丁多亮， 鄭開云

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

隨著我國第三代核電自主化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大量的安全級核電設(shè)備需要實現(xiàn)國產(chǎn)化，為貫徹第三代核電更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性的路線，對核安全設(shè)備鑒定[1-2]提出了更高的要求。設(shè)計基準(zhǔn)事故(DBA)環(huán)境試驗是驗證在核電廠DBA環(huán)境工況(包括核電廠安全殼內(nèi)冷卻劑喪失(LOCA)事故、核電廠安全殼內(nèi)(外)主蒸汽管道破裂(MSLB)事故，以及其他的高能管道破裂(HELB)事故)期間以及事故后，試驗樣機(jī)暴露在DBA的溫度、壓力、濕度、噴淋、水淹環(huán)境下執(zhí)行安全功能的能力。DBA環(huán)境試驗(習(xí)慣上統(tǒng)稱LOCA試驗)通常是設(shè)備鑒定中最后一項試驗，在此之前樣機(jī)已經(jīng)歷熱老化、輻照、地震等一系列鑒定試驗，且老化模擬接近壽命終點。筆者針對我國正在實施的兩種型號(文中分別稱之為A型機(jī)組和B型機(jī)組)三代核電設(shè)備LOCA試驗，介紹了試驗的基本要求、試驗方法，并對試驗實施過程中遇到的技術(shù)問題提出了解決方案。

1 基本要求

LOCA試驗包括試驗前初始階段(預(yù)熱)、事故階段(熱沖擊)和事故后階段(保溫)三個階段，其中對于安全殼內(nèi)的設(shè)備有化學(xué)噴淋要求，某些安裝標(biāo)高低的設(shè)備還需要模擬被地坑水浸沒的工況：

(1) 初始階段：如果試驗程序?qū)Τ跏辑h(huán)境無要求，試驗倉內(nèi)溫度保持在試驗樣機(jī)正常運行工況時的溫度，壓力保持在正常大氣壓，持續(xù)足夠長的時間使試驗樣機(jī)與環(huán)境達(dá)到平衡狀態(tài)。

(2) 事故階段：試驗倉溫度在規(guī)定的短時間內(nèi)拉升至峰值溫度，同時試驗倉壓力也要達(dá)到要求值，這一熱沖擊過程的溫度和壓力曲線應(yīng)包絡(luò)試驗要求曲線。

(3) 事故后階段：熱沖擊過后，對試驗樣機(jī)進(jìn)行化學(xué)噴淋，隨后溫度開始緩慢下降，壓力達(dá)到峰值后也緩慢下降，達(dá)到試驗要求持續(xù)時間后冷卻至室溫。

2 試驗方法

2.1 A型機(jī)組核電設(shè)備

A型機(jī)組設(shè)備鑒定按美國或IEC標(biāo)準(zhǔn)[3]開展，但是A型機(jī)組LOCA試驗方法與B型機(jī)組LOCA試驗方法的基本原則大同小異，試驗裕度相同，具體試驗參數(shù)、要求曲線和化學(xué)噴淋要求等有所不同。

A型機(jī)組核電設(shè)備LOCA試驗過程分以下三個階段：

(1) 初始狀態(tài)：試驗樣機(jī)就位，確保試驗倉完全密封后，使試驗倉內(nèi)溫度達(dá)到試驗樣機(jī)正常運行工況溫度，壓力保持在正常大氣壓下并在容差范圍內(nèi)，保持至少2 h。

(2) 事故階段：模擬LOCA發(fā)生時環(huán)境狀態(tài)急劇變化的瞬態(tài)過程，試驗倉內(nèi)溫度在第1 s內(nèi)溫度升高到130 ℃以上，18 s時達(dá)到峰值溫度；試驗倉內(nèi)壓力在第1 s內(nèi)升壓至峰值壓力一半以上，460 s時達(dá)到峰值壓力。熱沖擊過后，溫度和壓力開始下降。

(3) 事故后階段：熱沖擊過后約10 min開始化學(xué)噴淋，噴淋體積流量為1.02×10-4m3/s[4]，噴淋液成分及噴淋持續(xù)時間應(yīng)符合試驗樣機(jī)技術(shù)規(guī)格書的要求。化學(xué)噴淋結(jié)束后，環(huán)境溫度和壓力緩慢降低，試驗樣機(jī)經(jīng)受長時間的蒸汽濕熱環(huán)境的作用，規(guī)定試驗時間到達(dá)后，試驗倉冷卻至常溫常壓，打開試驗倉后取出試驗樣機(jī)。

