徐琳銀

中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興，314300

0 引言

目前，死管段現(xiàn)象已成為困擾國內(nèi)外核電機(jī)組的一個(gè)重要問題，并成為影響關(guān)鍵設(shè)備使用壽命的重要因素。在核電站投入商業(yè)運(yùn)行后,一些設(shè)備的老化現(xiàn)象會逐漸地顯現(xiàn)出來，死管段現(xiàn)象會在一定程度上加速設(shè)備的老化，可能增加核電站運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。秦山一期核電機(jī)組停冷系統(tǒng)進(jìn)口管線閥門出現(xiàn)的腐蝕問題就屬于死管段現(xiàn)象造成的主要因素之一。此現(xiàn)象也曾多次出現(xiàn)在國內(nèi)外核電機(jī)組中，最終都會腐蝕閥門閥座，導(dǎo)致閥門的密封性能降低。假若沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將對一回路壓力邊界的完整性構(gòu)成威脅，進(jìn)而造成一回路放射性物質(zhì)泄漏的核安全事故。該文對一回路的安注、停冷、化容、疏排水等管系可能產(chǎn)生死管段的區(qū)域進(jìn)行識別篩選，并對如何提升核電站一回路關(guān)鍵管系的可靠性管理、避免因死管段現(xiàn)象影響核電站安全穩(wěn)定的運(yùn)行進(jìn)行研究分析。

1 死管段和死管段現(xiàn)象

1.1 死管段和死管段現(xiàn)象機(jī)理分析

反應(yīng)堆中與主冷卻劑回路和輔助回路之間的連接管段，在機(jī)組運(yùn)行期間被兩端設(shè)置的隔離閥或者逆止閥隔離，被隔離管段的入口閥和出口閥之間的水是靜態(tài)的死水[1]，該管段就被稱為死管段。死管段現(xiàn)象通常是指高溫冷卻劑流體通過強(qiáng)制對流及熱傳導(dǎo)的方式加熱死管段內(nèi)處于靜態(tài)、溫度相對較低的液體。若死管段內(nèi)靜態(tài)液體的溫度大于內(nèi)部當(dāng)前壓力對應(yīng)的飽和溫度,將會生成蒸汽，進(jìn)而造成死管段內(nèi)形成水、蒸汽兩相，此時(shí)流體內(nèi)部有害的氯離子等雜質(zhì)離子將在水、蒸汽的面上聚集，這些聚集的有害雜質(zhì)離子的濃度遠(yuǎn)大于其他部位，此種現(xiàn)象形成后，將對死管段內(nèi)部和閥門內(nèi)部的閘板、閥座等部件表面形成腐蝕[2]，并最終造成管道內(nèi)壁或閥門部件被腐蝕減薄或產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)將會降低閥門的密封性能。

1.2 死管段的腐蝕及特征

核電站運(yùn)行時(shí)，死管段內(nèi)流體形成水、蒸汽兩相分界面，因硼酸的沸點(diǎn)大于水，當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)，就造成了汽液界面上的硼酸被局部濃縮，并促成對閥瓣的腐蝕。隨著汽液界面的波動，將造成閥瓣的內(nèi)表面所承受的熱應(yīng)力不均勻，加劇閥門的腐蝕，同時(shí)此現(xiàn)象還將加劇整個(gè)死管段的熱側(cè)腐蝕，對比于死管道內(nèi)低溫側(cè)，高溫側(cè)的熱應(yīng)力相對較大，這就是造成熱側(cè)腐蝕更嚴(yán)重的因素[2]。

根據(jù)法國核電機(jī)組（法馬通、法國電力）的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，死管段現(xiàn)象主要有以下三種目視特征。

（1）形成汽/氣分層的痕跡：閥門的閥瓣表面被白色或者淺黑色積垢物覆蓋，厚度增加，通過砂紙輕微打磨后，檢查發(fā)現(xiàn)基本金屬面無侵蝕，此種情況無危害。

