執照更新中經驗反饋對核電廠老化管理實踐的影響

楊曉蕾,張魯山,崔 濤,孟凡江,石秀強

(1.上海核工程研究設計院股份有限公司,上海 200233;2.山東核電有限公司,煙臺 265116)

通用老化經驗報告(GALL報告)是美國核管會發布的用于指導核電廠運行執照更新審查的技術文件,其通過表單化的結構對構筑物、系統和部件的材料信息、服役環境、老化效應及機理以及對應的老化管理大綱等通用老化經驗進行總結,是美國開展核電廠執照更新申請審查的基準文件[1]。美國在核電廠執照更新申請和審查過程中積累了大量經驗和數據,形成了較為完備的老化管理和執照更新申請監管文件和審查體系。

我國核電機組的運行許可證延續策略參照了美國執照更新模式。相比美國,我國核電廠許可證延續方面的實踐和經驗較少,相關體系和法規標準仍處于不斷完善的過程中。因此,國內第一個核電廠運行許可證延續項目(秦山320MWe機組運行許可證有效期延續項目)在依據《〈核電廠運行許可證〉有效期限延續的技術政策(試行)》的同時,也參照了許多美國核電廠執照更新相關的法規、導則和技術文件[2], 其中GALL報告是核電廠執照更新審查中重要的參考依據之一?；谠趫陶崭律暾埡蛯彶檫^程中發現的新問題和新的經驗反饋,NRC以ISG(Interim Staff Guidance)文件的形式,對GALL報告的內容進行更新和補充。相關經驗反饋的消化吸收及其對我國核電廠的適用性評估,對我國開展日常老化管理和許可證延續工作,完善相關法規要求和監管體系,確保核電廠運行的安全性和經濟性有著十分重要的意義。筆者調研了GALL報告及相關ISG文件的發布背景,全面分析了變更內容,提煉其涉及的老化管理新對象、新技術和新要求,并對執照更新中經驗反饋對我國核電廠老化管理實踐的影響進行初步評價,以期為我國核電廠老化管理工作提供技術支撐和經驗參考。

1 GALL報告的發展歷程

1999年,為對當時核電廠使用的老化管理大綱(AMP)進行評估,明確NUREG-1800中用于確定現有AMP充分性的標準,NRC著手對核電廠通用老化經驗反饋報告進行整理和編制?；?996年出版的NUREG/CR-6490《Nuclear Power Plant Generic Aging Lessons Learned (GALL)》,在全面總結美國核電廠老化相關工業報告、研究報告和執照更新申請審查經驗的基礎上,于2001年發布了NUREG-1801 GALL報告(0版),完成了報告的整體框架和主體內容[3],為核電廠執照更新申請和審查人員提供老化管理審查的總結及表單化、通用老化經驗反饋。2005年,NRC對GALL報告(0版)進行了修改和更新,發布了GALL報告(1版)。2010年,基于國內外運行經驗反饋和執照更新審查過程中積累的新經驗,NRC發布了GALL報告(2版),該報告也成為美國和其他國家開展執照更新申請和審查工作的重要依據。而隨著執照更新審查工作的不斷開展,積累了更多新的執照更新經驗反饋,NRC在20112016年間先后發布了10份ISG文件,以對GALL報告的內容進行補充和完善更新。GALL報告相關文件的發展歷程如圖1所示。

圖1 GALL報告相關文件的發展歷程Fig.1 Development of the GALL report and its related documents

10份ISG文件發布原因主要可分為三種:第一種是GALL報告中引用的文件在GALL報告第2版發布后進行了升版,需要對升版后文件對GALL報告的適用性進行分析。如LR-ISG-2011-02《蒸汽發生器老化管理大綱》的發布,GALL報告中XI. M19蒸汽發生器老化管理大綱中引用的參考文件NEI 97-06,在GALL報告第2版發布后,于2011年升版為NEI 97-06 Rev3,因此發布LR-ISG-2011-02對升版后的NEI 97-06對蒸汽發生器老化管理的適用性進行了評估。第二種是由于不同大綱或老化管理條目間存在沖突,為保持一致性對GALL報告進行的修改。如LR-ISG-2011-01《含硼水環境下不銹鋼構筑物和部件的老化管理》中指出,GALL報告并沒有將壓水堆中含硼水環境中的不銹鋼熱交換器部件的熱交換能力降低作為需要關注的老化效應,而其在沸水堆中卻是由XI.M2章《水化學大綱》和XI.M32章《一次性檢查大綱》共同管理的老化效應。因此,發布相應的ISG文件對GALL報告的條目進行變更以使上述內容保持一致。第三種是隨著核電廠運行時間的延長及執照更新審查經驗的積累,對核電廠老化管理有了更深入的理解和認識,因此需要對原有GALL報告內容進行修改和補充。例如LR-ISG-2013-01《管道和儲罐內表面涂層或襯里老化管理》的發布,是審查人員在執照更新申請審查的過程中發現,老化導致的管道涂層或襯里的完整性失效會造成金屬基材的材料損失及下游設備性能退化,因此開發出一個新的老化管理大綱(XI.M42)以對管道和儲罐內表面涂層/襯里相關的老化效應進行老化管理。

