美国核电站蒸发器升级更换案例

尽管瓦茨巴核电站的PWR是美国核电反应堆组中最现代化的，但业主运营商TVA决定升级蒸汽发生器的设计，并使用更现代的抗应力腐蚀开裂合金。

1、更换蒸发器

瓦茨巴核电站

美国田纳西河谷管理局的瓦茨巴(Watts Bar)核电站2号机组，在更换了反应堆的四台蒸汽发生器后于去年夏天恢复运行。

虽然瓦茨巴核电站2号机组是美国最新的核电站，但实际上是从1972年开始建造的。

该核电站建设工作于1985年被暂停，当时施工停止时已完成约55%。工程于2007年恢复，1165 Mwe的西屋压水堆(PWR)商业运营于2016年10月开始。

一年前，NRC批准了2号机组40年的运行许可证，该机组位于田纳西州东部斯普林城附近，由TVA运营，建造成本约为47亿美元。

虽然2号机组只运行了大约六年，但现有的蒸汽发生器是在早期施工阶段安装的。

瓦茨巴核电站蒸汽发生器更换项目副总裁卡罗尔·巴拉哈斯(Carol Barajas)解释道：“这个蒸汽发生器是20世纪70年代或80年代初以来安装的原始蒸汽发生器。在那个时候安装的，所以算是较旧的蒸汽发生器。”

“我们预计该过程将持续大约10年，当我们在2016年启动2号机组时，我们知道必须更换它们。我们已经从西屋公司订购了四台新的蒸汽发生器。他们直到2018年才到达现场。” 巴拉哈斯补充道。西屋公司也提供了原始机组。

更换蒸汽发生器的决定是基于这样一个事实，即它们是一种较旧的设计，使用的是下等合金，这些合金易受应力腐蚀开裂的影响，因此可能过早地出现泄漏和其他问题。

事实上，美国瓦茨巴核电站的1号机组已经在21世纪初将其蒸汽发生器更换为西屋设计的升级版本，使用更坚固、更耐应力腐蚀开裂的新合金690。

“对于PWR，美国大多数行业都用新的西屋合金690版蒸发器更换了旧蒸汽发生器，TVA已经升级了所有现有的反应堆机组。我们确实在瓦茨巴核电站1号机组以及红杉(Sequoia)1号和2号机组上进行了升级。

2000年至2012年，蒸汽发生器被新的西屋蒸发器取代，瓦茨巴核电站2号机组是我们不得不更换蒸汽发生器的最后一个PWR。”

TVA在该州拥有并运营多个额外的核设施和七个反应堆，包括布朗轮渡(Browns Ferry)核电站和红杉核电站。

2、蒸发器长期解决方案

尽管旧机组在使用仅六年后就没有出现故障，而且仍在运行，但通过尽早更换，电站业主旨在消除由于蒸汽发生器故障导致工厂关闭的一些风险。

计划是为了避免意外的停电。TVA监测蒸汽发生器内的裂纹扩展经验了丰富积累，在预估的旧机组的蒸汽管中观察到任何裂纹之前，执行该更换程序。

巴拉哈斯指出：“在每次换料大修期间，我们都会对蒸汽发生器进行状态监测。我们正在监测这种应力腐蚀开裂和随时间变化的趋势。我们决定需要更换它们。”

事实上，TVA在电厂运行寿命早期确定需要更换后，将2号机组的更换计划提前了约18个月。

巴拉哈斯解释道：“我们最终更换了2号机组一个换料周期的蒸汽发生器，之前我们就计划采取主动，确保不会出现任何问题。”

作为全行业更换计划的一部分，TVA还预计，该核电站及其反应堆组内其他的潜在寿命将延长。

“投资这些新的蒸汽发生器的目的，是让我们能够在未来的许多年里安全可靠地运行工厂。我们预计新的蒸汽发生器将持续利用工厂的剩余寿命，可能在40到60年之间。”

她补充道：“这些工厂可能还有40多年的使用寿命，当然，瓦茨巴核电站的2号机组刚刚上线，预计使用寿命为40年，但我们确实预计未来可能会要求更新许可证。”

如果申请并批准延长使用寿命的运行许可证，则2号机组的整个使用寿命为60年，可再运行54年。

然而，替换蒸汽发生器的预期寿命，为更长的电站寿命提供了空间。

正如巴拉哈斯所说：“这些蒸汽发生器并没有实际到期，它们的使用寿命可能会比这长得多。有了这种新设计，我们预计它将持续整个核电站的使用寿命，这意味着根据它们的进展情况，从最短40年到可能60或80年不等。”

蒸汽发生器团队(SGT)是法马通公司和联合工程与建造股份公司的合资企业，由TVA签约执行蒸汽发生器更换计划。

巴拉哈斯说“我们进行了大约一年的规划和准备工作，选择SGT确实是因为他们的记录、专业知识和行业运营经验。SGT之前曾在红杉核电站进行过一次蒸汽发生器更换，所以我们对他们很熟悉。他们能够从所有蒸汽发生器工作中吸取不同的经验教训。他们已经进行了更换，并确保我们采取了正确的应急措施，以高效地进行相关工作。”

她补充道：“因为在相对较短的时间内完成任务是这个过程的重要组成部分，所以当我们把他们带到现场时，有条不紊地完成了这个过程，确保带来的关键人员拥有我们需要的经验。”

巴拉哈斯强调了执行此类项目经验的重要性：“显然，这是一个在在运核电站上进行大型建设项目，因此十分依赖一位以前更换过蒸汽发生器的专家。”