（2）形成蝕線：閥門解體后，發(fā)現(xiàn)在閥瓣的表面有清晰的汽/氣、水分層線；輕微打磨后，金屬閥瓣的本體表面被腐蝕損害。利用著色無損探傷檢查閥門密封面時(shí)，未發(fā)現(xiàn)損傷。此種情況，閥門的密封性在短時(shí)間內(nèi)依舊可以得到保障，對閥門的壽命影響也較小。

（3）形成嚴(yán)重腐蝕：閥門解體后，發(fā)現(xiàn)在閥瓣的表面有清晰的汽/氣、水分層線；金屬閥瓣的本體表面被腐蝕侵害，在腐蝕線高度位置的閥門密封面出現(xiàn)了貫穿方向上的腐蝕裂紋。根據(jù)法國電力研究，此種腐蝕機(jī)理為應(yīng)力腐蝕，對閥門密封性和壽命影響較大。

2 核電站死管段現(xiàn)象解決的主流方法

20世紀(jì)80年代中期，法國BUGEY3機(jī)組首先發(fā)現(xiàn)“死管段”腐蝕裂紋是在BC1(主管道冷段)安注管線上，其后就制定了針對“死管段”的檢查、試驗(yàn)和鑒定計(jì)劃。1988年9月法國核電運(yùn)營部門決定著手CPY和P4系列機(jī)組進(jìn)口死管段的改造，改進(jìn)設(shè)計(jì)是通過加壓死管段，使壓力大于死管段內(nèi)部液體溫度對應(yīng)的飽和壓力。改造后旁通的逆止閥被改為手動隔離閥，手動隔離閥在機(jī)組運(yùn)行期間保持打開，使進(jìn)口死管段的壓力與一回路壓力相同，進(jìn)而避免死管段現(xiàn)象發(fā)生。在BUGEY3機(jī)組首次對進(jìn)口死管段進(jìn)行增壓修改后，經(jīng)過一段時(shí)間又停止上述改進(jìn)，主要原因是電站決定執(zhí)行系統(tǒng)的充水和排氣最新運(yùn)行程序，并認(rèn)為這些新規(guī)定可以避免進(jìn)口管道出現(xiàn)汽、水兩相。但是其多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋發(fā)現(xiàn)這些運(yùn)行程序無法有效地控制和避免這些死管段的腐蝕現(xiàn)象，特別是機(jī)組在后來又發(fā)現(xiàn)死管段腐蝕現(xiàn)象。但是法國BUGEY3機(jī)組通過加壓死管段使壓力大于死管段內(nèi)部液體溫度對應(yīng)的飽和壓力的方法，得到了諸多核電站的借鑒改進(jìn)，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也表明此種方法可以有效抑制、避免死管段的腐蝕。此方法也逐漸成為后期各核電站解決死管段問題的主流方案。

3 秦山350Mwe機(jī)組針對死管段改進(jìn)的方法及優(yōu)越性

本機(jī)組多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，首先出現(xiàn)死管段的區(qū)域是在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的Ⅰ、Ⅱ環(huán)熱段注射管系；后又主要集中在停冷系統(tǒng)管系，造成停冷系統(tǒng)靠近反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)的一次隔離閥V08-01A、V08-02B的閥瓣、閥體出現(xiàn)腐蝕，進(jìn)而出現(xiàn)幾次閥門內(nèi)漏。發(fā)生死管段區(qū)域的管線及閥門是核一級的主系統(tǒng)承壓邊界部件，這些部件維修難度大、放射性劑量高、成本高，當(dāng)主系統(tǒng)壓力邊界部件的可靠性降低時(shí)，將會對核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行形成挑戰(zhàn)。為了堅(jiān)決保護(hù)一回路壓力邊界的完整性，本機(jī)組提出的改造也借鑒了法國核電機(jī)組針對死管段現(xiàn)象改造原理。主要方式是通過從反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)引壓，將原V08-43A/B（旁通止回閥）改造成常關(guān)的氣動隔離閥[3]，見圖1，閥門為核安全2類、抗震1類；閥門設(shè)置為失效關(guān)，在失電、失氣或者失去控制信號后均切至關(guān)閉位置，且為保證主控室準(zhǔn)確判斷閥門的開關(guān)狀態(tài)，設(shè)置了指示器，將閥門信號反饋至主控室。主控室依據(jù)死管段內(nèi)壓力變化趨勢手動控制V08-43A/B閥門的開、關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對死管段內(nèi)引壓，V08-43A/B氣動隔離閥常關(guān)且與V08-01C/D設(shè)置連鎖，避免功率運(yùn)行期間出現(xiàn)V08-43A和V08-01C、V08-43B和V08-01D同時(shí)開啟的情況。

