保持美国核电机组可靠性，应对电力需求增长

人工智能（AI）、数据中心和电气化正在推动美国电力需求持续增长。劳伦斯伯克利国家实验室估计，到2030年数据中心用电量可能占美国总用电量的11.8%，预测区间为9.5%至15.3%。美国能源信息署（EIA）预测，2026年电力消费量将增长约2.2%，2027年还将进一步增长1.6%。尽管新建发电和输电基础设施将有助于满足需求，但现有电厂仍需持续提供可靠的基础负荷。

2025年，核能供应了美国公用事业规模发电量的约18%，机组平均容量因子达到91%。维持这一贡献不仅依赖反应堆系统，也依赖蒸汽发生器、给水管道、涡轮机以及其他配套设备。以检查为先导的维护，配合适当合格的维修与防护措施，有助于保持可靠性。

现有核电机组的可靠性价值

截至2026年3月，美国在54个场址运营着94座商业反应堆，平均运行年限约为44年。许多机组已获得超出最初40年期限的许可证延期，后续续期可能允许运行长达80年，但须经美国核管理委员会（NRC）审查并满足老化管理要求。运行寿命的延长使得监测设备退化并在缺陷需要大规模修复工作之前进行干预变得更加重要。延长寿命并不意味着无限期保留每一个部件。运营商必须区分适合持续监测的设备、需要结构性修复或更换的系统，以及可通过增加防护来控制已确认损伤机制的完好表面。

核电厂提供大规模基础负荷电力。一次强制停机需要电网运营商确保替代发电能力，这可能收紧区域供应余量并增加成本。其后果取决于停机时长、区域需求以及可用的替代容量。单个反应堆跳闸不一定会中断用户供电，但长时间的损失可能增加对其他发电资产的需求。对于以高容量因子运行的电厂来说，损失的发电量后期也难以弥补。意外的设备维护可能打乱换料计划，增加对专业人力的需求，并扩大未来停机检修的范围。因此，可预测的部件状态对电厂运营和电网可靠性都具有重要价值。

管理蒸汽与给水系统的退化问题

在压水反应堆（PWR）中，蒸汽发生器管束将放射性一回路系统与产生发电用蒸汽的二回路系统分隔开。腐蚀、裂纹、振动和沉积物积累可能损坏这些管束，进而影响其完整性。运营商通过水化学控制、定期检查和既定的维修程序来管理这些风险。任何损坏迹象都必须依照严格的安全要求进行评估。

其他部件，包括给水管道、交叉管道以及涡轮蒸汽系统，同样面临劣化问题。一个常见问题是流动加速腐蚀（FAC），即流动的水或湿蒸汽逐渐磨损碳钢管道内壁的保护性氧化层，导致管壁减薄（图1）。在弯头、接头以及流速或流向发生变化的区域，损坏可能尤为严重。振动、水滴以及温度变化都可能造成进一步磨损。由于劣化通常发生在内部，常规外部检查可能无法察觉。

图1：流动加速腐蚀示意图。图片来源：IGS

这些风险在1986年12月显现得尤为清楚，当时美国一座压水反应堆发生了重大给水管道破裂事故，促使监管部门更加关注管壁减薄问题。如今，运营商使用超声波检测、监测和预测性评估来识别脆弱区域并追踪劣化情况。这些措施有助于及早发现管壁损失，从而在设备完整性或电厂可用性受到影响之前规划好维修工作。

依据部件状态选择维修与防护方案

适当的干预措施取决于部件状态、退化机制以及适用的工程要求。当管壁厚度降至可接受限值以下时，可能需要进行合格的焊接堆焊或部件更换来恢复结构完整性。当基材仍适合继续使用时，高速热喷涂（HVTS）合金涂层可提供长期防护，抵御进一步的腐蚀和冲蚀。

这两种方法也可以结合使用。合格的焊接可恢复已损失的管壁厚度，随后可在经过适当准备和检验的表面上施加HVTS涂层，以实现冶金升级并缓解反复出现的退化问题。这使运营商能够在一次计划内的维护范围中协调结构修复与长期防护工作。