綜上可知,10份ISG文件充分吸收了核電廠執照更新申請審查過程中獲取的最新核電廠運行經驗以及不斷發展的對老化機理的理解和認識,修正了GALL報告中存在不一致的條目和表述,評估了最新的法規、報告等文件對GALL報告的適用性。ISG文件是對GALL報告的進一步補充和修正,是開展日常老化管理和許可證延續等工作的重要參考。

2 執照更新經驗反饋的主要內容

10份ISG文件涉及的最主要內容是針對GALL報告中老化管理大綱的變更[4]。由表1可知,10份ISG文件中涉及變更的主要老化管理大綱共12個,且均為機械設備相關老化管理大綱。特別需要注意,在原本41個機械設備相關老化管理大綱的基礎上,新增了XI.M42《管道和儲罐內表面涂層或襯里老化管理大綱》。通過分析這些ISG文件可知,其主要對與機械設備相關的老化管理大綱進行了更新,涉及蒸汽發生器、管道和儲罐、壓水堆堆內構件、不銹鋼部件等老化管理對象,關注應力腐蝕開裂、硼酸腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、保溫層下腐蝕、侵蝕、腐蝕產物導致的流體阻塞及結垢等導致的開裂、材料損失、內表面涂層/襯里完整性失效、壁厚減薄和熱交換能力下降等老化機理和老化效應。

表1 10份ISG文件的主要內容

此外,ISG文件中對GALL報告的術語及定義也進行了修改和補充,主要涉及材料術語及定義(GALL報告IX.C章)、老化效應術語及定義(GALL報告IX.E章)、老化機理術語及定義(GALL報告IX.F章)中的12個術語條目,其中新增的術語及定義為5個,修改的術語及定義為7個,具體涉及的術語及定義條目如表2所示。

表2 ISG文件對GALL報告中術語及定義的變更

3 執照更新經驗反饋對我國核電廠老化管理實踐的影響

3.1 蒸汽發生器的老化管理

蒸汽發生器是壓水堆的關鍵設備,其老化失效可能會造成核電廠的計劃外停堆,對核電廠的安全運行有著重要影響。因此,應充分識別核電廠蒸汽發生器老化機理和效應,并制定合理有效的老化管理策略。

GALL報告第2版給出了蒸汽發生器老化管理大綱,可用以指導核電廠蒸汽發生器的老化管理工作?；谶\行經驗反饋結果可知,除了GALL報告第2版中蒸汽發生器老化管理大綱規定的老化管理內容外,核電廠蒸汽發生器的隔板組件以及傳熱管與管板間的焊縫處,發生過由應力腐蝕開裂形成的裂紋缺陷,影響蒸汽發生器的結構完整性,危害其安全功能的實現。因此,NRC發布LR-ISG-2016-01[14],給出隔板組件、傳熱管與管板間焊縫發生一回路應力腐蝕開裂(PWSCC)敏感性的評估方法,并將相應的老化管理對策納入蒸汽發生器老化管理大綱。具體來說,運行經驗表明,當材料中Cr的質量分數高于18%時,鎳基合金的耐PWSCC性能顯著增加,至今幾乎沒有含18%～22%Cr的材料發生過開裂,690鎳基合金中Cr的質量分數為27%～31%,具有較好的PWSCC抗性。而600鎳基合金中Cr的質量分數為14%～17%,若同時存在焊接殘余應力或其他附加應力,有可能會發生PWSCC。因此,應對隔板組件和傳熱管與管板焊縫的材料、環境和應力情況進行綜合分析,結合運行經驗和電廠實際情況,對隔板組件及傳熱管與管板焊縫的PWSCC敏感性進行分析,對敏感部件進行定期目視檢查,并通過水化學大綱和蒸汽發生器老化管理大綱對敏感部件的PWSCC進行有效的老化管理。除了隔板組件及傳熱管與管板焊縫PWSCC的老化管理建議外,LR-ISG-2016-01[14]還提出了由硼酸腐蝕導致的蒸汽發生器管道下封頭和管板發生材料損失的相應老化管理對策。

