船用压水堆设备老化管理分析

黄晓俊 郑映烽 李少帅

摘 要：伴随着船用压水堆逐渐进入工作的中后期，老化管理的相关工作也随之展开，根据船用压水堆相关设备不同的老化特点，将其进行了分组，分别进行了老化管理的分析，并重点研究了反应堆一回路管道的老化机理，结合现有故障诊断及状态检测相关理论，对老化管理相应对策的提出做出了有益的探索。

关键词：船用压水堆 设备 一回路管道 老化管理

中图分类号：TL353 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（b）-0088-02

老化，即伴随着工作年限的增加，相关设备的物理或者化学等相关特性逐渐偏离初始状态，设备整体性能逐渐降低的过程。由于相关设备的老化，国外某核电站就发生过蒸汽发生器传热管支撑板损伤以及压力容器顶盖贯穿件的应力腐蚀破裂（SCC）等事故。国内大亚湾核电站也已经展开了老化管理相关的工作，但船用压水堆由于其特殊的海洋工作环境、工作模式以及本身设计等因素，与核电站相比其老化规律存在显著差异，针对船用压水堆设备老化管理规律的特点有必要做出针对性分析，根据各个设备特点的不同提出应对策略，才能够确保在服役的中后期相关设备的可靠运行，且保证必要的安全裕量。

1 设备的分类

船用压水堆各个设备功能、组成结构以及运行状态等因素并不完全相同。基于各个设备的可靠性、安全性等因素将其划分为3个部分：全寿期设备、安全设备以及其他。而一回路设备即属于全寿期设备又属于安全设备，因此一回路设备应当作为老化管理分析的重中之重。根据一回路相关设备老化机理的不同将其分为9类展开研究。

（1）主泵。船用压水堆采用屏蔽泵作为主冷却剂泵，叶轮工作环境为高温高压高盐高湿。相应产生的热应力以及磨损都会使得叶轮逐渐老化。而电机绕组绝缘老化的一个表现形式即匝间绝缘和对地绝缘的严重降低甚至击穿。磨损同时也是各种轴承老化最主要的原因。

（2）蒸汽发生器。根据已有数据来看，核电站由于蒸汽发生器老化导致的停堆事故80%均由传热管的腐蚀老化引起。传热管一般采用镍基合金和奥氏体不锈钢。船用压水堆蒸汽发生器工作环境恶劣，传热管老化的主要因素为机械损伤以及腐蚀。

（3）压力容器。压力容器的老化机理主要包括3个方面。第一：辐照脆化。辐照脆化是压力容器最主要的老化机理，分析状态指标的发展趋势可以知道，压力容器状态指标是无塑性转变温度的转移；第二：变形。长期载荷作用引起的过度变形，这包括塑性失稳和屈伸；第三：疲劳。主要指低循环疲劳。

（4）一回路管道。即主管道及连接于主管道的冷却剂管道。一回路管道在高温高压高盐高湿高辐照环境下运行，各种振动热冲击、腐蚀以及应力因素均会使得管道逐渐老化，而偏离其原始状态。

（5）相关阀门。阀门老化的表现形式即丧失密封性导致的外漏、内漏，外漏将会使得带有放射性的冷却剂外泄，造成放射性扩散。内漏即因为长期运行产生变形或者磨损使得阀座两密封面与启闭件关不严，导致不能按需要截断冷却剂。

（6）仪器、仪表设备。一方面，部分电子设备、探头等内部结构会因为存在凝水而腐蚀，导致绝缘性能下降甚至短路；另一方面，伴随着开关次数增加带来的热循环将会导致设备的疲劳，引起部分焊接点出现裂纹甚至断开，最终导致相关设备功能性老化。

（7）电缆。堆舱内电缆在高温高辐射条件下运行，将会逐渐变脆变硬，潮湿也会使得电缆出现绝缘降低，长期的机械应力又会使得电缆内部线路折断。其老化速度也会因为辐射和高温高湿的联合作用而加速。

