黃紅科，劉　朝，魏松林，章　強，但體純，肖調兵

基于長壽期運行的核電廠埋地管完整性管理技術體系構建

黃紅科，劉朝，魏松林，章強，但體純，肖調兵

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223）

介紹了基于長壽期運行的核電廠埋地管完整性管理技術體系構建的方法和應用實踐，包括埋地管基礎數(shù)收集與測繪及信息系統(tǒng)建立、埋地管風險分級、埋地管檢查與評估、埋地管老化管理大綱體系四個主要方面，為核電廠開展埋地管完整性管理工作提供了參考。

核電廠；長壽期運行；埋地管；完整性管理

核電廠長壽期運行（在核電廠安全狀態(tài)和環(huán)境影響經(jīng)審查評估符合相關法規(guī)標準并經(jīng)許可的前提下，核電廠超出原設計或許可規(guī)定的期限運行）是當前核電行業(yè)的重要趨勢，美國在此方面走在前列，已有94臺機組實現(xiàn)了長壽期運行并形成了成熟的技術體系。埋地管是核電廠的重要工藝系統(tǒng)管道，涉及重要廠用水管道、海水循環(huán)水管道、消防水管道、化學水管道等，保障其完整性是實現(xiàn)核電廠長壽期運行必須審查的重要內容之一，美國核管會發(fā)布的核電廠通用經(jīng)驗反饋報告（下稱GALL報告）相關內容[1]對核電廠埋地管管理要求作出了明確規(guī)定。此外，國外一系列相關技術報告或標準[2-6]對埋地管完整性技術體系、埋地管腐蝕控制、防腐層或陰極保護的管理等方面提出了方法、建議或技術要求。相比之下，我國核電廠埋地管完整性管理相對落后，技術體系的系統(tǒng)化還不成熟，由于埋地管失效導致改造施工和經(jīng)濟損失的案例時有發(fā)生，埋地管完整性管理已經(jīng)成為核電廠普遍關注的熱點問題。本文基于有關研究成果及工程實踐經(jīng)驗，從埋地管完整性管理技術體系的幾個主要方面介紹了構建方法和實施案例，為核電廠埋地管長壽期運行或常規(guī)運行期間的完整性管理提供了參考。

1　埋地管基礎數(shù)據(jù)收集與測繪及信息系統(tǒng)建立

埋地管基礎信息是開展埋地管完整性管理的前提，須通過資料查閱或現(xiàn)場測繪等方法收集相關信息，達到的目標是埋地管結構尺寸、材料、環(huán)境、運維信息可查，地理位置可精確定位。根據(jù)相關文獻[2]，為開展埋地管風險分級并基于風險分級建立管理體系，須對管道進行分段，管道分段編號示意圖如圖1所示，管段基礎信息內容示例及獲取的方法如表1所示。以采集的相關信息為輸入建立基于三維可視化的信息管理平臺，可準確直觀定位查詢埋地管詳細信息，為埋地管管理實踐提供依據(jù)，某電廠埋地管信息平臺中三維可視化效果示意如圖2所示。為提高核電廠埋地管管理水平，對于新建電廠，應在設計階段即開展三維可視化信息系統(tǒng)建立，以完整有效管理全壽期數(shù)據(jù)信息，投運后，則根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)信息的變化不斷優(yōu)化三維管理信息系統(tǒng)。