基于上述分析,核電廠在開發蒸汽發生器老化管理大綱的過程中,應考慮將隔板組件、傳熱管與管板的焊縫、下封頭及管板納入老化管理大綱的管理對象,結合核電廠實際情況和運行經驗反饋對PWSCC和硼酸腐蝕敏感部位進行篩選和分析。建議核電廠對蒸汽發生器的隔板組件、傳熱管與管板的焊縫、封頭及管板等進行目視檢查,以識別是否存在銹蝕、開裂等異?，F象,對裂紋等缺陷擴展對安全性的影響進行判斷。同時依據一回路水化學大綱和蒸汽發生器老化管理大綱或其他電廠特定老化管理大綱進行老化管理,以確保蒸汽發生器預期功能的順利實現,保障核電廠運行的安全性。

3.2 含硼水環境中不銹鋼部件的老化管理

通常,壓水堆一回路水化學控制較為嚴格,在溶解氧質量濃度低于5 μg/L以下的環境中,含硼水環境中的不銹鋼部件不易發生腐蝕[15]。然而,一旦含硼水發生泄漏和濃縮,溶解氧含量超標,濃縮的含氧硼酸溶液的腐蝕性將顯著增加,這會增加不銹鋼部件發生點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂等局部腐蝕的風險。

因此,基于LR-ISG-2011-01要求[5],針對服役于溶解氧質量水濃度高于5 μg/L含硼水環境中的不銹鋼部件,在使用水化學大綱進行老化管理的基礎上,增加一次性檢查大綱共同對因上述局部腐蝕導致的材料損失和開裂等老化效應進行老化管理。此外,還應使用一次性檢查大綱和水化學大綱對含硼水環境中不銹鋼傳熱管由于結垢導致的熱交換能力下降的老化效應進行老化管理。具體而言,在使用一次性檢查大綱進行上述老化管理時,應重點識別并關注那些正常工況下不會發生明顯老化降質,但可能存在局部介質濃縮或積聚從而導致局部環境劣化造成非預期老化降質的部件。針對上述部件采用目視檢查、體積檢查、表面檢查等無損檢測方法開展一次性檢查,以證明沒有發生會影響預期功能的嚴重老化降質,進而驗證老化管理大綱的有效性。在檢查時機的選擇上,既應充分識別并保證可能影響預期功能實現的老化效應都得到及時有效的管理,又應充分識別一些潛伏期較長的老化效應?；谏鲜鲆?一次性檢查的時機通常安排在運行許可證到期前10 a內。通過對含硼水環境中不銹鋼部件開展一次性檢查,確保對其進行了充分的老化降質檢查,并對水化學大綱的有效性進行驗證,確保延續運行期間不銹鋼部件的老化不會影響其預期功能的實現。

3.3 埋地管道的老化管理

由于核電廠埋地管道長期埋設在地下較深的位置,對埋地管道進行監測和維護較為困難,其老化降質難以被探測,這給埋地管道的老化管理和安全運行帶來一定的隱患?；贚R-ISG-2011-03[7]的要求,當核電廠不使用陰極保護系統對埋地管道提供保護時,應對埋地管道附近的土壤進行監測,諸如對土壤電阻率、加速腐蝕的細菌、pH、濕度、氯化物、硫化物和氧化還原電位等進行測試,對土壤的整體腐蝕性進行評估,并向監管部門提交相關測試結果和分析報告以說明不進行陰極保護的合理性,或由有資質的人員提交相關分析以證明安裝或運行陰極保護系統是不適用的。此外,當核電廠不使用陰極保護系統時,增加埋地管道的檢查頻率,為保證埋地管道在許可證延續運行期間能夠滿足現行執照標準的功能提供證明。LR-ISG-2011-03還對探測到異常狀況時抽樣檢查的范圍進行了修改,同時對回填料的質量進行關注。同樣的, LR-ISG-2015-01[13]指出,如果核電廠埋地碳鋼或銅合金管道沒有涂層,執照更新申請人還應對沒有使用涂層的情況進行說明,并提供相應的技術依據。ISG文件還修改了陰極保護的驗收準則、極化電位上限等相關的內容。