（8）堆内构件。堆内构件多采用奥氏体不锈钢，某些紧固件以及弹簧采用为镍基合金。堆内构件最主要的老化机理为腐蚀、机械磨损、辐照脆化以及辐照导致的松弛、蠕变以及过度膨胀等。

（9）支撑结构等其他非能动设备。所有设备的老化机理均与其接触的介质及环境相关。主要的老化因素有应力疲劳、热疲劳以及腐蚀和辐照脆化等。

2 一回路管道老化管理分析

一回路管道运行环境恶劣，其主要的老化机理有大气腐蚀、热疲劳以及应力腐蚀，一旦破裂造成失水事故，甚至影响整个船用压水堆的安全运行，因此有必要专门针对一回路管道展开重点分析。其中稳压器波动管同时连接稳压器和主管道，波动管内冷却剂主要受到温度变化的影响，其运行工况更为复杂。

2.1 稳压器波动管老化分析

稳压器内压力不断波动必然给波动管带来一定的热冲击，其最主要的老化机理为热疲劳，而以往的疲劳设计对于热冲击带来的热分层以及瞬态热冲击往往考虑较少。

热分层作为最大载荷，分析其产生的原因，当波动管内液体流速较低且主管道与稳压器存在较大温差时，将产生相应的浮力头，而水平管内液体的分层与弗劳德数（液体承受的速度头与浮力头之比）相关。在反应堆启停堆时，温差较大，带来的热分层也较为严重。波动管内的层流现象使得沿管道截面温度梯度呈非线性分析，冷热流体交界处也存在一定的阶跃变化。相应的，沿着管道壁面方向将会产生弯曲应力，同时由于管道存在弯曲带来的环绕应力。在管道热、冷流区域分别存在轴应压力以及轴拉应力，并且弯曲应力受到流量率的影响。波动管内也会因层流与紊流的变换而增大循环应力的振幅作用，从而使得波动管出现明显的偏移或弯曲，甚至永久性变形。

2.2 管道老化缓解措施

（1）热疲劳延缓措施。造成热疲劳最主要因素为热分层以及热冲击。可以适当改进一回路的工作方式以降低温差，最终降低热分层和热冲击。另外也可以改进设计，从而延缓热疲劳。

（2）振动疲劳的延缓措施。当存在小破口或者毫米量级的振幅位移时，需要排除振动的来源以降低疲劳。当存在较大的压力时，可通过相关阀门或者加喷头控制压力，也可以通过在管壳外加入固定装置减小振动。

3 结语

参考一回路管道老化管理，现将一回路其他设备老化管理分析的步骤总结如下。

（1）设备整体性能的确定。伴随着服役时间的延长，设备逐渐偏离其原始状态，必然会出现某些物理或者化学信号的变化。有效测量该信号参数，便可以反映出设备当前整体性能，在设备整体性能降低到阈值之前提前获知相关信息，避免事故的发生。

（2）老化程度的监测方法。通过对设备当前物理或者化学信号的采集，对设备老化程度做出有效判断。该方法应具有足够的可靠性及较好的灵敏度以及控制在合理的费用之内。

（3）设备性能趋势的分析与判断。该步是极为重要的一环，需要将现有数据同以往经验对比，并与最小验收准则相比较。根据设备的类型、特点确定对哪些信号进行检查并分析；并确定如何根据已有信息准确评估出设备的整体性能。根据相关数据的分析研究，便可针对性地提出相应老化管理方法。如在设备故障前，做出准确判断并主动维修，以及对某些具体操作规程做出适当改进等。

参考文献

[1] 陶益军，赵新文，蔡琦.船用核动力设备老化分析与管理对策研究[J].船海工程，2005（6）：62-65.

[2] 李少帅，陈玲.基于模糊层次综合评估的小型压水堆压力安全系统可靠性评估[J].科技创新导报，2015，12（26）：97-99.

[3] 赵新文.舰船核动力一回路装置[M].北京：海潮出版社，2001.