寿期管理在核电厂凝汽器中的应用研究

余桐泉，吕方明，马谷剑，陈 平

（1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉；2.福建福清核电有限公司，福建 福清）

寿期管理整合了老化管理和经济计划，在保障安全性和性能的前提下，优化设备的运营、维修和服役寿命，实现核电厂投资收益最大化[1]。美国EPRI 较早成立了寿期管理技术组，研究了LCM 技术在核电厂的应用。目前美国绝大多数机组开发了专项设备的寿期管理计划[2]，为机组营运带来了可观的经济效益。

近年来，为了提高机组营运的经济性，中国核电持续推进寿期管理在各电厂的应用，旗下机组均开展了不同程度的寿期管理工作，建立了设备寿期管理的能力。大亚湾核电早期也理解消化了寿期管理技术，应用在了给水加热器等设备上[3]。

凝汽器是核电厂的关键敏感设备，一旦故障，机组可能要降功率甚至停机来修复，会造成发电损失。在长期运维过程中，维护成本、故障修复费用、机组发电损失之间存在一个平衡点，此时经济性最佳。本文以某核电厂凝汽器为寿期管理对象，评估其在服役过程中遇到的技术问题，为其制定合理的运维方案，对比分析经济指标，决策出最优的维护计划。

1 核电厂凝汽器基础信息

某核电厂凝汽器为双壳体、单流程、单背压表面式凝汽器。由喉部、壳体、水室、热阱等组成。喉部与低压缸排汽口刚性连接，热阱底部与混凝土基础刚性支撑。

2 维护活动评估

2.1 老化效应/机理评估

凝汽器部件在服役过程中会降质，参考美国核电厂通用老化经验[4]分析老化效应，结合行业运维经验，审查电厂管理措施，结果见表1。基于审查结果，提出以下维护活动建议：

表1 老化管理审查结果

（1） 增加活动：对抽汽管道测厚、周期为2C。

（2） 增加对抽空气管道汽侧不可达位置的腐蚀检查、抽空气管道与水室壳体接触处的密封检查活动，但电厂尚不具备实施该活动的能力，建议开展相关的技术研究。

2.2 部件故障后果评估

预防性维修活动不足导致部件故障频率高，频率过高导致部件维护成本高。审查维护活动的有效性，提出优化建议，达到前期投入和故障后果两者间的平衡。审查凝汽器维修/检查报告，提出以下活动建议：

（1） 传热管涡流检测比例提高到20%。传热管通过涡流检测来跟踪壁厚损伤情况，损伤严重时堵管。抽检比例为12.5%时，可能无法及时检测。参考同行电厂的抽检比例，提出将涡流检测比例提高到20%，以减轻传热管泄漏问题。

（2） 传热管堵头更换周期缩短至4C。堵头脱落后，破损传热管会再次泄漏。电厂更换堵头的周期为6C，国内相同凝汽器结构的电厂堵头更换周期为4C。堵头价值不高、安装简单，但一旦脱落，若造成传热管泄漏，带来的维修费用和机组发电损失可能远超堵头更换费用，因此建议将堵头更换周期缩短至4C。

3 部件寿命评估

传热管和水室衬胶是影响凝汽器运行的重要部件，其寿命决定了改造更换决策。

3.1 传热管

运行维护手册要求：破损冷却管数量多达每个管束管数的5%时，需考虑换管。

该机组有2 台凝汽器，每台有2 组管束。每组管束的传热管总数为16 052，换管阈值为802。传热管涡流检测结果形成了检测时间、堵管数的数据对。经多种函数拟合，选用精度最高且符合堵管数增长趋势的对数模型作为预测函数[5]。4 个管束的堵管情况见图1。可见，40 年寿期末各管束的堵管数不会超过阈值，可不考虑换管。注意，上述堵管预测结果基于当前的涡流检测结果，随着服役时间延长，堵管数据会更丰富，建议定期更新堵管预测结果，使其更符合实际服役情况，从而制定更精确的换管计划。