本機(jī)組的改進(jìn)方法與法國相比差異化主要體現(xiàn)在BUGEY3機(jī)組是將旁通逆止閥更換為手動隔離閥且該閥在機(jī)組運(yùn)行時(shí)保持開啟狀態(tài)。但核電機(jī)組設(shè)計(jì)要求是與一回路系統(tǒng)承壓邊界連接的較低等級的系統(tǒng)之間需設(shè)置雙重隔離，將逆止閥改為常開的手動隔離閥實(shí)際上是破壞了一回路的雙重隔離。雖然法國現(xiàn)有的核電站經(jīng)驗(yàn)反饋表明進(jìn)口隔離閥門出現(xiàn)由于閥門失效引起的泄漏率突然增加的可能性極低，但是出于對核安全的保守決策，顯然秦一期的改進(jìn)策略更有安全性和優(yōu)越性。

4 本機(jī)組歷史上產(chǎn)生的典型死管段現(xiàn)象

通過觀察發(fā)現(xiàn)，本機(jī)組產(chǎn)生死管段現(xiàn)象的區(qū)域主要集中在停堆冷卻系統(tǒng)管系。在R8大修期間，對可能存在的死管段現(xiàn)象的區(qū)域進(jìn)行了檢查。其中對停冷管系的V08-01A解體檢查發(fā)現(xiàn)：閘板出口密封面有嚴(yán)重腐蝕，腐蝕沿閘板出口液面展開，閘板密封面與閘板體焊接處有腐蝕凹坑，在對其出口的管道目視檢查中，發(fā)現(xiàn)有明顯的腐蝕痕跡。

另外對V08-02E解體檢查時(shí)也發(fā)現(xiàn)閥座密封面上有一深達(dá)3mm的巨大凹痕（非貫穿缺陷），研磨后經(jīng)密封檢查合格；V08-01B和V08-02F也存在不同程度的腐蝕性，出現(xiàn)了死管段現(xiàn)象的典型特征。在R9期間對部分發(fā)生問題的閥門繼續(xù)進(jìn)行跟蹤檢查，在閥體和閥座密封面再次發(fā)現(xiàn)了腐蝕線，在對應(yīng)的管道內(nèi)壁也有腐蝕痕跡。

R15期間機(jī)組出現(xiàn)了停冷系統(tǒng)進(jìn)口管道A壓力表（PI0807）緩慢上漲至3.46MPa并觸發(fā)H報(bào)警，起初懷疑是停冷系統(tǒng)與主系統(tǒng)第一道隔離閥（V08-01A）或者旁通截止閥（V08-43A）內(nèi)漏導(dǎo)致第二道隔離閥前（V08-01C）壓力升高。運(yùn)行一段時(shí)間后缺陷趨勢發(fā)展為第二道隔離閥前壓力已升至與主系統(tǒng)壓力一致到達(dá)15.2MPa的情況，但停冷泵入口壓力表未見異常變化，后證實(shí)就是因死管段現(xiàn)象造成V08-01A內(nèi)漏。

