余桐泉,呂方明,馬谷劍,陳 平
(1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢;2.福建福清核電有限公司,福建 福清)
壽期管理整合了老化管理和經(jīng)濟(jì)計(jì)劃,在保障安全性和性能的前提下,優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)營(yíng)、維修和服役壽命,實(shí)現(xiàn)核電廠投資收益最大化[1]。美國(guó)EPRI 較早成立了壽期管理技術(shù)組,研究了LCM 技術(shù)在核電廠的應(yīng)用。目前美國(guó)絕大多數(shù)機(jī)組開發(fā)了專項(xiàng)設(shè)備的壽期管理計(jì)劃[2],為機(jī)組營(yíng)運(yùn)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
近年來,為了提高機(jī)組營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性,中國(guó)核電持續(xù)推進(jìn)壽期管理在各電廠的應(yīng)用,旗下機(jī)組均開展了不同程度的壽期管理工作,建立了設(shè)備壽期管理的能力。大亞灣核電早期也理解消化了壽期管理技術(shù),應(yīng)用在了給水加熱器等設(shè)備上[3]。
凝汽器是核電廠的關(guān)鍵敏感設(shè)備,一旦故障,機(jī)組可能要降功率甚至停機(jī)來修復(fù),會(huì)造成發(fā)電損失。在長(zhǎng)期運(yùn)維過程中,維護(hù)成本、故障修復(fù)費(fèi)用、機(jī)組發(fā)電損失之間存在一個(gè)平衡點(diǎn),此時(shí)經(jīng)濟(jì)性最佳。本文以某核電廠凝汽器為壽期管理對(duì)象,評(píng)估其在服役過程中遇到的技術(shù)問題,為其制定合理的運(yùn)維方案,對(duì)比分析經(jīng)濟(jì)指標(biāo),決策出最優(yōu)的維護(hù)計(jì)劃。
某核電廠凝汽器為雙殼體、單流程、單背壓表面式凝汽器。由喉部、殼體、水室、熱阱等組成。喉部與低壓缸排汽口剛性連接,熱阱底部與混凝土基礎(chǔ)剛性支撐。
凝汽器部件在服役過程中會(huì)降質(zhì),參考美國(guó)核電廠通用老化經(jīng)驗(yàn)[4]分析老化效應(yīng),結(jié)合行業(yè)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn),審查電廠管理措施,結(jié)果見表1?;趯彶榻Y(jié)果,提出以下維護(hù)活動(dòng)建議:
表1 老化管理審查結(jié)果
(1) 增加活動(dòng):對(duì)抽汽管道測(cè)厚、周期為2C。
(2) 增加對(duì)抽空氣管道汽側(cè)不可達(dá)位置的腐蝕檢查、抽空氣管道與水室殼體接觸處的密封檢查活動(dòng),但電廠尚不具備實(shí)施該活動(dòng)的能力,建議開展相關(guān)的技術(shù)研究。
預(yù)防性維修活動(dòng)不足導(dǎo)致部件故障頻率高,頻率過高導(dǎo)致部件維護(hù)成本高。審查維護(hù)活動(dòng)的有效性,提出優(yōu)化建議,達(dá)到前期投入和故障后果兩者間的平衡。審查凝汽器維修/檢查報(bào)告,提出以下活動(dòng)建議:
(1) 傳熱管渦流檢測(cè)比例提高到20%。傳熱管通過渦流檢測(cè)來跟蹤壁厚損傷情況,損傷嚴(yán)重時(shí)堵管。抽檢比例為12.5%時(shí),可能無法及時(shí)檢測(cè)。參考同行電廠的抽檢比例,提出將渦流檢測(cè)比例提高到20%,以減輕傳熱管泄漏問題。
(2) 傳熱管堵頭更換周期縮短至4C。堵頭脫落后,破損傳熱管會(huì)再次泄漏。電廠更換堵頭的周期為6C,國(guó)內(nèi)相同凝汽器結(jié)構(gòu)的電廠堵頭更換周期為4C。堵頭價(jià)值不高、安裝簡(jiǎn)單,但一旦脫落,若造成傳熱管泄漏,帶來的維修費(fèi)用和機(jī)組發(fā)電損失可能遠(yuǎn)超堵頭更換費(fèi)用,因此建議將堵頭更換周期縮短至4C。
傳熱管和水室襯膠是影響凝汽器運(yùn)行的重要部件,其壽命決定了改造更換決策。
運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)要求:破損冷卻管數(shù)量多達(dá)每個(gè)管束管數(shù)的5%時(shí),需考慮換管。
該機(jī)組有2 臺(tái)凝汽器,每臺(tái)有2 組管束。每組管束的傳熱管總數(shù)為16 052,換管閾值為802。傳熱管渦流檢測(cè)結(jié)果形成了檢測(cè)時(shí)間、堵管數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)。經(jīng)多種函數(shù)擬合,選用精度最高且符合堵管數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)的對(duì)數(shù)模型作為預(yù)測(cè)函數(shù)[5]。4 個(gè)管束的堵管情況見圖1??梢?,40 年壽期末各管束的堵管數(shù)不會(huì)超過閾值,可不考慮換管。注意,上述堵管預(yù)測(cè)結(jié)果基于當(dāng)前的渦流檢測(cè)結(jié)果,隨著服役時(shí)間延長(zhǎng),堵管數(shù)據(jù)會(huì)更豐富,建議定期更新堵管預(yù)測(cè)結(jié)果,使其更符合實(shí)際服役情況,從而制定更精確的換管計(jì)劃。