目前,埋地管道的老化管理是各個核電廠密切關注的內容,很多核電廠也在開發埋地管道專項老化管理大綱,建立埋地管道風險分級策略以及埋地管道檢查與評估的技術方法[16],以對埋地管道進行更加有針對性的老化管理,從而使其在運行許可證延續運行期間的預期功能與當前基準保持一致。

3.4 管道壁厚減薄的老化管理

壁厚減薄是一種常見的管道老化效應,GALL報告第2版中開發了XI.M17流動加速腐蝕大綱來對受流動加速腐蝕(FAC)影響的特定部位進行識別、檢查,采取相應的糾正措施及時修復或更換受到流動加速腐蝕影響發生壁厚減薄的管道,以保證其預定功能的實現。然而,電廠實際運行經驗表明,即使更換了具有更高耐FAC性能的管材(高Cr材料),管道依然會發生壁厚減薄。除流動加速腐蝕外,氣蝕、閃蒸、液滴沖擊和固體顆粒沖擊等也會導致壁厚減薄,且這些老化機理在本質上各不相同,因此并不能通過GALL報告第2版中已有的老化管理大綱對失效的部位進行有效預測和管理,需要采用新的方法解決老化問題。

因此,LR-ISG-2012-01[10]將氣蝕、閃蒸、液滴沖擊和固體顆粒沖擊等導致的壁厚減薄的相關要求加入到GALL報告中,建議根據相關運行經驗和電廠特定情況,開展敏感部件的篩選和識別,并對管道壁厚進行周期性的檢查,制定相應的監測計劃等,從而對管道因氣蝕、閃蒸、液滴沖擊和固體顆粒沖擊等導致的壁厚減薄進行有效的老化管理。

3.5 消防水系統干式噴水管道的老化管理

消防水系統干式噴水管道在有液體流經后,若沒有進行適當的排水、干燥等操作,可能發生腐蝕并造成腐蝕產物堆積。運行經驗表明,干式噴水管道排水干燥不當導致的腐蝕產物堆積會造成管道阻塞,使噴頭無法提供滅火所需的水流,無法執行其預期功能。

根據LR-ISG-2012-02[12]的相關要求,應對核電廠消防系統的干式管道進行排查,對存在流體流動的消防干式管道進行周期性檢查,使用流量測試和壁厚評估等方式對可能發生的材料損失進行老化管理。當消防水系統的管道不能完全排干或會發生水的積聚時,應進行擴充檢查,包括在運行許可證到期前5 a開始,以每5 a的頻率進行流量試驗或充分沖洗以探測是否存在因腐蝕產物堆積造成的管道阻塞問題,或者對無法排干或存在滯水的管道進行100%內表面檢查。運行許可證延續運行期間應每5 a對無法排干或存在滯水的管道長度的20%進行壁厚檢查,以識別可能存在的降質,同時下一個5 a檢查選取的位置應與之前檢查的位置不同。

4 結束語

(1) 基于執照更新申請和審查中發現的新問題和核電廠運行過程中新的經驗反饋,NRC以ISG文件的形式,對GALL報告第2版的內容進行更新和補充討論。建議將ISG文件作為國內核電廠日常老化管理、定期安全審查和運行許可證延續等工作的重要參考文獻,為相關老化和壽命管理工作提供有力的技術支撐和經驗參考。

(2) 通過對美國執照更新中的經驗反饋進行調研,對相關ISG文件的發布背景和主要內容進行全面梳理,總結了其對GALL報告中老化管理大綱的變更影響,并分析相關經驗反饋對蒸汽發生器、含硼水環境下不銹鋼部件、埋地管道、管壁減薄及消防水系統干式噴水管道等老化管理實踐的影響。建議核電廠對照相關內容,對相應老化管理大綱、程序及技術文件是否需要補充、修改作出評價,識別老化管理的潛在偏差項并及時改進,持續提升核電廠老化管理水平,確保核電廠的安全穩定運行。

(3) 建議建立國內老化經驗反饋和管理平臺,形成良好的核電廠運行經驗反饋渠道和反饋機制,指導核電廠老化管理體系的持續優化和改進。同時,在消化吸收國際上核電廠老化管理和執照更新技術體系基礎上,結合國內已有運行許可證延續申請經驗和成果以及國內運行許可證延續工作的實際特點和需求,進一步完善運行許可證延續技術體系,逐步形成適合國內核電廠運行許可證延續實踐和核電廠群堆化老化管理需求的指導文件和技術體系。