5 機(jī)組死管段區(qū)域篩選

為了提前識別風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防死管段現(xiàn)象對一回路壓力邊界產(chǎn)生威脅，依據(jù)秦山一期反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的管系設(shè)計(jì)，對關(guān)鍵管系識別出大概率產(chǎn)生死管段水、汽兩相現(xiàn)象的位置，進(jìn)而作為機(jī)組長期重點(diǎn)監(jiān)督管理、維護(hù)的對象。經(jīng)過篩選，與一回路反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)相連接的管系有：主系統(tǒng)的穩(wěn)壓器波動管和噴淋管系、主系統(tǒng)平均溫度測量管系、化容控制系統(tǒng)的上充下泄管系、安全注射系統(tǒng)管系、停冷系統(tǒng)的入口管系、疏排水系統(tǒng)的入口管系、取樣系統(tǒng)的入口管系等23根管系[4]。

根據(jù)死管段現(xiàn)象產(chǎn)生的原理及各類輔助工藝系統(tǒng)的運(yùn)行方式，識別出了反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主管道相連接的死管段位置有10個(gè)[4]，這些死管段位置并不都會發(fā)生汽化，需進(jìn)一步研究分析管段內(nèi)部流體的溫度和壓力，再識別出汽化概率最大的管系。

5.1 篩選的死管段內(nèi)液體壓力、溫度分析

5.1.1 環(huán)路冷段安注管系

在機(jī)組正常運(yùn)行期間，主環(huán)路冷段注入管的一次、二次止回閥之間的管道與安注箱相連通，安注箱內(nèi)充氮?dú)?，壓力始終保持在4.5～4.85MPa，此壓力對應(yīng)的飽和溫度約為200℃。秦山一期主系統(tǒng)冷段溫度約288.8℃，經(jīng)過一次止回閥降溫后，溫降約為100℃，因此死管段內(nèi)溫度超過200℃的概率極低，因此此段不納入關(guān)注對象[4]。

表1 需重點(diǎn)關(guān)注的死管段區(qū)域清單

5.1.2 備用上充管系

機(jī)組在啟動期間，當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)完成除氧后，會投運(yùn)備用上充管線一段時(shí)間，進(jìn)而將備用上充管段的液體進(jìn)行置換；正常運(yùn)行后，也會定期切換運(yùn)行上充泵，管段內(nèi)未設(shè)置疏水和放氣支管，在運(yùn)行一定時(shí)間后，可以完全保證管內(nèi)為單相水實(shí)體，在其被隔離后，管段兩端壓力維持高壓，一端為17.5MPa，一端為15.2MPa，也不會發(fā)生死管段內(nèi)的液體外泄的情況，因此即使被加熱，完全能靠自加壓作用保證該管段內(nèi)液體不發(fā)生飽和汽化，故此段不納入關(guān)注對象[4]。

5.1.3 疏排水系統(tǒng)進(jìn)口管

疏排水系統(tǒng)進(jìn)口管道內(nèi)徑為46mm，屬于＜76.2mm的管道，參考EPRI研究結(jié)論[5]，其湍流滲入距離最大不超過460mm。而連接主管道的疏排管線的兩個(gè)一次隔離閥距離分別為3243mm和2393mm，已遠(yuǎn)大于湍流穿透距離，參考EPRI TR-103581報(bào)告分析[6]的自然對流傳熱情況可以發(fā)現(xiàn)一次隔離閥處的溫度已接近環(huán)境溫度，故此段不納入關(guān)注對象[7]。

5.1.4 過剩下泄進(jìn)口管

過剩下泄系統(tǒng)進(jìn)口管道從主系統(tǒng)II環(huán)路疏排系統(tǒng)進(jìn)口管道中引出，引出后的管道內(nèi)徑比疏排進(jìn)口管道更小，其一次隔離閥與主管道的距離也大于疏排系統(tǒng)管線，因此可推斷其一次隔離閥處的溫度已接近環(huán)境溫度，故此段不納入關(guān)注對象。