2.2 B型機(jī)組核電設(shè)備

試驗樣機(jī)的安裝應(yīng)模擬核電設(shè)備實際運行工況下的安裝方式和安裝位置，合理布置溫度和壓力測點，對試驗倉進(jìn)行密封并通過預(yù)充壓縮空氣的方法進(jìn)行密封性能驗證。

根據(jù)GB/T 12727—2002 《核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定》的規(guī)定，在保持設(shè)備功能不變的情況下，對于B型機(jī)組核電設(shè)備LOCA試驗采用下列鑒定裕度：

(1) 飽和蒸汽溫度：選擇的裕度應(yīng)使得試驗壓力超過最高工作溫度對應(yīng)的飽和蒸汽壓力的部分，不大于1.0×105Pa。

(2) 壓力：10%飽和蒸汽壓力(相對壓力)，但不大于1.0×105Pa。

(3) 時間：在設(shè)計基準(zhǔn)事件以后要求設(shè)備工作時間延長10%。

對于B型機(jī)組核電設(shè)備，模擬DBA環(huán)境的LOCA試驗曲線與以前的二代核電設(shè)備LOCA試驗曲線相同，但是對于模擬嚴(yán)重事故環(huán)境的LOCA試驗則有新的要求，可分為以下三個階段：

(1) 初始階段：試驗樣機(jī)就位，確保試驗倉完全密封后，使試驗倉內(nèi)溫度達(dá)到試驗樣機(jī)正常運行工況下的溫度，壓力保持在正常大氣壓力下并在容差范圍內(nèi)，保持至少24 h。

(2) 事故階段：在0.5 min內(nèi)使試驗倉內(nèi)溫度達(dá)到峰值溫度，壓力達(dá)到峰值壓力，然后保持12 h。

(3) 事故后階段：啟動化學(xué)噴淋[4](噴淋液pH為9.26(20 ℃)；硼酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%；NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%；噴淋體積流量為1.02×10-4m3/s(容器水平面)，化學(xué)噴淋持續(xù)時間為96 h；同時從12 h開始至24 h，試驗倉內(nèi)壓力和溫度降至要求值，并保持此狀態(tài)至規(guī)定時間。達(dá)到試驗時間后，試驗倉冷卻至室溫，打開試驗倉取出試驗樣機(jī)。

2.3 LOCA試驗過程中試驗樣機(jī)執(zhí)行動作的方法

試驗樣機(jī)在初始階段、事故階段和事故后階段都應(yīng)該進(jìn)行功能試驗，以驗證其在DBA過程中的可操作性滿足相關(guān)安全功能的要求。

以閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例[5]，如果試驗樣機(jī)的安全功能只包含一種動作，試驗樣機(jī)應(yīng)在峰值條件下的主要方向和輸入條件下執(zhí)行動作；如果試驗樣機(jī)的安全功能包含一個或多個方向的多重動作或試驗樣機(jī)應(yīng)用于多種工況，應(yīng)根據(jù)以下原則驗證其在最嚴(yán)苛工況下的可操作性：

(1) 當(dāng)試驗倉內(nèi)溫度達(dá)到峰值溫度時，試驗樣機(jī)應(yīng)在最嚴(yán)苛溫度條件和輸入條件下在主要方向執(zhí)行一次安全功能(對于氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最嚴(yán)重工況可能在熱沖擊的初始階段，而對于電動或液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)則在試驗倉內(nèi)熱平衡建立以后)。

(2) 當(dāng)試驗倉內(nèi)壓力達(dá)到峰值壓力，試驗樣機(jī)應(yīng)在最嚴(yán)苛壓力條件和輸入條件下在主要方向執(zhí)行一次安全功能。

(3) 當(dāng)進(jìn)行化學(xué)噴淋或水噴淋期間，試驗樣機(jī)應(yīng)在最嚴(yán)苛壓力條件和輸入條件下執(zhí)行一次安全功能。

(4) 如果鑒定要求規(guī)定整個過程都需要進(jìn)行功能驗證，那么試驗樣機(jī)需要在額定輸入條件下執(zhí)行多重動作，此外在最大輸入條件和最小輸入條件下應(yīng)至少執(zhí)行一次動作。在試驗開始的24 h內(nèi)，每隔一定時間執(zhí)行一次動作，24 h以后每天執(zhí)行一次動作。