表1　核電廠埋地管基礎信息內容及收集方法

圖1　埋地管管段分段編號示意圖

圖2　埋地管信息系統(tǒng)三維可視化效果示意

2　埋地管風險分級

埋地管風險分級已經(jīng)應用于石油天然氣行業(yè)埋地管管理工程實踐，公開資料[7-11]已可見相關報道。相比而言，國內針對核電廠的相關實踐較少。本文根據(jù)核電廠埋地管服役特性，確定了風險分級指標和計算方法如表2所示，本文制定了各指標量化評價方法如表3所示。以第1章獲取的相關數(shù)據(jù)信息為輸入，根據(jù)表2和表3的風險分級量化評價方法，可確定失效可能性分值和失效后果分值，分別將分值大于等于最高分值85%、大于等于最高分值50%小于最高分值85%、小于最高分值50%三個區(qū)間確定為失效可能性和失效后果的高、中、低風險等級，再采用矩陣圖法實施綜合風險分級，如圖3所示，圖中綠色、黃色、紅色分別標示低、中、高風險，根據(jù)該圖確定埋地管最終風險等級。依據(jù)服役環(huán)境的變化，可動態(tài)調整風險等級。對于新建電廠，可根據(jù)國內外同類型電廠的數(shù)據(jù)積累，建立初始的風險分級，根據(jù)風險分級結果優(yōu)化核電廠設計，有效降低核電廠埋地管老化降質風險，電廠投運后，則根據(jù)運行數(shù)據(jù)積累持續(xù)動態(tài)調整風險等級。本文僅做方法示例，風險等級的劃分可依據(jù)電廠狀態(tài)、管理政策、管理資源狀態(tài)等對各等級風險區(qū)間范圍比例進行動態(tài)調整。某核電廠以典型位置點開展土壤腐蝕性分析的結果和表1所獲取的基礎信息作為輸入，按照此風險分級方法分析各因素風險值，確定風險等級的部分結果為，一回路海水埋地管、循環(huán)水埋地管、控制區(qū)以內消防水埋地管、受控放射性特殊排放管道埋地管、要害區(qū)（保衛(wèi)分區(qū)依據(jù)EJ/T 316—2001壓水堆核電廠廠內輻射分區(qū)設計準則確定）以內消防水埋地管為高風險埋地管；要害區(qū)以外保護區(qū)以內消防水管、化學水管道為中風險埋地管，其他為低風險埋地管。

表2　核電廠埋地管風險分級指標及計算方法

續(xù)表

總分值計算方法因素指標風險分值計算子項指標 項目指標名稱符號權重項目指標子項指標符號 失效可能性分值FP = M + E + S + I + C運行狀態(tài)SWSS = (S1 + S2 + S3 + S4) × WS服役年限S1 外防腐層狀態(tài)S2 內防腐層狀態(tài)S3 歷史失效記錄S4 檢查措施IWII = (I1 + I2) × WI直接檢查I1 間接檢查I2 腐蝕控制CWCC = (C1 + C2) × WC陰極保護C1 管內介質腐蝕控制C2 失效后果分值FS = N + F + P + L + R核安全影響NWN核安全影響N = (N1 + N2) × WN核安全影響N1 所屬保衛(wèi)分區(qū)N2 功能影響FWFF = F1 × WF功能影響F1 環(huán)境影響PWPP = P1 × WP環(huán)境影響P1 經(jīng)濟損失LWLL = L1 × WL經(jīng)濟損失L1 維修更換難度RWRR = R1 × WR維修更換難度R1

表3　埋地管風險分級各項指標量化評價方法

續(xù)表

子項指標符號最高分值指標量化評價方法 （滿分值分為“15分”“10分”“5分”三個檔次，在風險中影響最大的最高分值為“15”分。具體分值根據(jù)評價方法確定為滿分值以內的任意分值） 陰極保護C115根據(jù)是否有陰極保護及陰極保護的偏離狀態(tài)、陰極保護有效工作時間比率評價分值。評價示例為：某管道無陰極保護，評價風險分值為15分；某管道有陰極保護，全管段陰極保護處于 - 1.25～ - 0.85 V/CSE范圍內的時間占比為30%，風險評分為5分；某管段有陰極保護，陰極保護處于 - 1.25～ - 0.85 V/CSE范圍內的時間占比為95%以上，風險評價分值為0分。 C25根據(jù)是否有內壁陰極保護，是否注入殺生劑或緩釋劑，是否定期清理管內介質等措施評價風險分值。評價示例為：無緩解措施，4～5分；僅注入殺生劑或緩釋劑，3～4分；定期清管，2～3分；有陰極保護0～1分。 核安全影響N110根據(jù)核安全等級或質量等級評價分值。評價示例為：如某管段為核安全三級，評價分值為10分；某管道為非核安全管道，但為消防管道；評價風險等級為5分；某管道為普通生活水管道；評價風險分值為0分。 所屬保衛(wèi)分區(qū)N25根據(jù)《EJ/T 316—2001壓水堆核電廠廠內輻射分區(qū)設計準則》確定的分區(qū)規(guī)定，按保衛(wèi)分區(qū)進行風險評級，管段處在要害區(qū)，視離堆芯距離，評價分值為4～5分；處在要害區(qū)外，控制區(qū)內，評價分值為3分；處在控制區(qū)外，保護區(qū)內，評價分值為2分；處在保護區(qū)以外評價為1分。 功能影響F15根據(jù)發(fā)生失效泄漏后，電廠運行是否導致立即輸出功率降低、停堆或其他全局損失、持續(xù)時長多長等評價為0～15分。 環(huán)境影響P10根據(jù)發(fā)生泄漏是否導致地下水放射性污染或環(huán)境污染，根據(jù)污染影響后果評價為0～10分。 經(jīng)濟損失L5根據(jù)失效導致維修改造成本高低評評價風險值。 維修更換難度R5根據(jù)維修是否需大面積開挖，是否對其他管道安全運行構成影響，是否影響廠內應急交通等因素評價風險分值。