5.2 篩選出需重點(diǎn)關(guān)注的死管段

結(jié)合上述內(nèi)容，經(jīng)過兩輪排查篩選，最終確定了本機(jī)組僅有反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)I環(huán)、II環(huán)回路的熱段安注系統(tǒng)的注入口段、停冷系統(tǒng)的入口段4根管道發(fā)生死管段現(xiàn)象的水、汽兩相概率較大[4]，故得出需要重點(diǎn)跟蹤關(guān)注的死管段區(qū)域見表1。在機(jī)組的多次大修中，也僅發(fā)現(xiàn)V08-02E、V08-02F、V08-01、V08-01B 四個(gè)閥門及管道中有死管段現(xiàn)象引發(fā)的腐蝕問題，這也證明了篩選的科學(xué)性和正確性。

6 針對產(chǎn)生死管段區(qū)域的管理

參考國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)反饋和改造情況，總結(jié)出本機(jī)組應(yīng)對死管段現(xiàn)象的對策如下[4]。

（1）從設(shè)計(jì)上杜絕死管段現(xiàn)象發(fā)生的概率：加長一次隔離閥與主管道之間的管線長度[6]，同時(shí)增加一次隔離閥和二次隔離閥之間的距離，此種方法已在美國、俄羅斯、法國核電機(jī)組中得到應(yīng)用。

（2）在對管道進(jìn)行充分排氣后，再進(jìn)行隔離，盡力保證被隔離的死管段內(nèi)為單相水：在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)I環(huán)、II環(huán)回路的熱段安注系統(tǒng)的注入口段、停冷系統(tǒng)的入口段均布置有疏水、放氣支管；進(jìn)行管道隔離前，應(yīng)借助系統(tǒng)的充水排氣窗口將死管段、放氣閥、疏水閥支管內(nèi)的空氣排凈。

（3）利用預(yù)加壓的手段，使死管段內(nèi)保持較高的初始壓力：當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力達(dá)到3.0MPa時(shí)，先關(guān)閉停冷系統(tǒng)進(jìn)口管道的二次隔離閥，再關(guān)閉一次隔離閥，使死管段內(nèi)保持3.0MPa的初始壓力，當(dāng)主系統(tǒng)升壓至15.2MPa時(shí)，再通過打開旁路氣動隔離閥對死管段升壓，達(dá)到要求值后，再關(guān)閉。

（4）通過監(jiān)視死管段內(nèi)壓力變化，提前干預(yù)：機(jī)組正常期間，當(dāng)管段內(nèi)壓力降至低壓報(bào)警時(shí)，手動開啟停冷系統(tǒng)進(jìn)口管道旁路氣動隔離閥使管段壓力恢復(fù)至熱段壓力后，保持關(guān)閉，這便保證了管段內(nèi)壓力高于流體對應(yīng)的飽和壓力，防止死管段內(nèi)產(chǎn)生蒸汽。

（5）利用大修的窗口對重點(diǎn)關(guān)注的閥門、管段進(jìn)行射線探傷，驗(yàn)證其完整性：對死管段區(qū)域的閥門、管道建立定期預(yù)維，強(qiáng)化維修質(zhì)量，建立閥門修后密封性檢查步驟。

（6）控制水質(zhì)，提升死管段內(nèi)的局部環(huán)境，減輕腐蝕：利用反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的除氧水置換死管段中的水，降低水的氧含量，減輕腐蝕。

7 結(jié)語

該文通過分析死管段現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理和危害，剖析了核電行業(yè)和國外同類型核電機(jī)組解決死管段現(xiàn)象的方法。并結(jié)合連接秦山一期核電機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主管道設(shè)計(jì)，對本機(jī)組死管段現(xiàn)象及改造進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并針對機(jī)組死管段區(qū)域篩選出的大概率發(fā)生死管段現(xiàn)象的位置，提出管理策略。該文的研究成果將對同類型的核電機(jī)組在應(yīng)對死管段現(xiàn)象的工作上起到一定的示范作用，具備較好的參照應(yīng)用價(jià)值。

同時(shí)，我國已對巴基斯坦輸出了C1-C4核電機(jī)組，因其堆型是借鑒秦山一期核電機(jī)組原型設(shè)計(jì)，因此秦山一期機(jī)組分析出的死管段重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域和管理策略，可作為運(yùn)行、維護(hù)管理成果輸出。