核电厂老化管理与寿命评价的技术开发和应用728窦一康

1、核电厂老化管理与寿命评估的技术开发和应用窦一康上海核工程研究设计院核电厂设备评估与寿命工程技术中心，200233摘要：核电厂老化与寿命管理正日益成为核电厂业主、核安全监管部门、核电厂技术支持单 位所关注的问题，运行核电厂老化管理相关的各项活动正在积极开展，各研究设计单 位在大力开展相关研究开发的同时积极为电厂提供各类服务，核安全监管部门也在酝 酿制定老化管理相关的监管要求。本文从技术支持单位的视角出发，在对国际上建立 老化管理核安全监管要求的背景情况作简要介绍的基础上，介绍了上海核工程研究设 计院在核电厂老化管理与寿命评估方面的技术开发和应用，以及在此过程中的体会， 最后对如何建立和完善我国核

2、电厂老化管理监管体系提出一些建议。关键词：老化管理、监管体系、技术开发、定期安全审查、建议背景情况核电厂能否安全、可靠、稳定、经济地运行是世界核工业界普遍关注的问题， 而运行核电厂设备的状态是安全性能的直接反映。随着世界上二十世纪六、七十 年代建造的核电厂逐步进入寿命后期，由核电厂设备老化引起的核安全问题日愈 成为公众注意的焦点。从核安全监管的角度出发，对核电厂老化管理应遵循的原 则、可参照的导则、如何对核电厂设备的实际安全裕度进行评估、如何开展核电 厂老化管理以及如何对核电厂的老化管理进行审查等给出一系列管理规定，将有 助于推进核电厂老化管理工作的系统化、规范化地开展，并提高运行核电厂的核

3、安全水平；从业主的角度出发，如何在满足老化管理相关的核安全监管要求、保 证核安全的前提下，通过有效的寿命/健康管理使核电厂的寿命得以延长，进而 最大限度地获得投资回报是应给予充分考虑的问题。因而，近年来，核电厂设备 的状态评估、老化管理以及电厂的寿命管理得到各主要核工业国家和国际组织的 重视。美国、日本、法国、国际原子能机构（IAEA）等从评估手段的建立、评估方 法的开发应用、检测方法的提高和系统化老化管理方法的推广应用等不同的方面 开展或促进了很多相关科研课题，试图从中获得带有普遍性的经验，以推广到各 运行核电厂。各主要核电发达国家开展核电厂老化管理研究和应用有以下特点： 1）有完善的运行、

4、维护和设备评估经验反馈体系；2）有完善的状态监测体系； 3）推行系统化的老化管理过程；4）有完善的数据库管理系统；5）有外部技术 支持单位直接参与核电厂设备评估和寿命管理活动；6）核安全监管部门直接介入，并在法规、导则的制定等方面起主导作用。就核电厂老化管理监管体系而言，目前国际上主要有两大有代表性的体系， 一是IAEA推行的系统化老化管理监管体系，另一是美国NRC推行的以核电厂执 照更新申请审查为主要形式的监管体系。近20年来，IAEA的工作主要经过了三 个阶段：1） 通过组织一系列的研讨会、讲习班，不断加深各成员国对核电厂老 化退化及其对安全性影响的认识，有代表性的文件是：1990年出版的

5、“核电厂 老化的安全方面” 1；2）制定一系列老化管理相关导则，用于指导各成员国开 展老化管理相关活动，有代表性的文件有：1991 年出版的“核电厂老化数据收 集和记录保存”2，1992年出版的“核电厂安全重要设备的老化管理方法”3， 1999年出版的“老化管理大纲的实施和审查”4，1998年出版的“运行核电厂 设备合格鉴定” 5，1999出版的用于老化管理审查的导则“老化管理审查队的导 则和参考文件”6，以及1998年以后出版的针对具体部件的一系列老化管理导 则；3）对老化管理导则的应用、推广，这是IAEA当前在老化管理方面的主要关 注点，通过举办一系列的培训班、提供专家服务、组织跨国家、跨

6、地区的研讨会 等多种形式，宣传推广已形成的老化管理导则，使之最大限度地用于指导运行核 电厂的实践。美国核电厂执照更新制度所依据的文件体系首先是NRC制定的联邦 法规10CFR54W（核电厂运行执照更新的要求），该文件给出核电厂执照更新申请 的法律依据和基本要求。以上述联邦法规为依据，NRC又制定了实施执照更新申 请的导则，RG1.188，对核电厂运行执照更新申请的标准格式和内容作了规定， 同时，美国核能研究所（NEI）也出版了工业导则NEI95-10M，对业主如何按 10CFR54的要求进行执照更新的申请给予诠释性的指导，另一方面，为了指导NRC 人员审查业主提出的核电厂执照更新申请，NRC还

