承插管道泄漏原因分析

顏令博，焦中杰

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200000）

電站消防系統(tǒng)由火災(zāi)探測和報警設(shè)備、消防水供給設(shè)備、自動和手動滅火設(shè)備等組成?；馂?zāi)探測和報警設(shè)備包括探測和確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生地點所需的儀控裝置、報警裝置、FPS 自檢裝置和自動滅火觸發(fā)裝置。

消防系統(tǒng)為核反應(yīng)堆廠房（以下簡稱“核島”）、汽機(jī)廠房（以下簡稱“常規(guī)島”）及核島和常規(guī)島以外的配套建筑物、構(gòu)筑物及其設(shè)施（以下簡稱“BOP”）等提供火災(zāi)保護(hù)。

核電站消防系統(tǒng)水壓是由2 個電動穩(wěn)壓泵、1 個電動消防泵和1 個柴油機(jī)消防泵所建立。消防水是由消防泵從2 個獨立的水箱中輸送的，2 個水箱之間設(shè)常關(guān)聯(lián)通閥。電動穩(wěn)壓泵給消防集管供水，以保證管道長期維持壓力穩(wěn)定。穩(wěn)壓泵在其就地控制盤上投入運行，由各自的壓力開關(guān)控制。當(dāng)系統(tǒng)需求超過穩(wěn)壓泵的能力時，集管的壓力下降，電動消防泵啟動來提供消防水。1 個消防泵就能提供要求的全部消防水量。如果電動消防泵啟動失敗或系統(tǒng)需求超過該泵的能力，集管的壓力下降，柴油機(jī)消防泵啟動。電動消防泵或者柴油消防泵一旦啟動，只能在就地控制盤上使其停運。

消防水系統(tǒng)提供正常余熱排出泵和正常余熱排出熱交換器的備用冷卻。

1 消防系統(tǒng)管道承插管道介紹

承插管道是將管子或管件一端的插口插入欲接件的承口內(nèi)，并在環(huán)隙內(nèi)用填充材料密封。填充材料主要有柔性的青鉛、彈性橡膠密封圈和水泥砂漿等。承插連接主要用于鑄鐵管、鋼筋混凝土管和塑料管等連接。承插式管道接口可以簡化制造工藝、降低制造成本，并且提高承載強度。

T 型承插口屬于標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)包括3 個部分，較大的承口、較小的插口及橡膠密封圈。密封圈位于承口和插口中間。國標(biāo)T 型承插口結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 國標(biāo)T 型承插口結(jié)構(gòu)圖

2 承插管道漏水事件描述

2.1 試驗背景描述

一些汽機(jī)廠房的火災(zāi)可能會引起設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和廠用水系統(tǒng)功能的喪失。在電站冷卻期間，正常余熱排出系統(tǒng)用于導(dǎo)出堆芯衰變熱，如果在此期間發(fā)生這樣的火災(zāi)，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和廠用水系統(tǒng)的喪失將會引起冷卻堆芯能力的喪失。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)設(shè)置有一條與消防系統(tǒng)連接的管線，用于在這種情況下向正常余熱排出熱交換器提供冷卻水。其他所有設(shè)備冷卻水用戶將與消防系統(tǒng)水隔離，只有1 個正常余熱排出熱交換器能被冷卻?；馂?zāi)保護(hù)水流通過正常余熱排出熱交換器后，從專門的排放管線流到輔助廠房地坑。

消防系統(tǒng)供、回水管線用臨時的軟管和有足夠容量的便攜式風(fēng)冷熱交換器和循環(huán)泵底座連接起來。這個便攜式泵被用作向正常余熱排出熱交換器提供水流以導(dǎo)出堆芯衰變熱。

