劉文靜 謝峰 韓勇 游洲 李朋
【摘 要】早期核電廠的設(shè)計(jì)中,主要從經(jīng)濟(jì)角度確定設(shè)計(jì)壽命。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,核電廠到設(shè)計(jì)壽命時(shí),主體仍可安全運(yùn)行。為進(jìn)一步確定核電廠壽期內(nèi)及延壽后的安全性,開展了老化管理工作。電儀設(shè)備的老化評(píng)估篩選是老化管理的重要組成部分。通過對(duì)重要度、老化的敏感度和難易度3項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)分,篩選出需進(jìn)一步老化研究和管理的設(shè)備清單,以保證在滿足安全性的同時(shí),經(jīng)濟(jì)合理地開展老化研究和管理工作。
【關(guān)鍵詞】核電廠;老化管理;電儀設(shè)備;篩選
0 引言
1956年,英國CalderHall核電廠投產(chǎn),標(biāo)志著核電正式開始商用。早期的核電廠設(shè)計(jì)壽命是基于投資回報(bào)得出的,通常是30年到40年。然而,實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,超出設(shè)計(jì)年限后,核電廠主體仍然處于安全可用狀態(tài),滿足安全運(yùn)行要求,這就使得原有核電廠的延壽成為可能,從而進(jìn)一步提升其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益。
核電廠有眾多系統(tǒng)、構(gòu)筑物和部件(SSCs),因使用材料、功能、使用環(huán)境等各種因素的差異,部分設(shè)施難以達(dá)到電廠的設(shè)計(jì)壽命,更不可能滿足延壽要求。為了保證核電廠的安全運(yùn)行,并為延壽工作提供技術(shù)保障,核電廠的老化管理逐漸受到重視。
目前,世界范圍內(nèi)已開展了一些關(guān)于核電廠設(shè)備老化的研究,其中以美國的研究最為深入。目前比較著名的是GALL(Generic Ageing
Lessons Learned)和IGALL(International Generic Ageing Lessons Learned)。研究的內(nèi)容既包括老化帶來的SSCs的性能下降,也包括技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和管制要求更新帶來的改進(jìn)需求。核電廠中,僅設(shè)備就數(shù)以萬計(jì),如果對(duì)所有SSCs均進(jìn)行老化管理,則工作量十分浩大,既難以執(zhí)行,也無必要。為保證老化管理工作的有效展開,兼具合理的經(jīng)濟(jì)性,需要借鑒分級(jí)的思想,對(duì)設(shè)備進(jìn)行老化評(píng)估篩選,視具體情況采取不同的老化管理策略。
1 老化評(píng)估篩選
1.1 老化管理的基本思想
老化管理,理論上涉及到核電廠的所有系統(tǒng)、構(gòu)筑物和部件,需要對(duì)其定量分析和評(píng)價(jià),制定維護(hù)、在線監(jiān)測、試驗(yàn)、監(jiān)控、運(yùn)行、技術(shù)支持等與老化密切相關(guān)的程序和活動(dòng)。
核電廠在設(shè)計(jì)之初,為達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡,廣泛采用了以安全為衡量標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)思想,根據(jù)SSCs對(duì)核安全的影響,對(duì)其進(jìn)行核安全分級(jí)。這種分級(jí)也成為老化評(píng)估篩選的主要依據(jù)。
在老化篩選中,首先關(guān)注安全相關(guān)的SSCs,即它們能:(1)保持反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的完整性;(2)使反應(yīng)堆停堆并保持在安全停堆狀態(tài);(3)防止或減少向環(huán)境釋放大量放射性的事故后果。核電廠老化管理重點(diǎn)關(guān)注安全級(jí)別高,老化效應(yīng)對(duì)電廠運(yùn)行影響嚴(yán)重的SSCs,如反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等。
對(duì)于非安全的SSCs,一般不予考慮。但是一些非安全的SSCs,其失效可能會(huì)影響安全功能的執(zhí)行,即安全重要的非安全相關(guān)類,則也應(yīng)篩選出來。
另外一些重要的專項(xiàng)要求也需要考慮,如影響電廠安全的防火(FP)、環(huán)境鑒定(EQ)、預(yù)期瞬態(tài)未停堆(ATWS)以及涉及全廠斷電(SBO)的SSCs也應(yīng)納入老化管理的范疇。
1.2 老化評(píng)估篩選的步驟
老化評(píng)估篩選分為兩個(gè)步驟和四個(gè)判據(jù)。第一步是根據(jù)系統(tǒng)或構(gòu)筑物的安全分級(jí)篩選,第二步是確定需要開展老化管理研究的設(shè)備清單,見圖1:
步驟1:根據(jù)系統(tǒng)或構(gòu)筑物的安全分級(jí)篩選
列出全廠的系統(tǒng)清單及其安全分級(jí)。如果其與核電廠安全無關(guān),則不需要進(jìn)一步老化評(píng)價(jià)和篩選。如果其與核電廠安全有關(guān),則保留,以供進(jìn)一步篩選。
系統(tǒng)的安全功能在設(shè)計(jì)時(shí)已進(jìn)行了劃分,此步驟可直接根據(jù)設(shè)計(jì)成果,篩選出的是一份較短的特定系統(tǒng)清單。
步驟2:確定需開展老化研究的設(shè)備和部件清單
根據(jù)步驟1篩選出的系統(tǒng)清單,進(jìn)一步列出組成這些系統(tǒng)的設(shè)備和部件。因各設(shè)備和部件功能、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式以及已有的老化管理方式的不同,并非都需要進(jìn)一步開展老化研究。為此,總結(jié)了3個(gè)判據(jù),依次進(jìn)行詳細(xì)分析,定量評(píng)價(jià),完成進(jìn)一步篩選。
1)確定設(shè)備失效是否會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)安全功能喪失,應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素:
(1)當(dāng)部件不能滿足其最低限度性能要求(包括所需的安全裕度)時(shí),認(rèn)為設(shè)備和部件失效;
(2)假定性能劣化是由老化造成的;
(3)根據(jù)設(shè)備和部件對(duì)安全功能的重要性分別考慮;
(4)不考慮設(shè)備和部件的多重性或多樣性。
2)確定老化引起的性能劣化是否可能導(dǎo)致設(shè)備失效,應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素:
(1)將設(shè)備和部件的設(shè)計(jì)壽命作為評(píng)價(jià)失效可能性的依據(jù);
(2)需考慮當(dāng)前對(duì)設(shè)備和部件老化機(jī)理的掌握程度;
(3)分析設(shè)備和部件失效的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)和電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
3)分析目前的運(yùn)行維修方式是否能及時(shí)探測到設(shè)備的老化引起的性能劣化,應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素:
(1)現(xiàn)有的設(shè)備和部件工況指標(biāo)是否適合用于監(jiān)測老化所致的性能劣化;
(2)現(xiàn)有的技術(shù)是否能有效監(jiān)測這些工況指標(biāo);
(3)現(xiàn)有的運(yùn)行、維護(hù)方式是否合適。
步驟2完成后,便完成了設(shè)備和部件老化的評(píng)估篩選工作,得到了一個(gè)量化的用于進(jìn)一步老化分析的設(shè)備清單。
2 方家山核電廠電儀設(shè)備的老化評(píng)估篩選
2.1 電儀設(shè)備老化評(píng)估篩選的方法
電儀設(shè)備的老化評(píng)估篩選在上述步驟的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化和補(bǔ)充,從重要性、老化的可能性和難易度三個(gè)維度設(shè)定了量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。
2.1.1 重要性得分
重要性得分從安全等級(jí)和概率安全評(píng)價(jià)(PSA)兩方面考慮,各設(shè)定3個(gè)等級(jí),得分為從高到低依次為3、2、1,選取兩者最高得分作為重要性得分。安全等級(jí)主要反映了設(shè)備在核安全分級(jí)上的重要性,而PSA得分則兼顧了安全重要的非安全相關(guān)類設(shè)備,這兩類得分依據(jù)均可從設(shè)計(jì)文件中獲得。
2.1.2 可能性得分
老化的可能性得分充分借鑒了國際國內(nèi)已有的工作成果,評(píng)定的依據(jù)是經(jīng)驗(yàn)反饋和GALL/IGALL是否關(guān)注。同類電廠的經(jīng)驗(yàn)反饋?zhàn)罹哂锌杀刃裕?分;GALL和IGALL分別是美國核管會(huì)(NRC)和國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)發(fā)布的核電廠老化研究報(bào)告,系統(tǒng)地介紹了核電廠老化經(jīng)驗(yàn)反饋,被報(bào)告關(guān)注的設(shè)備定為2分;來自其它途徑的經(jīng)驗(yàn)反饋則定為1分。三類經(jīng)驗(yàn)反饋分別評(píng)定后,取最大值為可能性得分。
2.1.3 難易度得分
難易度得分主要根據(jù)是否能動(dòng)及壽命長短來考慮。
