盡管瓦茨巴核電站的PWR是美國核電反應堆組中最現代化的，但業主運營商TVA決定升級蒸汽發生器的設計，并使用更現代的抗應力腐蝕開裂合金。

1、更換蒸發器

瓦茨巴核電站

美國田納西河谷管理局的瓦茨巴(Watts Bar)核電站2號機組，在更換了反應堆的四臺蒸汽發生器后于去年夏天恢復運行。

雖然瓦茨巴核電站2號機組是美國最新的核電站，但實際上是從1972年開始建造的。

該核電站建設工作于1985年被暫停，當時施工停止時已完成約55%。工程于2007年恢復，1165 Mwe的西屋壓水堆(PWR)商業運營于2016年10月開始。

一年前，NRC批準了2號機組40年的運行許可證，該機組位于田納西州東部斯普林城附近，由TVA運營，建造成本約為47億美元。

雖然2號機組只運行了大約六年，但現有的蒸汽發生器是在早期施工階段安裝的。

瓦茨巴核電站蒸汽發生器更換項目副總裁卡羅爾·巴拉哈斯(Carol Barajas)解釋道：“這個蒸汽發生器是20世紀70年代或80年代初以來安裝的原始蒸汽發生器。在那個時候安裝的，所以算是較舊的蒸汽發生器。”

“我們預計該過程將持續大約10年，當我們在2016年啟動2號機組時，我們知道必須更換它們。我們已經從西屋公司訂購了四臺新的蒸汽發生器。他們直到2018年才到達現場。” 巴拉哈斯補充道。西屋公司也提供了原始機組。

更換蒸汽發生器的決定是基于這樣一個事實，即它們是一種較舊的設計，使用的是下等合金，這些合金易受應力腐蝕開裂的影響，因此可能過早地出現泄漏和其他問題。

事實上，美國瓦茨巴核電站的1號機組已經在21世紀初將其蒸汽發生器更換為西屋設計的升級版本，使用更堅固、更耐應力腐蝕開裂的新合金690。

“對于PWR，美國大多數行業都用新的西屋合金690版蒸發器更換了舊蒸汽發生器，TVA已經升級了所有現有的反應堆機組。我們確實在瓦茨巴核電站1號機組以及紅杉(Sequoia)1號和2號機組上進行了升級。

2000年至2012年，蒸汽發生器被新的西屋蒸發器取代，瓦茨巴核電站2號機組是我們不得不更換蒸汽發生器的最后一個PWR。”

TVA在該州擁有并運營多個額外的核設施和七個反應堆，包括布朗輪渡(Browns Ferry)核電站和紅杉核電站。

2、蒸發器長期解決方案

盡管舊機組在使用僅六年后就沒有出現故障，而且仍在運行，但通過盡早更換，電站業主旨在消除由于蒸汽發生器故障導致工廠關閉的一些風險。

計劃是為了避免意外的停電。TVA監測蒸汽發生器內的裂紋擴展經驗了豐富積累，在預估的舊機組的蒸汽管中觀察到任何裂紋之前，執行該更換程序。

巴拉哈斯指出：“在每次換料大修期間，我們都會對蒸汽發生器進行狀態監測。我們正在監測這種應力腐蝕開裂和隨時間變化的趨勢。我們決定需要更換它們。”

事實上，TVA在電廠運行壽命早期確定需要更換后，將2號機組的更換計劃提前了約18個月。

巴拉哈斯解釋道：“我們最終更換了2號機組一個換料周期的蒸汽發生器，之前我們就計劃采取主動，確保不會出現任何問題。”

作為全行業更換計劃的一部分，TVA還預計，該核電站及其反應堆組內其他的潛在壽命將延長。

“投資這些新的蒸汽發生器的目的，是讓我們能夠在未來的許多年里安全可靠地運行工廠。我們預計新的蒸汽發生器將持續利用工廠的剩余壽命，可能在40到60年之間。”