与焊接堆焊不同，HVTS施工（图2）不会在母材中产生热影响区，并且由于省去了施工后热处理要求，可以更快完成。较短的施工时间可能有助于运营商在计划停机期内完成维护工作，并在辐射控制适用的情况下，通过减少在暴露作业区的停留时间，支持ALARA（合理可行尽量低）目标的实现。这种潜在的辐射暴露收益必须结合包括准备、施工和检验的整个工作范围来评估。

图2：HVTS施工现场。图片来源：IGS

作为一种保护性合金层，HVTS旨在缓解持续的金属损耗，并支持部件更长的使用寿命，从而可能减少反复干预的需求。

案例研究：保护交叉管道

某核电厂的一次应用案例说明了这种方法。高速湿蒸汽曾在交叉管道中造成流动加速腐蚀和冲蚀，尤其是在导流叶片附近和高流速区域。该运营商希望在不进行大规模管道更换所带来的干扰的情况下，限制管壁进一步损失。

一项局部HVTS试验于2009年启动。在2018年启动的一项更广泛的寿命延长评估中，该电厂评估了管道更换、焊接堆焊和HVTS涂层三种方案。检查确定了优先处理位置（图3），使运营商能够将表面防护工作分配到多个计划停机检修范围内。在需要的地方移除了现有防护层，并在适合继续使用的管道选定表面施加了工程化的HVTS合金涂层。这使运营商能够专注于脆弱区域，而非对所有管道进行统一处理，同时将准备、施工和检验工作与其他停机检修活动相协调。

图3：施工区域及分阶段方案。图片来源：IGS

该项目涉及两个机组，每个机组约8000平方英尺（740平方米）的处理面积，通过为期四年的分阶段计划完成。每年的施工面积从约850平方英尺到3000平方英尺（79平方米至279平方米）不等，未增加额外的停机天数。长期性能也得到了验证，2009年初始试验中施加的涂层据报告在服役超过15年后仍处于优良状态。

该案例表明，检查、针对性防护和分阶段实施如何能够在延长设备寿命的同时，保持计划停机检修的时间表。但这并不构成美国电厂自动获批的先例，每项应用都需要进行独立的技术和质量评估。试验区域的服役记录也不应被假定为可预测所有位置或运行环境下的性能表现。

将设备完整性转化为更可预测的发电能力

对核电运营商而言，有效的资产完整性管理始于将检查结果、运行历史和剩余寿命评估结合起来，制定优先级维护计划。蒸汽发生器管束、易受流动加速腐蚀影响的管道，以及涡轮蒸汽系统的磨损，都需要各自不同的检查和干预策略，而非采用单一处理方式。

在停机检修前提前规划，能够留出时间确定维修设计、程序、材料、质量控制和作业通道安排。利用检查趋势提前明确工作范围，也能降低机组停机后才发现大规模工作量的风险。这还有助于区分需要更换或结构修复的部件与可能从防护中受益的完好表面。在辐射控制区域内进行作业时，人员规模、作业时长以及重复暴露的可能性都应纳入执行规划的考量。

资本配置也能从这种区分中受益。经测量的退化速率能够显示在哪些地方局部干预在技术上是合理的，哪些地方全面更换是不可避免的。这有助于运营商根据部件状态和预期运营收益来确定支出优先级，而不是对每一个易受影响的管路都采取相同规模的处理方式。

运营商可以通过强制停运率、机组可用率、停机检修计划执行情况以及重复退化发现情况来评估这些决策的贡献。这些指标将部件级维护工作与可靠发电这一更广泛目标联系起来，同时不会削弱安全与监管要求。

维持一支可靠的机组

随着美国电力需求上升，在投资新增发电能力的同时，保持现有核电资产的性能表现仍然至关重要。及早检查、恰当匹配的维修措施，以及适当合格的表面防护，能够限制反复出现的退化问题，减少不必要的停机检修工作量。因此，维护蒸汽与给水系统的完整性，支持了美国核电机组的长期可用性。

——基思·里瑟（Keith Reeser）为IGS高级总监，克雷格·赫布斯特（Craig Herbster）为IGS核腐蚀领域主题专家。