图1 堵管预测结果

3.2 水室衬胶

凝汽器水室壳体为碳钢，内侧涂敷天然橡胶和氯丁橡胶，设计寿命为20 年，不足以服役至机组寿期末。

国内机组水室衬胶有氯丁橡胶、高固态环氧防腐涂层等，翻新经验见表2。还形成了水室衬胶老化状态检测的指标和剩余寿命评估的依据[6-7]。

表2 水室衬胶翻新经验

结合行业水室衬胶维护经验，建议对水室衬胶实施以下维护活动：

（1） 到期实施水室衬胶翻新。双层橡胶按设计寿命20 年翻新，单层橡胶按行业寿命15 年翻新，高固态防腐涂层按行业寿命8 年翻新。

（2） 定期开展水室衬胶的老化状态评估和剩余寿命预测工作，以硬度、抗拉强度等为评价指标，结合评价标准给出剩余寿命。

4 长期运维方案制定与评估

该机组运行许可证期限至2054 年，在2021 年至2054 年制定运维方案。

4.1 长期运维方案

以老化管理审查和部件寿命评估结果为基础，制定了三种运维方案，即：

（1） 方案1A：①维持原来的维护活动；②2034年和2049 年，翻新8 个水室的衬胶，材料为单层橡胶。

（2） 方案1B：①2024 年开始，新增“低压加热器抽汽管道的壁厚测量，周期为2C”的活动；②2024 年开始，钛管涡流检测的抽检比例由12.5%提高至20%；③2021 年开始，钛管堵头定期更换的周期由6C缩短至4C；④2034 年和2049 年，翻新8 个水室的衬胶，材料为单层橡胶。

（3） 方案1C：①2024 年开始，新增“低压加热器抽汽管道的壁厚测量，周期为2C”的活动；②2024 年开始，钛管涡流检测的抽检比例由12.5%提高至20%；③2021 年开始，钛管堵头定期更换的周期由6C缩短至4C；④2034 年、2042 年和2049 年，翻新8 个水室的衬胶，材料为高固态环氧防腐涂层。

4.2 经济评估指标

为比较4.1 节中各方案经济性的优劣，提出以总费用C 和收益投资比BIR 两个参数指标作为评估依据，即：

式中：CPM为预防性维修费用；CRR为更换费用；CCM为纠正性维修费用；CLPG为机组发电损失；CHPG为机组发电效益。

考虑通货膨胀率和折现率，将计算年份的费用值折算到基准年，公式如下：

式中：Cj为第j 年的费用；k 为通货膨胀率；d 为折现率；tNPV为基准年。

4.3 经济评估结果

利用维护活动的费用和部件故障后果，得到了各运维方案的经济指标，见表3。由此可知：

表3 运维方案的经济指标

（1） 与方案1A 相比，方案1B 加强了预防性维修活动，预防性维修费用增加，纠正性维修费用和发电损失减少。

（2） 与方案1B 相比，方案1C 改变了翻新后的水室衬胶材料。一方面方案1C 的水室衬胶材料相较于方案1B 破损频率高，另一方面服役寿命短，需要采取更多次翻新，每次翻新会延长机组预期大修时长，因此方案1C 相对于方案1B 更换费用、纠正性维修费用和发电损失均有增加。

（3） 从总费用来看，三种方案的优先级由高到低为：1B、1A、1C。从收益投资比来看，三种方案的优先级由高到低为：1B、1A、1C。综合总费用和收益投资比，三种方案的优先级从高到低为：1B、1A、1C。

5 结论

通过本文的研究，得出以下结论：

（1） 抽空气管道汽侧不可达位置的腐蚀检查、抽空气管道与水室接触位置的密封性检查是凝汽器长期维护的短板，应开展必要的技术研发，降低部件失效风险。

（2） 现有检查数据表明，机组寿期末不会超出凝汽器堵管阈值。建议根据每次大修的现场堵管数据定期更新堵管预测模型，基于堵管预测值更新换管决策。

（3） 本文的分析结果显示方案1B 的经济性最佳，建议电厂增加“低压加热器抽汽管道的壁厚测量，周期为2C”的活动、将钛管涡流抽检比例由12.5%增加到20%、将堵头更换周期由6C 缩短至4C。