7、发布了标准审查大纲180010 和1801ii，其中1800是综合性导则，1801则要求NRC人员在审查过程中按表单 形式的GALL （Generic Aging Lessons Learned）报告的要求，对核电厂已有的 管理大纲和程序在电厂执照更新后是否要补充、修改做出评价，该标准审查大纲 虽然是给审查人员用的，但对核电厂建立适当的老化管理大纲或体系也具有重要 的参考价值，值得我国核安全监管部门、核电厂业主及其技术支持单位借鉴、参 考。我国第一座自主设计建造的核电厂秦山核电厂投入运行的已有14年， 目前共有9台机组，共670万千瓦的装机容量投入运行。当前，我国核电正处于 加快发展的阶段，至

8、2020年我国核电的装机容量将达到4000万千瓦，按百万千 瓦机组计，将新增30多台机组。由于核电厂老化管理对设计、建造、调试、运 行等各方面的资料有很大的依赖性，因此，在核电厂设计阶段应充分考虑将来开 展老化管理的需求，从核电厂一开始投入运行即应着手开展老化管理的基础性工 作。在新版的国家核安全法规核动力厂设计安全规定（HAF102）和核动力 厂运行安全规定（HAF103）E对此作了相应的规定，这将有利于促进我国核电 厂在设计、建造和早期运行阶段就未雨绸缪，积极为开展系统化的老化管理创造 条件，为核电厂长期安全、稳定运行打下基础。但这仅仅是第一步，要建立我国 核电厂老化管理监管体系还需要做大

9、量的工作，其中既包括政府管理部门、监管 当局从政策、战略层面的宏观把握，也包括核电厂业主从具体实践上的总结提炼， 还包括研究设计院等各单位在管理方法、分析评估、技术支持等方面的研究开发。核电厂老化管理和寿命评估的技术开发核电厂老化管理和寿命评估是一项技术性强、综合面广的系统性工作，从核 电厂日常的工作内容看，涉及运行、检查、监督和维护等各个方面的管理和技术 积累，从专业层面看，涉及设备设计、结构力学、材料、焊接、腐蚀与防护、水 化学、无损检测、仪电、核安全、数据库技术等多学科。因此，除了核电厂业主 从电厂内部管理的角度开展相关的基础性工作外（如老化管理体系的建立和完 善、瞬态统计、记录保存等等

10、），还需要外部的组织在上述若干项领域内建立必 要的技术储备、提供充分的技术支持。国家核安全监管部门从对核电厂安全运行 进行有效的监督和管理的角度出发，需要制定相关的法规和导则，或推荐采用相 应的规范和标准，来指导核电厂的运行、检查、评估和维护等行为，而适用的法 规、规范或标准的制定，需要有大量基础数据、研发成果和运行经验的积累。上 海核工程研究设计院作为我国第一座自主设计建造的秦山核电厂的总体设计院， 专业配置齐全完整，对核电厂系统、构筑物和部件的设计、分析、检查和评估有 全面了解，较早开展了核电厂老化管理和寿命评估方面的规划和研究开发工作 121。4为促进电厂核电厂老化管理和寿命评估相关的研

11、究开发和服务工作，我院 成立了跨部门的核电厂设备评估和寿命工程技术中心，以统合资源、优势互补。为了使相关的科研开发能切实满足老化管理核安全监管的要求，更能针对运 行核电厂的实际需求，做到可持续发展，需要将研究开发的内容分成若干模块， 逐步加以实施。图2.1给出了各开发的模块及其相互关系。相关规范标准的理解、运用和开;ASME系歹ijASME-B&PV III, ASME-B& NRC有关导则10CFR50、.RG1.199、1.154、1.18IAEA老化管理系列导则.安全系列、技术系列、1EJ/T 1033-96 （防快速断裂 各相关技术规范标准的编制分析评价工具的配置和开发ANSYS 通用

12、有限元结构分析MARC非线性断裂分析 J积分，ASME XI）PATRAN有限元建模公共平台FATIGUE疲劳断裂计算（裂纹扩展速率da/dN）CFX 流体动力学计算SHOCK 承压热冲击分析评定23PFMAC 概率断裂力学分析18老化管理专用软件的开发应用（CHECWORKS, COMSY等）材料性能和老化退化机理的试验研究反应堆环境对奥氏体不锈钢、低合金钢.疲劳性能的影响24271国产508-III钢及碳钢应用可靠性研究2830反应堆压力容器和堆内构件监督与寿 命评价技术研究M33蒸汽发生器传热管材料性能和结构完整性研究34371核电厂压力边界材料性能研究38旬 设备材料性能数据库的开发附