2.2 承插管道泄漏過程描述

在設(shè)備冷卻水完成流量分配試驗，所有流量孔板尺寸均確定之后，試驗負(fù)責(zé)人依據(jù)設(shè)備冷卻水系統(tǒng)預(yù)運行試驗程序執(zhí)行消防系統(tǒng)向設(shè)備冷卻水系統(tǒng)補水流量試驗。本試驗需求消防系統(tǒng)電動消防泵MP-01A 處于在線狀態(tài)，柴油消防泵被隔離。試驗負(fù)責(zé)人指派試驗組成員就地依次打開消防系統(tǒng)補水隔離閥V440 和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的隔離閥V309，消防系統(tǒng)集管壓力瞬間降低，電動消防泵MP-01A 壓力低自動聯(lián)啟，電動消防泵側(cè)人員調(diào)節(jié)電動消防泵再循環(huán)閥V009A 控制系統(tǒng)壓力在1.31 MPa 左右，最后全關(guān)再循環(huán)閥門，消防系統(tǒng)向設(shè)備冷卻水系統(tǒng)補水流量達(dá)到最大值，完成試驗流量驗證，流量試驗期間電動消防泵MP-01A 一直處于運行狀態(tài)，就地關(guān)閉設(shè)備冷卻水系統(tǒng)V309 和消防系統(tǒng)V440，在關(guān)閉設(shè)備冷卻水系統(tǒng)V309 后，消防系統(tǒng)壓力立即上升到1.46 MPa，就地手動停運電動消防泵，3 s 后由于系統(tǒng)壓力降低，電動消防泵MP-01A 再次啟動將壓力穩(wěn)定在1.37 MPa，再次手動將電動泵停運，幾秒鐘后電動消防泵因壓力低第三次啟動，壓力無法穩(wěn)定在1.03 MPa 以上，并且電動消防泵控制柜顯示電動消防泵電流超流，立即切斷電動消防泵電源。與此同時，消防系統(tǒng)壓力瞬間降為0，柴油消防泵房人員匯報柴油消防泵房地板下面出現(xiàn)大面積漏水，隔離柴油消防泵出口泄漏點，手動啟動消防穩(wěn)壓泵MP-02，10 min左右消防系統(tǒng)壓力恢復(fù)正常。消防系統(tǒng)壓力瞬時變化曲線如圖2 所示。

圖2 消防系統(tǒng)壓力瞬時變化曲線

2.3 現(xiàn)場情況踏勘

在事件發(fā)生后，消防系統(tǒng)小組對漏水處進(jìn)行現(xiàn)場檢查，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)柴油消防泵房下面消防泵出口管L009B 的承插接口發(fā)生漏水，現(xiàn)場核實情況如下。

（1）承插口整體布置在工作坑內(nèi)，坑底混凝土有1個開孔。出口管通過法蘭與彎頭連接，彎頭最下部焊接1 個帶法蘭的大小頭變徑，然后大小頭的法蘭連接白色插口管，最終插入球磨鑄鐵承口。

（2）插口管為30.48 cm 碳鋼管道，承口管道為30.48 cm 球磨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)件，未見有卡箍等加固措施。

（3）混凝土孔直徑與承口外徑一致，由于插口管外徑比承口管小，說明混凝土未與插口管道發(fā)生接觸。即混凝土沒有對插口管道起到固定作用。

（4）柴油消防泵房為框架式鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)外安裝彩鋼板。所有支撐都固定在廠房鋼結(jié)構(gòu)上，未在混凝土上生根。

（5）排水后發(fā)現(xiàn)橡膠密封圈部分脫出，出口管向上移動約50 mm，造成與其相連的再循環(huán)管支撐受積壓變形。

現(xiàn)場檢查情況如圖3 柴油消防泵出口管插口漏水點和圖4 柴油消防泵管道變形支架所示。

圖3 柴油消防泵出口管插口漏水點

圖4 柴油消防泵管道變形支架

3 原因分析

柴油消防泵出口承插口整體布置在工作坑內(nèi)，柴油消防泵出口管通過法蘭與彎頭連接，彎頭最下部焊接1 個帶法蘭的大小頭變徑，然后大小頭的法蘭連接插口管，最終插入球磨鑄鐵承口。插口管為40 cm 碳鋼管道，承口管道為40 cm 球磨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)件。根據(jù)當(dāng)時系統(tǒng)壓力進(jìn)行受力分析計算，當(dāng)時進(jìn)行試驗時最高系統(tǒng)壓力為1.46 MPa，管道為內(nèi)徑約305 mm。作用在管道橫截面的力為

相當(dāng)于10 t 重的物體產(chǎn)生的重力，在承插口軸向沒有加強緊固措施和管道支撐限位的情況下，在如此大的壓應(yīng)力作用下，管道向上發(fā)生移動，出現(xiàn)漏水事件。

經(jīng)查找發(fā)現(xiàn)此類承插管道存在于消防系統(tǒng)集管與核島、常規(guī)島廠房之間連接處、2 個消防水箱之間埋地管道、核島廠房與BOP 廠房連接處等，相比較而言，此處管道壓力變化較大，支撐較為薄弱，發(fā)生泄漏概率更高?；谠摻?jīng)驗反饋對其原因做如下分析。

3.1 設(shè)計變更問題

根據(jù)現(xiàn)場的核實情況和設(shè)計部門的反饋，原始設(shè)計的室外埋地消防管道，材質(zhì)為球磨鑄鐵，公稱壓力等級CL350，管道材料標(biāo)準(zhǔn)為AWWA-C151/A21.51，管道涂層要求為AWWA-C104/A21.4，外涂瀝青，內(nèi)襯水泥，連接方式為法蘭。