3　埋地管檢查與評估

3.1　檢查計劃確定

國際相關標準實踐或技術文獻[2-6]均對埋地管的檢查提出了要求或建議，本文以相關內容為參考，結合我國核電廠實際及埋地管風險分級，制定了埋地管檢查計劃，內容包括檢查頻次/時機、檢查方法。由于核電廠廠區(qū)管道布置密集，廠區(qū)內開挖施工相對困難，且可能對電廠正常運行造成影響，核電廠埋地管檢查須采取以間接檢查為主，直接檢查和間接檢查相結合的檢查方式，同時充分利用其他開挖時機窗口開展檢查，最大限度減少開挖。根據(jù)管道不同特點及不同檢查方法的適用性，制定了如表4所示的核電廠埋地管檢查計劃。

表4　核電廠埋地管檢查計劃表

續(xù)表

檢查方式檢查方法檢查頻次/時機備注 高風險埋地管中風險埋地管低風險埋地管 間接檢查（非開挖）管中電流法防腐層檢查（交流電位梯度法）每年每年每年同種防腐層管道檢查長度比例不低于25%。 皮爾遜法每年每年每年僅適用于硬質路面 泄漏檢測發(fā)現(xiàn)泄漏或疑似泄漏時發(fā)現(xiàn)泄漏或疑似泄漏時發(fā)現(xiàn)泄漏或疑似泄漏時 直接檢查（開挖）目視檢查（1）每五年；（2）間接檢查發(fā)現(xiàn)防腐層破損且陰極保護電位無法實現(xiàn)有效保護時；（3）其他原因開挖時；（4）發(fā)生泄漏時。（1）每十年；（2）間接檢查發(fā)現(xiàn)防腐層破損且陰極保護電位無法實現(xiàn)有效保護時；（3）其他原因開挖時；（4）發(fā)生泄漏時。（1）間接檢查發(fā)現(xiàn)防腐層破損且陰極保護電位無法實現(xiàn)有效保護時；（2）發(fā)生泄漏時。（1）每次檢測開挖，同種材料管道開挖大于等于3.3 m（10英尺）。（2）針對聚合物管道，通過硬度儀檢測硬度。 超聲檢查（測厚、缺陷檢查） 超聲導波

3.2　間接檢查與評估

間接檢查主要針對防腐層和陰極保護，雖有關通過瞬變電磁法或金屬磁記憶法等非開挖方法開展埋地管管體缺陷間接檢測的也有報道，但對管道密集的核電廠廠區(qū)適用性較低。間接檢查分有陰極保護和無陰極保護兩種情況，檢測評估方法如下所示。

（1）無陰極保護的埋地管道

通過ACVG法檢測防腐層破損點和防腐層質量，PCM法和皮爾遜法都屬于此法。對于水泥或柏油路面，僅適用于皮爾遜法，其他條件下，均可采用PCM檢測防腐層絕緣電阻率和防腐層破損，發(fā)現(xiàn)防腐層破損后，通過皮爾遜法予以復檢確認。確認的防腐層缺陷點，通過觀察土壤濕度是否異?；蛐孤┞犚魞x判斷是否存在泄漏，對于疑似滲漏或泄漏的，立即開挖驗證修復，對無滲漏跡象的，根據(jù)檢測信號在破損點位置衰變強弱粗略判斷破損面積或范圍，進而決定是否開挖，對于暫緩開挖的，對該位置予以重點定期檢測，適時開挖驗證并修復破損，同時利用此窗口期開展表4所示直接檢測。