3、更换过程

蒸汽发生器是大型部件。每个原始单元长67英尺(20米)，重约360吨。

为了通过反应堆厂房移除和更换它们，必须在反应堆厂房圆顶、安全壳和蒸汽发生器外壳上切割临时开口。

巴拉哈斯解释道：“由于瓦茨巴核电站的设计，我们不得不在安全壳顶部切割两个大洞，每侧一个，大约45英尺×22英尺(13.7 x 6.7米)，以进入两个蒸汽发生器隔间。我们每个隔间有两个蒸汽发电机，所以我们不得不切割约两英尺(60厘米)厚的混凝土屏蔽建筑圆顶的顶部。”

“我们使用了一个在安全壳顶部的切割机器人来切割和处理混凝土，以将其移除。一旦我们完成了对屏蔽建筑的切割，我们就必须将钢制反应堆容器内衬切割到大约相同的尺寸，然后在蒸汽发生器隔间中，我们必须在混凝土上切割两个孔，以进入两个蒸汽发生器中的每一个。这几乎是对屏蔽建筑和反应堆容器的解构，以便通过建筑。”

之所以选择这种方法，是因为由于蒸汽发生器的污染程度，不可能从安全壳建筑内拆卸蒸汽发生器。

巴拉哈斯指出：“我们想保持它们的完整性，拆除了旧的蒸汽发生器，后续被存放在安全的干式陵墓中。保存时间没有期限，一直留在现场，直到最终退役。”

为了拆除旧的蒸汽发生器，采用了机器和手动切割相结合的方法，使用不同的方法切断管道连接。

巴拉哈斯说：“在四台蒸汽发生器中，有小口径管道、大口径管道、主蒸汽管道和许多必须切割的仪表线。我们必须使用管道装配工和管道装配焊工使用的工具进行切割，但这实际上是这些方法的结合。”

使用精密测量和细致的计量实践来支持必要的起重作业，这些作业是使用Sarens DMAG 8800履带起重机进行的。项目期间进行了约22次重大吊装。

巴拉哈斯说：“SGT聘请了Sarens公司，该公司在现场建造了世界第二大起重机，以便能够拆除四台蒸汽发生器，并安装新的蒸汽发生器，此外还可以拆除混凝土屏蔽建筑圆顶和两侧的钢制安全壳内衬。”

拆除原始蒸汽发生器后，通过3D装配解决方案和专业加工将替换件吊装到位，从而能够精确放置回现有的工厂配置中。

安装新的蒸汽发生器需要4000多个焊缝。由于与在反应堆压力容器附近工作相关的潜在辐射危险，一些安装焊接是由法马通公司开发的机器人焊接系统进行的。

巴拉哈斯说：“我们成功更换蒸汽发生器的原因之一是做好了充分的准备，并为实物模型和预规划关键问题做好了准备。”

“一个例子是，在连接到蒸汽发生器的反应堆冷却剂管道上使用机器焊接。我们与法马通公司密切合作，他们进行了一些创新的机器焊接。通过复制他们必须在瓦茨巴核电站进行焊接的环境，我们能够解决他们存在的任何问题，也能够证明设备工作。焊接大口径管道的整个过程非常成功，而且由于额外的实体模型准备和机器焊接操作的测试，整个过程都按时完成。”

重新连接所有管道和仪表后，必须修理蒸汽发生器隔间和安全壳中的开口。

巴拉哈斯说：“我们必须在蒸汽发生器外壳顶部重新安装混凝土，同时在每一侧重新焊接钢制安全壳内衬。然后，我们必须在屏蔽建筑圆顶的顶部浇筑新的混凝土，以使屏蔽建筑圆顶完好无损。”

在蒸汽发生器计划期间，还进行了一系列其他维修和维护活动，包括换料，其中更换了2号机组193个燃料组件中的88个。此外，安装了更可靠的低压汽轮机叶片，升级了主汽轮机控制装置和给水加热器，更换或维修和检查了其他电厂设备。

4、项目准备与规划

正如巴拉哈斯所说：“对于这样一个看起来时间很短的大项目，我们要做大量准备和规划，结合运行经验和从其他蒸汽发生器安装中吸取的教训，使其尽可能高效。”

在距离另一个以100%运行的反应堆50或60英尺(15-18米)的范围内，执行大型建设项目还有其他挑战。

“瓦茨巴核电站1号和2号机组之间有一些通用的系统。其中一个关键部分是运行1号机组的安全，并确保1号机组在2号机组的整个解构和重建过程中可靠运行。大量的准备和规划还必须考虑到我们有一个操作单元，并确保在整个过程中不会使该单元处于危险之中，例如通过在附近起吊重物。”

在瓦茨巴核电站之前，TVA上一次更换蒸汽发生器是在10多年前。

时间已经够长，很容易让当时获得的一些熟练技能忘掉。尽管如此，最近也是最后一次的替代方案被认为是成功的。

“很明显，大型建筑项目面临着挑战。我们更关注人员安全、环境、核安全和辐射安全，所以当我们说蒸汽发生器的安装成功时，它是基于这四个因素。我们没有相关的可记录损伤，所以它非常安全，没有错误，这就是我们关注的。”巴拉哈斯说。

总的来说，蒸汽发生器的更换为提高反应堆的运行寿命提供了机会，并通过解决一个众所周知的退化部件来提高核电站的可靠性。蒸汽发生器的升级也带来了其他好处。

尽管堆芯蒸汽特性没有改变，但现在发电机的效率更高了。现在蒸汽发生器已经被替换，TVA实际上从工厂获得了更多的电力，。

巴拉哈斯总结道：“其中一个特点是提高了效率。我们还进行了一些内部改造，但在2号机组大修后，我们发现在更换四台蒸汽发生器后，发电量增加了约20 MWe。这无疑对电厂有利，现在我们可以生产更多的电力供应客户。”