由于在國內(nèi)按照原設(shè)計要求未采購到美標(biāo)的球磨鑄鐵管道，于是在現(xiàn)場發(fā)起材料替代用國標(biāo)GB/T 13295—2019《水及燃?xì)庥们蚰T鐵管、管件和附件》材料替代美標(biāo)材料。原來的內(nèi)襯水泥砂漿的法蘭連接管道，變更為國標(biāo)壁厚等級的K9 系球磨鑄鐵管道，公稱壓力2.50 MPa，變更后的連接方式為T 型承插連接。

設(shè)計要求對變更后的承插口應(yīng)該使用管箍和拉桿進(jìn)行加固，并認(rèn)為這不屬于設(shè)計職責(zé)。

國內(nèi)此類承插管道多用于及主要用于市政、工礦企業(yè)給水、輸氣和輸油等。在此變更中未考慮法蘭連接變更為T 型承插口連接，在自然狀態(tài)下連接處不能承受拉應(yīng)力。

3.2 施工問題

在設(shè)計變更后，施工單位初步確定用8 根螺栓和4 片管夾分別夾緊插口和承口管道，然后將管夾焊接在管道，最后通過4 個中間開孔的墊圈和2 根雙頭長螺栓，將2 對管夾緊固。但由于變更中并未明確管箍與碳鋼管道的焊接方式，也未明確管箍在管道軸向上的位置，而且在后續(xù)安裝施工中沒有及時進(jìn)行澄清，所以該加強措施最終沒有實施。

根據(jù)系統(tǒng)和管道設(shè)計要求，在埋地承插管道安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行建安水壓試驗，施工單位發(fā)現(xiàn)無法進(jìn)行保壓，經(jīng)過設(shè)計澄清，施工單位對埋地承插管道的承口位置澆筑混凝土支墩。支墩安裝完成后，施工單位對埋地管道進(jìn)行了回填工作。在此基礎(chǔ)上建安管道水壓試驗順利完成，為后續(xù)防止埋地管道泄漏提供可靠保障，同時也為后續(xù)問題的發(fā)生埋下隱患。

3.3 調(diào)試、生產(chǎn)問題

在系統(tǒng)聯(lián)檢移交過程中，調(diào)試和生產(chǎn)方均未識別此變更潛在風(fēng)險，并且在現(xiàn)場聯(lián)檢過程中未認(rèn)識到此缺陷。

在消防系統(tǒng)試驗過程中，未出現(xiàn)承插管道泄漏，存在本身試驗未能將系統(tǒng)設(shè)備性能驗證齊全的可能性，調(diào)試和運行人員應(yīng)認(rèn)真分析試驗是否滿足系統(tǒng)本身功能需求。

綜上所述，設(shè)計、施工及調(diào)試等各方屏障突破，是造成承插口泄漏的主要原因。

4 后續(xù)處理措施

在明確原因后，為解決消防系統(tǒng)承插口泄漏問題，設(shè)計方發(fā)布變更文件對承插口該使用管箍和拉桿進(jìn)行加固，設(shè)計文件確定用8 根螺栓和4 片管夾分別夾緊插口和承口管道，然后將管夾焊接在管道，最后通過4個中間開孔的墊圈和2 根雙頭長螺栓，將2 對管夾緊固。承插管道加固措施如圖5 所示。設(shè)計通過計算證明可以固定承插管道，能夠保證系統(tǒng)在正常運行壓力下長期穩(wěn)定運行。消防系統(tǒng)所有承插管道重新按照此方式進(jìn)行支撐修改，施工完成后設(shè)計評估之前完成試驗有效性，同時設(shè)計、調(diào)試和生產(chǎn)各方共同討論是否需要增加試驗，證明消防系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖5 承插管道加固措施

5 結(jié)束語

在設(shè)計方面發(fā)生變更時，變更后的設(shè)計一定要滿足或者超過最初的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在建安階段或其他階段系統(tǒng)需要進(jìn)行的壓力試驗或其他試驗不能無故增加臨時措施，防止問題無法提前暴露，增加后續(xù)解決問題的難度，浪費大量人力物力。在核電站中應(yīng)用的任何技術(shù)都應(yīng)做到安全運行，避免上述類似事件的發(fā)生。

核電廠的屏障是核電廠安全建設(shè)、運行的基本保障，每個工作層級都應(yīng)認(rèn)真履行其職責(zé)，避免核電廠的屏障失效。