù)、埋地管檢測技術(shù)和埋地管老化狀態(tài)評價技術(shù)。

我國核電廠埋地管監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展相對滯后，雖有部分單位開展探索，但還未形成完整的監(jiān)測技術(shù)體系，不能滿足埋地管綜合治理的需求，需要國家核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)、各核電廠及科研院所投入相應(yīng)的資源開展研究。

表1 NACE、EPRI、IAEA埋地管老化管理框架對比Table 1 Comparison of buried pipe aging management framework in NACE、EPRI、IAEA

1 埋地管風(fēng)險分級管理技術(shù)

EPRI建立了基于風(fēng)險分級的埋地管管理技術(shù)，該技術(shù)綜合考慮了埋地管失效的多種影響因素，劃分了核電廠埋地管的風(fēng)險等級，并以風(fēng)險等級作為核電廠埋地管各項管理活動實施的依據(jù)和基礎(chǔ)。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于美國核電廠埋地管老化管理實踐。核電廠埋地管風(fēng)險分級已經(jīng)可以通過軟件來實現(xiàn)[7]如EPRI BP Works和Structural Integrity Associates Inc.'s MAP?ProTM（如圖2所示）。

最常見的埋地管風(fēng)險分級方法見表2，建立的失效可能性與失效后果矩陣是在役檢測風(fēng)險預(yù)知方法，而在役檢測風(fēng)險預(yù)知方法是通過綜合考慮失效后果（影響電站安全運行或人員安全）和失效的可能性來選擇檢測位置的一種風(fēng)險分級方法[8]。

圖2埋地管風(fēng)險分級管理軟件Fig.2 Buried piperisk grading management software

表2風(fēng)險分級矩陣Table2 Risk grading matrix

開展風(fēng)險分級前，應(yīng)收集和整理所有用于評估管線和儲罐失效風(fēng)險的信息，用于風(fēng)險分級、檢查計劃和適用性評估。埋地管應(yīng)按相似的特征進(jìn)行管道區(qū)段劃分，滿足下述條件的管道可以作為一段：管道上翻處；內(nèi)、外部載荷改變的地方（穿路管道）；土壤腐蝕性改變的地方；涂層或陰極保護(hù)改變的地方；管材改變的地方；管道規(guī)格改變的地方；三通、支管、焊縫等部位，圖3給出了管段劃分的示例。

圖3管段劃分示例Fig.3 Buried pipesegmentation example

埋地管的腐蝕與管道材質(zhì)、涂層狀態(tài)、陰極保護(hù)的有效性和土壤特性等都有密切的關(guān)系。失效可能性分析可從設(shè)計、環(huán)境侵蝕性、運行狀況、檢查監(jiān)督和腐蝕控制等方面進(jìn)行考慮。設(shè)計要素考慮材料腐蝕敏感性和內(nèi)外防腐設(shè)計；環(huán)境侵蝕性要素考慮土壤和內(nèi)部介質(zhì)；運行狀況要素考慮內(nèi)外涂層或襯里質(zhì)量、內(nèi)部狀態(tài)、服役年限和運行歷史；檢查監(jiān)督要素考慮間接檢查和直接檢查；腐蝕控制要素主要考慮陰極保護(hù)的有效性，另外，還要考慮管道突發(fā)爆裂的條件定性評估失效可能性。埋地管失效后果的評價方法，主要考慮埋地管自身功能的喪失（對核安全的影響）以及自身失效后對環(huán)境和生產(chǎn)的影響[2，3]。

2 埋地管檢測技術(shù)

埋地管檢測技術(shù)是埋地管完整性管理的核心，但是從土壤一側(cè)檢測埋地管道是否發(fā)生降質(zhì)難度較大或者說是不可能的。同時，從埋地管道內(nèi)部進(jìn)行有實際意義的檢測也非常困難。

埋地管檢測技術(shù)包括間接檢測技術(shù)（從管道上方地面或附近地面進(jìn)行測量）和直接檢測技術(shù)（開挖接觸管道表面）。

間接檢測技術(shù)可提供管道涂層完整性、壁厚減薄和陰極保護(hù)是否充分等信息。本文推薦的間接檢測技術(shù)見表3[9，10]。

因開挖直接檢測的成本較高，直接檢測的位置應(yīng)根據(jù)風(fēng)險分級結(jié)果或者間接檢測確定的潛在風(fēng)險位置確定。除了傳統(tǒng)的無損檢測，直接檢測技術(shù)還包括超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)、在線檢測技術(shù)和電磁技術(shù)等。本文推薦的直接檢測技術(shù)見表4[9，10]。

3 埋地管老化狀態(tài)評價技術(shù)

若埋地管道被腐蝕，工作人員必須評估管道的完整性，以評價其短期內(nèi)服役的適用性以及長期的剩余壽命。基于這些計算，管道的預(yù)計壽命可用于確定管道的檢查頻率。

表5給出了美國核電針對金屬管道局部減薄的評價方法[2，10]。

EPRI也制定了服役準(zhǔn)則（FFS），評判埋地管是否能在下一個服役周期內(nèi)安全運行，并建立均勻腐蝕的壁厚評估及預(yù)測方法，為管道的安全運行和改造更換提供依據(jù)[2]。EPRI金屬管道FFS評估流程分為以下5步：

表3埋地管間接檢測技術(shù)Table 3 Buried pipe indirect detection technology

表4埋地管直接檢測技術(shù)Table 4 Buried pipe direct detection technology

第一步：確立系統(tǒng)的設(shè)計基準(zhǔn)和設(shè)計裕度。設(shè)計基準(zhǔn)包括設(shè)計輸入和設(shè)計計算結(jié)果。

第二步：收集直接檢測結(jié)果。確定老化機(jī)理（壁厚減薄、開裂、機(jī)械損傷、阻塞）和估算腐蝕裕量，即預(yù)測截至下一次檢測或修理時的腐蝕量，并考慮所用檢測方法的不確定性。

第三步：選擇并使用合適的FFS評估方法。FFS評估要考慮腐蝕裕量和將來的老化情況、繼續(xù)服役的充分性以及埋地管道的失效裕度。API 579-1[11]和ASMEXICode Case N-806[12]提供了適用服役準(zhǔn)則評估流程。Code Case N-806評估流程包括設(shè)計數(shù)據(jù)收集、檢查數(shù)據(jù)收集、老化機(jī)理分析、針孔泄漏評估、均勻腐蝕評估、其他腐蝕類型評估、有限元分析和運行或維修決策這8個步驟。

第四步：運行或維修決策，包括維修技術(shù)的選擇和預(yù)防措施。

第五步：對風(fēng)險分級流程和檢測計劃的反饋。

表5局部減薄評價導(dǎo)則Table 5 Local thinning evaluation guidelines

4 結(jié)論

本文總結(jié)了國際核電廠埋地管老化管理的3項關(guān)鍵技術(shù)，包括埋地管腐蝕風(fēng)險分級管理技術(shù)、埋地管檢測技術(shù)和埋地管老化狀態(tài)評價技術(shù)，我國核電廠可在消化吸收這些先進(jìn)的埋地管老化管理經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合埋地管各項管理活動的實施，完善我國核電廠埋地管綜合監(jiān)測及評估手段。