能動(dòng)設(shè)備或部件:依靠觸發(fā)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力源等外部輸入工作的設(shè)備或部件,因而能以主動(dòng)態(tài)影響系統(tǒng)的工作過程的設(shè)備或部件。能動(dòng)設(shè)備和部件的例子有:泵、風(fēng)機(jī)、繼電器和晶體管等。實(shí)際上這一定義只能是比較籠統(tǒng)的(非能動(dòng)部件的定義也是如此)。某些部件,如某些固態(tài)電子器件等,需要對(duì)其特性進(jìn)行專門研究后方可列屬能動(dòng)部件或非能動(dòng)部件。能動(dòng)電儀設(shè)備主要有:電機(jī)、空壓機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、閥門(主要指驅(qū)動(dòng)頭)、各類傳感器、開關(guān)裝置、配電裝置、冷卻風(fēng)機(jī)、晶體管、電池、斷路器、繼電器、變壓器、電源逆變器、電池充電器、電源等。
非能動(dòng)設(shè)備或部件:不依靠觸發(fā)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力源等外部輸入工作的設(shè)備和部件。非能動(dòng)設(shè)備或部件內(nèi)一般沒有活動(dòng)的組成部分,其功能的執(zhí)行系統(tǒng)在感受到某種參數(shù),如壓力、溫度、流量的變化后完成。此外,基于不可逆動(dòng)作或變化,又十分可靠的設(shè)備或部件,也可劃為這個(gè)類別。非能動(dòng)電儀設(shè)備主要有:接線盒、電纜和接頭、電氣貫穿件等。
短壽命:基于鑒定壽命或規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行周期更換的設(shè)備和部件。
長壽命:不是基于鑒定壽命或規(guī)定的時(shí)間周期進(jìn)行更換的設(shè)備和部件。
對(duì)于能動(dòng)、短壽命的設(shè)備和部件,一般其老化管理研究比較充分,有充足的成果和經(jīng)驗(yàn),運(yùn)行維護(hù)中也容易監(jiān)測到其性能的劣化,因而分值較低。反之,非能動(dòng)、長壽命的設(shè)備和則得分較高,需要進(jìn)一步研究。非能動(dòng)長壽命設(shè)備和為3分,非能動(dòng)易老化部件為2分,其余則為1分。
按照上述3項(xiàng)指標(biāo)的乘積得出綜合值,見圖2。根據(jù)綜合值進(jìn)行分級(jí)和排序,得出設(shè)備的老化管理分級(jí),為下一步老化管理工作提供依據(jù)。結(jié)果分為三級(jí),綜合值18-27為一級(jí)(關(guān)鍵),綜合值為7-17的定為二級(jí)(重要),綜合值為1-6的定為三級(jí)(一般)。
將篩選初定SSCs按設(shè)備類型、材質(zhì)、運(yùn)行環(huán)境、溫度、老化效應(yīng)等參數(shù)進(jìn)行歸類,得到老化管理的一、二、三級(jí)設(shè)備清單。將納入老化管理的設(shè)備;逐一進(jìn)行部件分級(jí)并確定出老化管理的重要部件,得到老化管理設(shè)備部件清單,完成老化評(píng)估篩選工作。
2.2 方家山電儀設(shè)備的老化評(píng)估篩選結(jié)果
按照上述設(shè)備老化篩選方法,篩選出滿足執(zhí)行安全功能\FP\EQ
\ATWS\SBO的系統(tǒng)約占核電廠所有系統(tǒng)的28%,納入老化管理的電儀設(shè)備約占全廠電儀設(shè)備的9%左右,其中一級(jí)設(shè)備占5%,主要為電氣接線盒、貫穿件、連接器,二級(jí)設(shè)備占1%,有部分輻射監(jiān)測表、堆外核測探測器、柴油發(fā)電機(jī)等,三級(jí)設(shè)備占6%,為其他安全相關(guān)的機(jī)柜、儀表、泵等。對(duì)于一級(jí)設(shè)備需優(yōu)先關(guān)注并制定專門的老化管理大綱,對(duì)于二級(jí)設(shè)備應(yīng)明確其老化機(jī)理,持續(xù)關(guān)注老化狀態(tài),對(duì)于三級(jí)設(shè)備則應(yīng)關(guān)注業(yè)界經(jīng)驗(yàn)反饋,必要時(shí)進(jìn)行老化管理審查。
3 總結(jié)
目前,國內(nèi)核電進(jìn)入了高速發(fā)展階段,國內(nèi)數(shù)個(gè)機(jī)組處于在建或在役狀態(tài),同時(shí)也有秦山一廠這樣將要到達(dá)設(shè)計(jì)壽命的電站。鑒于核電廠安全運(yùn)行和延壽的需要,對(duì)設(shè)備的老化管理將日益受到重視。本文參考HAD導(dǎo)則和IAEA報(bào)告,以設(shè)備的核安全分級(jí)為基礎(chǔ),結(jié)合設(shè)備自身老化特性、已有的運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn),制訂了適合我國情況的老化篩選方法,為經(jīng)濟(jì)合理地開展老化工作奠定了基礎(chǔ)。通過在方家山項(xiàng)目上實(shí)施的篩選結(jié)果看,與國際上重點(diǎn)關(guān)注的老化設(shè)備類型基本一致。
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[責(zé)任編輯:王楠]