2.4 水淹試驗方法

對于A型機(jī)組核電設(shè)備，安全殼內(nèi)某些安裝標(biāo)高低的設(shè)備還需要模擬被地坑水浸沒的工況，即水淹試驗。試驗樣機(jī)應(yīng)按適當(dāng)?shù)姆绞桨惭b在密閉的試驗裝置內(nèi)。安裝應(yīng)使試驗樣機(jī)直接曝露于水淹環(huán)境中。試驗樣機(jī)上所帶電纜應(yīng)通過適當(dāng)?shù)姆绞?如貫穿件)從試驗容器內(nèi)穿出。所有連接應(yīng)具有可靠的電氣和密封完整性。試驗樣機(jī)應(yīng)完全浸沒于水淹介質(zhì)液面以下。

以閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，水淹試驗分為兩個階段：第一階段是降溫降壓階段，試驗介質(zhì)初始溫度即為峰值溫度，液位上方氣壓即為峰值壓力，在規(guī)定的時間內(nèi)，溫度和壓力降至要求值；第二階段是保溫保壓階段，試驗介質(zhì)溫度和壓力保持在第一階段結(jié)束時的狀態(tài)直至試驗結(jié)束。試驗期間，試驗樣機(jī)應(yīng)按要求執(zhí)行動作。

3 相關(guān)技術(shù)問題

三代核電LOCA試驗要求高、過程復(fù)雜，所以LOCA試驗實施過程中會遇到一系列技術(shù)問題。

(1) 試驗樣機(jī)的安裝。LOCA試驗過程中要求試驗樣機(jī)執(zhí)行功能試驗需要有電纜線和信號線等穿出試驗倉，為保證LOCA試驗的順利進(jìn)行，電纜線和信號線等必須很好地密封。經(jīng)常遇到一些廠家自帶的電纜格蘭頭在LOCA試驗中漏氣或電纜格蘭頭密封過程中損壞電纜線，導(dǎo)致試驗樣機(jī)無法動作或信號無法監(jiān)測而中止試驗。為此筆者在試驗實踐中不斷摸索，并設(shè)計了專門用于LOCA試驗的電纜格蘭頭(見圖1)。

1—本體;2—硅膠墊;3—鎖緊螺母;4—電纜;5—試驗倉法蘭;6—試驗倉。

圖 1 LOCA試驗用電纜格蘭頭

電纜格蘭頭有兩種類型：第一種由本體、硅膠墊、金屬墊片、T形對軸器和鎖緊螺母組成，依次安裝在試驗倉法蘭上通過內(nèi)螺紋鎖緊螺母擠壓硅膠墊實現(xiàn)密封；第二種由本體、硅膠墊、鎖緊螺母組成，依次安裝在試驗倉法蘭上，通過外螺紋鎖緊螺母擠壓硅膠墊實現(xiàn)密封。兩種格蘭頭都能基本保證LOCA試驗高溫高壓環(huán)境下電纜的密封性能。

(2) 熱沖擊過程。事故階段的熱沖擊過程，試驗倉內(nèi)溫度和壓力要在短時間內(nèi)實現(xiàn)突變，由于采集環(huán)境條件變化的傳感器需要一定的響應(yīng)時間，而且受限于目前的設(shè)備條件和技術(shù)條件，熱沖擊的初始階段，試驗曲線很難包絡(luò)要求曲線。因此，對于LOCA試驗的熱沖擊過程，至少要求熱沖擊結(jié)束時的溫度和壓力達(dá)到要求值，而熱沖擊過程的初始階段，試驗溫度壓力曲線可以不完全包絡(luò)要求試驗曲線(見圖2)。如A型機(jī)組的LOCA試驗要求第1 s溫度由50 ℃達(dá)到160 ℃，實際試驗實施過程中，只要求第1 s結(jié)束時溫度達(dá)到160 ℃，而從0 s到1 s的中間過程可以不要求試驗曲線完全包絡(luò)，如0.2 s時試驗溫度為60 ℃，低于72 ℃要求溫度，但1 s時，試驗溫度達(dá)到了160 ℃，這個熱沖擊過程是可以接受的。