（2）有陰極保護的埋地管道

對于（1）中所述方法均適用于有陰極保護的埋地管。同時，有陰極保護的埋地管應通過P/S法或CIPS法檢測埋地管的陰極保護電位并依據(jù)《埋地鋼制管地陰極保護技術規(guī)范》（GB/T 21488—2017）評估其有效性，通過CIPS法檢測獲取的沿管道陰極保護電位分布可識別防腐層缺陷點位置，初步發(fā)現(xiàn)缺陷點后，通過PCM法檢查防腐層絕緣電阻率并復核確認缺陷點。確認后的防腐層缺陷點，依據(jù)《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》（GB/T 19285—2014）所規(guī)定的IR%法評估防腐層破損面積，通過DCVG法判斷破損點腐蝕活性，對防腐層破損面積等級評估為2～4級且腐蝕活性為陽性時，立即實施開挖確認。其他條件下，可暫緩開挖，對該位置予以重點定期檢測，適時開挖驗證并修復破損，同時利用此窗口開展表4所列直接檢測。

（3）間接檢測實踐案例

某電廠根據(jù)計劃開展埋地管檢查，通過ACVG法（PCM）檢測防腐質量和破損點，PCM檢測電流信號如圖4所示，其中一條消防水管線部分管段防腐層質量數(shù)據(jù)如表5所示，采用外防腐層電阻率（g值）指標評價防腐層質量，依據(jù)GB/T 19285—2014《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》進行評價，部分管段的評價結果示例如表5所示。

表5某電廠一條管線的間接檢測結果數(shù)據(jù)示例

Indirect inspection results example illustration of one piping line of some nuclear power plant

X1/mX2/m管段長/mY/（mB/m）Rg/（kΩ·m2）相關系數(shù)Rxy防腐層等級 22.265.343.13.554≤0.1 - 0.604 65.394.529.31.3652.8 - 0.613 備注防腐類別：特加強瀝青　　　　　　　　　 管道規(guī)格：f（219 × 6 × 1）mm初始電流：100 mA　　　　　　　　　　　管體縱向電阻R：0.109 10 Ω/km防腐層分布電容C：0.003 μF/m分布　　　　電感L：0.038 mH/m

通過PCM信號的突變（如圖4中圓圈位置）發(fā)現(xiàn)防腐層缺陷破損點位置，實施開挖驗證確認了該缺陷，該管道在破損點處已發(fā)生小量泄漏，如圖5所示，對泄漏位置進行了修復處理。通過此法還發(fā)現(xiàn)其他若干破損位置點。對有陰極保護的埋地管實施了CIPS陰極保護電位檢測，獲取了通管地電位值，檢測發(fā)現(xiàn)90%以上管道陰極保護斷電電位處于合理保護區(qū)間，少數(shù)陽極地床附近管道陰極保護處于過保護狀態(tài)，部分管道由于局部土壤特性或構筑物屏蔽導致欠保護，根據(jù)檢測結果給出了陰極保護調整或局部陽極地床改造的建議。

圖4　PCM檢測沿管信號圖示例

Fig.4　PCM Inspection signal illustration example along piping line

圖5　開挖后防腐層缺陷及其泄漏示例

3.3　直接檢查與評估

（1）直接檢查與評估方法

根據(jù)本文表4的計劃實施直接檢查。直接檢查方法包括目視、超聲檢查、超聲導波掃查。目視主要對防腐層或管體表面腐蝕狀態(tài)進行檢查，超聲檢查對管體材料厚度和缺陷進行檢查。超聲導波是通過開挖位置窗口，對未開挖位置進行掃查，擴大檢測范圍，減小開挖面，如發(fā)現(xiàn)缺陷顯示，則進一步進行開挖后，通過超聲檢查缺陷尺寸或管體厚度。管體檢查評估主要以超聲檢查結果為輸入進行評估，依據(jù)設計采用的標準實施完整性評估，如采用ASME[14]和API[15]相關標準或導則文件開展評估。直接檢查需要開挖或利用其他開挖時機窗口進行，依據(jù)GALL[1]相關規(guī)定，同種管材的開挖長度不少于3.3 m（也即10英尺）。對于大管徑管道，可進入管道內壁實施直接檢查，如循環(huán)水管道等。