她補充道：“這些工廠可能還有40多年的使用壽命，當然，瓦茨巴核電站的2號機組剛剛上線，預計使用壽命為40年，但我們確實預計未來可能會要求更新許可證。”

如果申請并批準延長使用壽命的運行許可證，則2號機組的整個使用壽命為60年，可再運行54年。

然而，替換蒸汽發生器的預期壽命，為更長的電站壽命提供了空間。

正如巴拉哈斯所說：“這些蒸汽發生器并沒有實際到期，它們的使用壽命可能會比這長得多。有了這種新設計，我們預計它將持續整個核電站的使用壽命，這意味著根據它們的進展情況，從最短40年到可能60或80年不等。”

蒸汽發生器團隊(SGT)是法馬通公司和聯合工程與建造股份公司的合資企業，由TVA簽約執行蒸汽發生器更換計劃。

巴拉哈斯說“我們進行了大約一年的規劃和準備工作，選擇SGT確實是因為他們的記錄、專業知識和行業運營經驗。SGT之前曾在紅杉核電站進行過一次蒸汽發生器更換，所以我們對他們很熟悉。他們能夠從所有蒸汽發生器工作中吸取不同的經驗教訓。他們已經進行了更換，并確保我們采取了正確的應急措施，以高效地進行相關工作。”

她補充道：“因為在相對較短的時間內完成任務是這個過程的重要組成部分，所以當我們把他們帶到現場時，有條不紊地完成了這個過程，確保帶來的關鍵人員擁有我們需要的經驗。”

巴拉哈斯強調了執行此類項目經驗的重要性：“顯然，這是一個在在運核電站上進行大型建設項目，因此十分依賴一位以前更換過蒸汽發生器的專家。”

3、更換過程

蒸汽發生器是大型部件。每個原始單元長67英尺(20米)，重約360噸。

為了通過反應堆廠房移除和更換它們，必須在反應堆廠房圓頂、安全殼和蒸汽發生器外殼上切割臨時開口。

巴拉哈斯解釋道：“由于瓦茨巴核電站的設計，我們不得不在安全殼頂部切割兩個大洞，每側一個，大約45英尺×22英尺(13.7 x 6.7米)，以進入兩個蒸汽發生器隔間。我們每個隔間有兩個蒸汽發電機，所以我們不得不切割約兩英尺(60厘米)厚的混凝土屏蔽建筑圓頂的頂部。”

“我們使用了一個在安全殼頂部的切割機器人來切割和處理混凝土，以將其移除。一旦我們完成了對屏蔽建筑的切割，我們就必須將鋼制反應堆容器內襯切割到大約相同的尺寸，然后在蒸汽發生器隔間中，我們必須在混凝土上切割兩個孔，以進入兩個蒸汽發生器中的每一個。這幾乎是對屏蔽建筑和反應堆容器的解構，以便通過建筑。”

之所以選擇這種方法，是因為由于蒸汽發生器的污染程度，不可能從安全殼建筑內拆卸蒸汽發生器。

巴拉哈斯指出：“我們想保持它們的完整性，拆除了舊的蒸汽發生器，后續被存放在安全的干式陵墓中。保存時間沒有期限，一直留在現場，直到最終退役。”

為了拆除舊的蒸汽發生器，采用了機器和手動切割相結合的方法，使用不同的方法切斷管道連接。

巴拉哈斯說：“在四臺蒸汽發生器中，有小口徑管道、大口徑管道、主蒸汽管道和許多必須切割的儀表線。我們必須使用管道裝配工和管道裝配焊工使用的工具進行切割，但這實際上是這些方法的結合。”

使用精密測量和細致的計量實踐來支持必要的起重作業，這些作業是使用Sarens DMAG 8800履帶起重機進行的。項目期間進行了約22次重大吊裝。

巴拉哈斯說：“SGT聘請了Sarens公司，該公司在現場建造了世界第二大起重機，以便能夠拆除四臺蒸汽發生器，并安裝新的蒸汽發生器，此外還可以拆除混凝土屏蔽建筑圓頂和兩側的鋼制安全殼內襯。”