13、1E级电缆老化性能试验研究核电厂安全相关SSCs的主要老化机理 及其缓解对策的研究沿海核电厂海水系统管道设备腐蚀与 防护研究43分析评估和老化管理方法的建立核电站关键部件在实际运行工况下的结构完整性分析.和评定15.反应堆压力容器承压热冲击断裂分析和评定16关键设备在役检查发现缺陷后的分析评价方法研究17管道异常或突发事件情况下可靠性分析及预测技术结构完整性分析的概率评价系统研究18辐照监督结果审评与压力温度限值修订19核电厂重要转动设备役前和在役状态评价核电厂设备故障诊断、失效分析和改进设计研究211E级电缆老化评价方法和建立电缆老化数据库核电厂老化管理方法及老化管理大纲的研究开发附在役核电

14、厂设备评估和老化管理秦山核电厂定期安全审查（老化管理、设备合格鉴定）、RPV中期评估. 秦山三期CANDU电厂老化管理恰希玛核电厂运行状态评估秦山一期、二期、三期、恰希玛核电厂管道和转动设备振动测量和故障t图2.1上海核工院核电厂老化管理与寿命评估技术开发模块及相互关如图2.1所示，在整个技术开发体系中，核心是建立并掌握分析评估和老化 管理的方法，如反应堆压力容器在实际运行工况和假想事故工况（如承压热冲击） 下的结构完整性分析评价方法、关键设备在役检查发现缺陷以后的分析评价方 法、核电厂老化管理大纲以及老化管理审查方法的研究开发等。围绕着分析评估 和管理方法的建立，需要有一系列配套的模块给予支

15、持。首先，需要对法规、导 则、规范、标准等要有比较深入的理解，并将这种理解体现到分析评估方法的建 立和分析评价程序的开发中去，经过一定的技术积累，还可进一步开展老化管理 相关规范、标准或导则的开发；其次，需要配置适用的分析评价工具，如疲劳裂 纹扩展分析程序，承压热冲击分析程序等，这些工具可以在引进的国际知名通用 程序基础上作二次开发，也可以开发一些小型的专用程序等，国外很多电厂已建 立了专用的老化管理软件，如法马通-西门子的COMSY,美国EPRI的CHECWORKS 等，这些软件已证明是核电厂老化管理的有效工具，可以在引进的基础上加以二 次开发；再次，需要对材料，包括金属材料和电缆等在使用条

16、件下的各种性能， 包括特殊性能进行研究，建立材料性能数据库，同时，应结合不同核电厂的实际， 对核电厂安全相关设备的主要老化机理进行分析研究，为分析评估提供输入，为 缓解老化提供对策；最后，需要对运行状态的监测方法进行研究和开发，如高温 承压设备的疲劳实时监测系统、热分层载荷的实时监测方法的开发应用、转动设 备和管道役前和在役监测系统等，运行状态的监测将直接为分析评估提供可靠的 运行参数。所有这些模块最终将直接或间接用于为运行核电厂提供老化管理和寿 命评估相关的技术服务。上述各类技术开发项目中，有些已列入国防科工委“九 五”核电通用技术研究项目或“十五”现役核电厂应用技术研究项目，已完成开 发并

17、通过部级鉴定，有些正在实施过程中。项目的开展为更好地开展运行核电厂 老化管理相关的服务和技术改造作了很好的技术储备。运行核电厂定期安全审查在技术开发的基础上，为运行核电厂提供了多方面的老化管理相关技术服 务，较为典型的包括，秦山核电厂定期安全审查（对老化管理的审查）、秦山第 三核电厂老化管理技术服务、恰希玛核电厂运行状态评估和技术服务等。以下结 合秦山核电厂定期安全审查的老化管理审查，介绍技术开发成果在运行核电厂的 应用。秦山核电厂于1991年12月并网发电，根据国家核安全局的规定，对运行核 电厂应以十年为周期开展以考察若干重要安全因素是否得到有效控制为主要内 容的定期安全审查。老化管理是需要