圖1 堵管預(yù)測(cè)結(jié)果
凝汽器水室殼體為碳鋼,內(nèi)側(cè)涂敷天然橡膠和氯丁橡膠,設(shè)計(jì)壽命為20 年,不足以服役至機(jī)組壽期末。
國(guó)內(nèi)機(jī)組水室襯膠有氯丁橡膠、高固態(tài)環(huán)氧防腐涂層等,翻新經(jīng)驗(yàn)見表2。還形成了水室襯膠老化狀態(tài)檢測(cè)的指標(biāo)和剩余壽命評(píng)估的依據(jù)[6-7]。
表2 水室襯膠翻新經(jīng)驗(yàn)
結(jié)合行業(yè)水室襯膠維護(hù)經(jīng)驗(yàn),建議對(duì)水室襯膠實(shí)施以下維護(hù)活動(dòng):
(1) 到期實(shí)施水室襯膠翻新。雙層橡膠按設(shè)計(jì)壽命20 年翻新,單層橡膠按行業(yè)壽命15 年翻新,高固態(tài)防腐涂層按行業(yè)壽命8 年翻新。
(2) 定期開展水室襯膠的老化狀態(tài)評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)工作,以硬度、抗拉強(qiáng)度等為評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出剩余壽命。
該機(jī)組運(yùn)行許可證期限至2054 年,在2021 年至2054 年制定運(yùn)維方案。
以老化管理審查和部件壽命評(píng)估結(jié)果為基礎(chǔ),制定了三種運(yùn)維方案,即:
(1) 方案1A:①維持原來的維護(hù)活動(dòng);②2034年和2049 年,翻新8 個(gè)水室的襯膠,材料為單層橡膠。
(2) 方案1B:①2024 年開始,新增“低壓加熱器抽汽管道的壁厚測(cè)量,周期為2C”的活動(dòng);②2024 年開始,鈦管渦流檢測(cè)的抽檢比例由12.5%提高至20%;③2021 年開始,鈦管堵頭定期更換的周期由6C縮短至4C;④2034 年和2049 年,翻新8 個(gè)水室的襯膠,材料為單層橡膠。
(3) 方案1C:①2024 年開始,新增“低壓加熱器抽汽管道的壁厚測(cè)量,周期為2C”的活動(dòng);②2024 年開始,鈦管渦流檢測(cè)的抽檢比例由12.5%提高至20%;③2021 年開始,鈦管堵頭定期更換的周期由6C縮短至4C;④2034 年、2042 年和2049 年,翻新8 個(gè)水室的襯膠,材料為高固態(tài)環(huán)氧防腐涂層。
為比較4.1 節(jié)中各方案經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)劣,提出以總費(fèi)用C 和收益投資比BIR 兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)作為評(píng)估依據(jù),即:
式中:CPM為預(yù)防性維修費(fèi)用;CRR為更換費(fèi)用;CCM為糾正性維修費(fèi)用;CLPG為機(jī)組發(fā)電損失;CHPG為機(jī)組發(fā)電效益。
考慮通貨膨脹率和折現(xiàn)率,將計(jì)算年份的費(fèi)用值折算到基準(zhǔn)年,公式如下:
式中:Cj為第j 年的費(fèi)用;k 為通貨膨脹率;d 為折現(xiàn)率;tNPV為基準(zhǔn)年。
利用維護(hù)活動(dòng)的費(fèi)用和部件故障后果,得到了各運(yùn)維方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),見表3。由此可知:
表3 運(yùn)維方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
(1) 與方案1A 相比,方案1B 加強(qiáng)了預(yù)防性維修活動(dòng),預(yù)防性維修費(fèi)用增加,糾正性維修費(fèi)用和發(fā)電損失減少。
(2) 與方案1B 相比,方案1C 改變了翻新后的水室襯膠材料。一方面方案1C 的水室襯膠材料相較于方案1B 破損頻率高,另一方面服役壽命短,需要采取更多次翻新,每次翻新會(huì)延長(zhǎng)機(jī)組預(yù)期大修時(shí)長(zhǎng),因此方案1C 相對(duì)于方案1B 更換費(fèi)用、糾正性維修費(fèi)用和發(fā)電損失均有增加。
(3) 從總費(fèi)用來看,三種方案的優(yōu)先級(jí)由高到低為:1B、1A、1C。從收益投資比來看,三種方案的優(yōu)先級(jí)由高到低為:1B、1A、1C。綜合總費(fèi)用和收益投資比,三種方案的優(yōu)先級(jí)從高到低為:1B、1A、1C。
通過本文的研究,得出以下結(jié)論:
(1) 抽空氣管道汽側(cè)不可達(dá)位置的腐蝕檢查、抽空氣管道與水室接觸位置的密封性檢查是凝汽器長(zhǎng)期維護(hù)的短板,應(yīng)開展必要的技術(shù)研發(fā),降低部件失效風(fēng)險(xiǎn)。
(2) 現(xiàn)有檢查數(shù)據(jù)表明,機(jī)組壽期末不會(huì)超出凝汽器堵管閾值。建議根據(jù)每次大修的現(xiàn)場(chǎng)堵管數(shù)據(jù)定期更新堵管預(yù)測(cè)模型,基于堵管預(yù)測(cè)值更新?lián)Q管決策。
(3) 本文的分析結(jié)果顯示方案1B 的經(jīng)濟(jì)性最佳,建議電廠增加“低壓加熱器抽汽管道的壁厚測(cè)量,周期為2C”的活動(dòng)、將鈦管渦流抽檢比例由12.5%增加到20%、將堵頭更換周期由6C 縮短至4C。