拆除原始蒸汽發生器后，通過3D裝配解決方案和專業加工將替換件吊裝到位，從而能夠精確放置回現有的工廠配置中。

安裝新的蒸汽發生器需要4000多個焊縫。由于與在反應堆壓力容器附近工作相關的潛在輻射危險，一些安裝焊接是由法馬通公司開發的機器人焊接系統進行的。

巴拉哈斯說：“我們成功更換蒸汽發生器的原因之一是做好了充分的準備，并為實物模型和預規劃關鍵問題做好了準備。”

“一個例子是，在連接到蒸汽發生器的反應堆冷卻劑管道上使用機器焊接。我們與法馬通公司密切合作，他們進行了一些創新的機器焊接。通過復制他們必須在瓦茨巴核電站進行焊接的環境，我們能夠解決他們存在的任何問題，也能夠證明設備工作。焊接大口徑管道的整個過程非常成功，而且由于額外的實體模型準備和機器焊接操作的測試，整個過程都按時完成。”

重新連接所有管道和儀表后，必須修理蒸汽發生器隔間和安全殼中的開口。

巴拉哈斯說：“我們必須在蒸汽發生器外殼頂部重新安裝混凝土，同時在每一側重新焊接鋼制安全殼內襯。然后，我們必須在屏蔽建筑圓頂的頂部澆筑新的混凝土，以使屏蔽建筑圓頂完好無損。”

在蒸汽發生器計劃期間，還進行了一系列其他維修和維護活動，包括換料，其中更換了2號機組193個燃料組件中的88個。此外，安裝了更可靠的低壓汽輪機葉片，升級了主汽輪機控制裝置和給水加熱器，更換或維修和檢查了其他電廠設備。

4、項目準備與規劃

正如巴拉哈斯所說：“對于這樣一個看起來時間很短的大項目，我們要做大量準備和規劃，結合運行經驗和從其他蒸汽發生器安裝中吸取的教訓，使其盡可能高效。”

在距離另一個以100%運行的反應堆50或60英尺(15-18米)的范圍內，執行大型建設項目還有其他挑戰。

“瓦茨巴核電站1號和2號機組之間有一些通用的系統。其中一個關鍵部分是運行1號機組的安全，并確保1號機組在2號機組的整個解構和重建過程中可靠運行。大量的準備和規劃還必須考慮到我們有一個操作單元，并確保在整個過程中不會使該單元處于危險之中，例如通過在附近起吊重物。”

在瓦茨巴核電站之前，TVA上一次更換蒸汽發生器是在10多年前。

時間已經夠長，很容易讓當時獲得的一些熟練技能忘掉。盡管如此，最近也是最后一次的替代方案被認為是成功的。

“很明顯，大型建筑項目面臨著挑戰。我們更關注人員安全、環境、核安全和輻射安全，所以當我們說蒸汽發生器的安裝成功時，它是基于這四個因素。我們沒有相關的可記錄損傷，所以它非常安全，沒有錯誤，這就是我們關注的。”巴拉哈斯說。

總的來說，蒸汽發生器的更換為提高反應堆的運行壽命提供了機會，并通過解決一個眾所周知的退化部件來提高核電站的可靠性。蒸汽發生器的升級也帶來了其他好處。

盡管堆芯蒸汽特性沒有改變，但現在發電機的效率更高了。現在蒸汽發生器已經被替換，TVA實際上從工廠獲得了更多的電力，。

巴拉哈斯總結道：“其中一個特點是提高了效率。我們還進行了一些內部改造，但在2號機組大修后，我們發現在更換四臺蒸汽發生器后，發電量增加了約20 MWe。這無疑對電廠有利，現在我們可以生產更多的電力供應客戶。”