（2）直接檢查實踐案例

某電廠依據(jù)檢查計劃實施直接檢查，在評價結果為高風險的管段中選擇風險值較高的位置點實施開挖，在開挖位置實施超聲導波檢查和超聲測厚。某開挖點超聲導波掃查現(xiàn)場圖如圖6所示，超聲導波信號如圖7所示。經(jīng)信號分析，未發(fā)現(xiàn)缺陷。選擇一段管道沿管壁以矩陣式布點方式開展測厚，以最小實測壁厚為輸入，依據(jù)標準進行評估，消防水管最小實測壁厚滿足服役標準要求，管道可繼續(xù)服役運行。

圖6　某電廠一條埋地消防水管段超聲導波缺陷掃查

圖7　消防水埋地管超聲導波缺陷掃查信號

對大管徑循環(huán)水管，進入循環(huán)水管從內壁開展直接檢查。目視檢查在局部位置發(fā)現(xiàn)防腐層破損或不同程度腐蝕現(xiàn)象，如圖8所示。對檢查發(fā)現(xiàn)基體腐蝕的局部區(qū)域，實施打磨直到出現(xiàn)金屬光澤，在打磨面積區(qū)域內以矩陣方式布點實施壁厚檢測。檢測獲取各位置壁厚后，以最小實測壁厚值為輸入，經(jīng)評估符合標準要求，可繼續(xù)運行。對發(fā)生腐蝕的位置制備新的防腐層并經(jīng)檢查合格后，管道正常投入服役。

4　埋地管老化管理大綱體系建立

為保障核電廠長壽期運行期間埋地管安全可靠運行，須建立系統(tǒng)化的完整性管理技術體系。影響埋地管完整性主要是老化降質因素，GALL報告中對埋地管老化管理相關要求作了規(guī)定。參考相關要求，建立了標準化的老化管理大綱體系，對埋地管老化管理各要素環(huán)節(jié)作了系統(tǒng)性性規(guī)定，大綱要素及相關要求如表6所示。

表6　核電廠埋地管標準化老化管體大綱要素

建立系統(tǒng)化的老化管理大綱體系須涵蓋表6所列要素內容，由于埋地管涉及的對象范圍很廣，可根據(jù)電廠實際編制一份或多份大綱文件。如某電廠通過埋地管老化管理大綱、開式循環(huán)水系統(tǒng)老化管理大綱、水化學管理大綱、消防水系統(tǒng)老化管理大綱、潤滑油管理大綱、流動加速腐蝕管理大綱等多份大綱共同構成埋地管老化管理大綱體系，該大綱體系以及與執(zhí)行該體系相關的埋地管信息收集測繪、埋地管風險分級、埋地管檢查與評估等技術方法共同構建形成埋地管完整性管理技術體系，通過實施該技術體系保障埋地管長壽命運行服役期間的完整性。

5　結論

本文從埋地管基礎數(shù)據(jù)收集測繪及信息系統(tǒng)建立、埋地管風險分級、埋地管檢查與評估、埋地管老化管理大綱體系建立等幾個方面系統(tǒng)地介紹了基于長壽期運行的核電廠埋地管完整性管理技術體系構建方法。文中所列實施案例表明，該技術體系可成功應用于核電廠，具有可實施性、操作性、系統(tǒng)性，能有效管理核電廠埋地管完整性問題。同時，該體系在借鑒國際上核電廠長壽期運行的相關實踐基礎上形成，可為我國核電廠埋地管長壽期運行技術體系建立提供參考和支撐。

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Buried Piping Integrity Management Technical System Building for Long Term Operation of Nuclear Power Plant

HUANG Hongke，LIU Zhao，WEI Songlin，ZHANG Qiang，DAN Tichun，XIAO Tiaobin

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation，LTD，Wuhan of Hubei Prov．430223，China）

Methodology and application practice of buried piping integrity management for long term operation of nuclear power plant was introduced in this paper，four main aspects of which includes basic data collection and survey as well as information system development，risk ranking，inspection and evaluation，aging management system development，all of which will offer reference for conducting buried piping integrity management of nuclear power plant．

Nuclear Power Plant；Long term operation；Buried piping；Integrity management

U177.3

A

0258-0918（2021）03-0552-09

2020-09-21

黃紅科（1981—），男，上海人，高級工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事核電廠材料腐蝕與防腐、核電廠延壽及老化管理方面研究