18、审查的11个安全因素之一。受秦山核电公 司的委托，上海核工程研究设计院从2001年至2003年承担了其中的安全分析、 设备合格鉴定、老化管理和设备实际状态（设计部分）等因素的审查。图3.1给 出了老化管理审查的步骤。首先，按照国家核安全局的要求、核电厂定期安全审 查大纲的要求，参照IAEA和美国NRC的有关规定，制定老化管理审查导则44。 审查分面向设备的审查以及面向管理大纲和程序的审查两个部分。在面向设备的 审查中，首先对需要作老化管理审查的设备进行筛选，确定审查对象，编制筛选 论证报告45,根据筛选，确定反应堆压力容器、堆内构件、蒸汽发生器、稳压器、 主泵、离心式上充泵、主管道、稳压器波动

19、管、停冷系统安全阀、电动闸阀、1E 级电缆、罗斯蒙特压力差压变送器、SPEC200机柜和组件、安全壳以及堆腔附近 的混凝土构筑物等15个部件或构筑物为老化管理审查对象；对筛选的设备，结 合设计、制造和安装资料以及运行状况的调研，进行详细的老化机理分析4657， 找出其中主要的老化退化机理，根据设备的特点和所处环境，其重点关注的老化 机理是不同的，例如对反应堆压力容器，重点是辐照脆化和疲劳，对蒸汽发生器， 重点是传热管的应力腐蚀，对稳压器波动管重点是热疲劳等；在对老化退化机理 有较为深入了解的基础上，对设备运行、检查、监测、维护、资料保存、经验反 馈等方面的情况进行审查，并形成针对各设备老化管理

20、的审查报告5869，指出审 查中发现的强项和弱项，针对弱项提出纠正措施建议，强项的标示是为了给其他 设备的管理起到示范作用；对关键设备，根据运行瞬态统计进行疲劳分析7072， 以了解实际的安全裕度。在面向管理大纲和程序的审查中73，对核电厂生产部门的组织机构和职责， 各项管理大纲和程序，从老化管理的视角进行审视，考察其是否有利于及时探测 并缓解老化。通过审查找出管理上的弱项，提出纠正措施建议。此外，对老化劣 化对核电厂安全的影响进行了专项审查74。最终，形成总报告75。HAF0312 “运行核电厂 的定期安全审查”制定老化管理审查导则“定期安全审查大纲”HAF J0068所推荐的筛选方法*根据

21、筛选准则列出需作老 存化管理的设备清单与老化管理有关的法规、规 范、标准和规定以及与方法 论有关的参考资料国内外经验调研按设备确定主要老化机理核电站实际状态设备合格鉴定设备老化管理审查（包括历史资 料、运行瞬态、维修记录、分析 报告、设备现状、组织机构等）是否有老化管 理大纲？设计资料运行管理部门近期或中、长期 改造计划纠正措施设备老化状况分析报告，对运行、 老化监测、数据库系统、缓解措施 等提出建议，对具备条件的设备进 行老化分析，给出实际安全裕度审查核电厂现有的管理大纲或 程序等是否能用于探测并缓解 老化进程，在此基础上形成老化管理大纲的框架和制定计划纠正才反馈老化管理审查报告向国与并接4

22、图3.1 定期安全审查中对老化管理的审查步骤核电厂定期安全审查，是一项范围广、持续时间长、综合性强的工作，上海 核工程研究设计院虽然是秦山核电厂的原设计单位，但定期安全审查还是国内首 次开展，缺乏经验，对法规、导则的理解和运用也是边实践、边加深理解。通过 直接参与定期安全审查，得到以下三方面的提高：1）历年来在核电厂设备评估、寿命管理方面开展的诸多技术开发成果，在 审查中直接或间接得到了应用，由于对核电厂的主要老化机理和实际需求有了更 为深入的理解，对技术开发如何更有针对性有了感性认识；2）作为设计院，对设计的产品（系统、构筑物和部件）经过十年运行后的 情况有了较为系统性的了解，获得了宝贵的经

23、验反馈，为提高设计能力创造了很 好的条件；3）在定期安全审查期间，设计院投入了相当多的人力进行老化管理审查， 通过理论与实践的结合，加深了对老化管理和寿命评估方面法规、导则的理解， 锻炼了设计院从事老化管理和寿命评估的人员队伍。对建立核电厂老化管理监管体系的几点建议我国的核电发展正处于一个关键时期，最早开始运行的电厂已接近设计寿期 的一半，已投入运行的核电装机容量已具备一定规模，今后十多年又将建造一大 批新的核电机组，在此背景下国家核安全管理部门酝酿建立核电厂老化管理监管 体系，很有必要也非常及时。以下就建立监管体系提出几点建议，供参考。（1）认真研究消化国际上先进的核电厂老化管理和延寿的法规