圖2 LOCA試驗熱沖擊階段溫度曲線

(3) 化學(xué)噴淋?；瘜W(xué)噴淋會導(dǎo)致試驗倉內(nèi)的溫度和壓力產(chǎn)生較大的波動，LOCA試驗中采用加熱噴淋液的方法，將噴淋液預(yù)先加熱到噴淋開始時試驗倉的溫度(溫度和壓力留有足夠的裕量)，并及時補(bǔ)充過熱蒸汽，保持試驗倉內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，但是仍有可能出現(xiàn)短時間溫度和壓力低于要求值的現(xiàn)象(見圖3)，這屬于實際運行工況下的正?，F(xiàn)象，但是需要及時調(diào)整至正常溫度和壓力狀態(tài)。

圖3 LOCA試驗噴淋階段溫度曲線

(4) 試驗樣機(jī)功能試驗。以閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 382(2006)的要求，如果試驗樣機(jī)的安全功能包含一個或多個方向的多重動作或試驗樣機(jī)應(yīng)用于多種工況，試驗樣機(jī)應(yīng)在最嚴(yán)苛工況(包括最高溫度、最高壓力、噴淋等)下執(zhí)行多重可操作性試驗，如果鑒定要求整個過程都需要進(jìn)行功能驗證，試驗樣機(jī)需要在額定輸入條件、最大輸入條件和最小輸入條件下分別執(zhí)行動作。

實際在LOCA試驗實施的過程中，由于試驗倉完全密封、試驗樣機(jī)體積較大、執(zhí)行動作過于復(fù)雜、運行狀態(tài)無法監(jiān)測、執(zhí)行動作過程存在安全隱患等種種原因，可能導(dǎo)致要求的功能試驗無法全部實現(xiàn)，因此需要與委托方溝通，對試驗樣機(jī)功能試驗進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕缰贿M(jìn)行LOCA試驗前后試驗樣機(jī)的可操作性對比，從而判定試驗樣機(jī)是否能在核電站LOCA工況下執(zhí)行安全功能。

(5) 事故后階段的溫度和壓力變化過程。事故后階段的溫度和壓力變化過程，由于熱量損失(熱傳導(dǎo)、熱輻射等)、制造工藝受限、試驗倉不可能完全絕熱、也不能完全密封，所以在實際試驗過程中，要不斷地向試驗倉內(nèi)補(bǔ)充過熱蒸汽以維持試驗倉內(nèi)溫度和壓力等環(huán)境條件的穩(wěn)定。這必定導(dǎo)致實際的溫度、壓力曲線在一定范圍內(nèi)波動，而不是一條平滑的曲線，而且控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在一定的延遲，也有可能在某一段很短的時間內(nèi)實際值低于要求值(見圖4)。因此，LOCA試驗曲線只要求整體包絡(luò)，對于個別短時間的試驗值低于要求值的時間段可以忽略。

(6) 隨著三代核電技術(shù)的引進(jìn)消化吸收和設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程的加快，國內(nèi)核電設(shè)備鑒定的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不斷完善，為提高核電站的安全系數(shù)，保證核電站壽期內(nèi)穩(wěn)定運行，國內(nèi)一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對于設(shè)備鑒定條件提出了非常嚴(yán)苛的要求。這就導(dǎo)致一些受限于試驗裝置能力的鑒定試驗無法實現(xiàn)。如LOCA試驗，有些設(shè)計規(guī)范規(guī)定試驗環(huán)境的溫度和壓力在0.5 s內(nèi)從事故前(50 ℃，0.1 MPa)達(dá)到事故發(fā)生時的峰值溫度和峰值壓力(158 ℃，0.517 MPa)，而目前國內(nèi)最先進(jìn)的LOCA試驗倉也是做不到的。所以在制定核電設(shè)備鑒定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范時應(yīng)充分考慮設(shè)備鑒定的可行性、合理性。

圖4 LOCA試驗事故后階段溫度曲線

4 結(jié)語

兩種型號的三代核電LOCA試驗的原理基本一致，但試驗參數(shù)和具體要求有所差異，需要在實際試驗中注意。試驗過程中應(yīng)采用比較科學(xué)的方法解決試驗樣機(jī)安裝時電纜的密封、熱沖擊過程中曲線的包絡(luò)、化學(xué)噴淋時試驗倉環(huán)境狀態(tài)的穩(wěn)定、試驗樣機(jī)功能試驗的執(zhí)行以及事故后階段試驗環(huán)境的變化等技術(shù)問題，按照保守原則模擬核電廠設(shè)計基準(zhǔn)事故環(huán)境條件，科學(xué)、合理地制訂試驗規(guī)程，規(guī)范操作并保持充分的記錄，確保LOCA試驗成功實施。