24、、导则体系， 并在此基础上结合中国国情，构筑中国核电厂老化管理的监管体系。如前所述， 目前国际上有代表性的老化管理体系主要是IAEA推行的系统化老化管理体系和 美国NRC的核电厂执照更新审查体系。IAEA的体系虽然也给出了一些监管要求， 但更立足于帮助核电厂业主加深对老化及老化引起的安全问题的认识，从方法论 上对识别主要老化退化机理、建立老化管理大纲、对老化管理的审查等给予指导， IAEA的主要文件是由各成员国组成的专家组博采众长、反复讨论后形成，比较 宽泛，原则性较强，比较有利于加深对老化机理、老化管理理念等的理解，但其 可操作性略有不足；NRC的体系是为核安全管理部门审查老电厂执照更新而建

25、立 的，本身就是老化管理监管体系的组成部分，NRC制定执照更新审查有关的法规、 导则是基于大量的研究分析和试验，从运行核电厂获得了大量的经验反馈，与其 他工业标准或规范有良好的接口，因而具有较好的可操作性，例如，表单化结构 的GALL报告，既可供NRC评估执照更新申请者的设备老化是否得到有效管理， 对于核电厂业主建立和完善老化管理大纲也不无参考价值。但是，NRC的老化监 管体系主要是针对美国的情况，需要与美国已有的核安全监管体系配套应用。IAEA的体系与NRC的体系各有千秋，两者也在酝酿在IAEA LTO的框架下统合起 来。在建立中国核电厂老化管理监管体系时，在理念上可以更多地参照IAEA的

26、体系，而在操作层面上可以更多地参照NRC的体系。(2) 充分调动各方面的积极性。建立核电厂老化管理监管体系，除了核安全 监管部门制定总的方针政策并牵头组织以外，还应有核电厂业主、研究设计单位 等的积极参与。来自核电厂的运行经验反馈以及大量的运行数据统计分析是建立 监管体系的重要基础，研究设计单位的设计理念和老化管理与寿命评估方面的技 术开发，可以为监管体系的建立所用。核电厂设备寿命评估体系是建立核电厂老 化监管体系的技术基础，应该先期开发并加以规范化，形成标准规范体系。这其 中，对具体设备制定监管规定时应充分利用核电厂原设计者在设计和科研攻关时 所积累的技术经验，同时对设备制造、安装、调试等过

27、程中发生的重大事件及其 处理结果有充分的了解和准确的判断。此外，充分发挥工业界、各行业的作用也 是建立核电厂老化管理监管体系的重要保证。美国 NRC 在制定核安全监管体系 时，除了自己制定一系列导则、规定以外，还要求执照持有者按某些工业标准开 展相关的活动，例如，按美国机械工程师协会(ASME)的某些工业规范进行核电 厂在役检查、缺陷评定、在役试验、日常维护等等 。与此相类似，核安全监管 部门可以与压力容器协会等行业管理部门合作制定有关规则。3建立我国核电厂数据共享和经验反馈体系。核电厂的老化管理对核电厂在 设计、建造、调试、运行、检查、维护等各阶段产生的资料有很强的依赖性，同 时，来自内外部

28、经验反馈也很重要。国外主要核电大国在谈到他们的核电厂老化 管理经验时会首先提到他们有成百上千个堆年的经验，有些老化管理软件系统如 法马通-ANP的COMSY，美国EPRI开发的CHECWORKS等从软件本身看并没有特别 的与众不同之处，其价值在于在不同电厂和各个燃料循环的使用过程中积累起来 的数据库系统，由于数据库的不断扩充，使得通过软件作出的判断越来越具有客 观性和准确性。我国核电厂已有几十个堆年的运行经验，随着今后十几年核电发 展规划的实现，运行堆年数将会有急剧的增长，我国核电的特点是堆型多，分属 不同的业主集团，如能通过核电厂老化管理监管体系的建立，从监管要求和组织 体系上建立跨集团、跨

29、部门的核电厂老化管理数据共享和经验反馈体系，并且这 些数据不仅仅在核电厂之间共享，被核安全监管部门所了解，研究设计单位也能 有一定程度的了解，将大大有利于建立我国核电厂老化管理的公共平台，有利于 老化管理相关的研究更具有针对性，也有利于通过经验反馈提高核电厂设计能 力。参考文献IAEA-TECDOC-540, “Safety Aspects of Nuclear Power Plant Ageing”, 1990IAEA Safety Series No. 50-P-3, “Data Collection and Record Keeping for the Management of Nuc

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