莊亞平，戴 翔，李帥帥

(山東核電有限公司，山東海陽 265116)

0 引言

管道彎頭、低速流體的水平管段、三通等部位在運行過程中可能會出現(xiàn)熱沖擊、熱分層、熱振蕩等現(xiàn)象，尤其是如果管道溫度反復發(fā)生變化，材料會交替出現(xiàn)膨脹、收縮，導致不同方向熱應(yīng)力交替作用于材料上，從而產(chǎn)生管道熱疲勞現(xiàn)象[1-3]，這是引起核電機組關(guān)鍵設(shè)備失效的主要因素之一。因此，核電機組設(shè)計階段對核一級管道進行了疲勞評價，普遍做法是對部件預(yù)期經(jīng)歷的各類預(yù)期瞬態(tài)次數(shù)進行統(tǒng)計分析和瞬態(tài)組合[4]，論證其在整個核電站設(shè)計壽期內(nèi)累積使用因子(CUF)小于1。

AP1000作為第三代非能動安全核電機組，缺少可參考的運行經(jīng)驗，非能動堆芯冷卻系統(tǒng)的堆芯補水箱(CMT)安注子系統(tǒng)在運行期間出現(xiàn)了取樣硼濃度下降，低于技術(shù)規(guī)格書的要求，需要頻繁補高濃度硼水的情況，補水瞬態(tài)引起累積使用因子增加過快，根據(jù)補水頻率，CMT入口三通將不滿足設(shè)計壽命要求。WANG等[5]對硼稀釋的原因進行了分析，補水造成CMT內(nèi)低溫水溢出進入入口平衡管，產(chǎn)生熱分層現(xiàn)象；陳曉飛等[6]通過在某核電廠堆芯補水箱補水管周圍加裝溫度傳感器的方法，對熱分層情況進行了調(diào)查?；谶\行期間的測試數(shù)據(jù)，核電廠采取了降低取樣口位置的優(yōu)化改進措施，本文基于疲勞監(jiān)測評估系統(tǒng)對CMT入口管疲勞狀態(tài)進行監(jiān)測，并對優(yōu)化改進后的效果進行評估。

1 堆芯補水箱入口管疲勞設(shè)計評估

1.1 布置

CMT是AP1000核電機組非能動堆芯冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，每個機組2臺CMT，每臺CMT的進口管接反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)二環(huán)路的冷段(CL)，出口管接到壓力容器的直接安注接管嘴。CMT為帶有半球形上下封頭的立式圓筒形碳鋼容器，內(nèi)壁堆焊不銹鋼，外部沒有安裝保溫層，與安全殼環(huán)境溫度一致。CMT位于安全殼內(nèi)稍高于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路標高的位置，內(nèi)部貯有高濃度硼水。

圖1 CMT布置示意Fig.1 Layout diagram of CMTs

CMT入口與二環(huán)路冷段相連的管線為壓力平衡管線。平衡管接自冷段上方，垂直上升一段后，一路傾斜向上，接到CMT上方入口接管嘴。CMT入口為一個三通結(jié)構(gòu)，直通段垂直安裝，一端焊接到CMT入口接管嘴，另一端焊接球形端口并連接排汽管，用于系統(tǒng)排汽；支管通過焊接與平衡管連接。平衡管中部設(shè)一個隔離閥，正常運行期間隔離閥常開，以維持CMT壓力和RCS壓力一致，防止CMT注射開始時發(fā)生水錘。閥后設(shè)一個溫度儀表，溫度表TE001/TE002分別位于A列和B列入口管上，用于監(jiān)測平衡管的溫度，為主控室提供低溫報警信號。壓力平衡管和三通為不銹鋼材質(zhì)，外部設(shè)置保溫層，保持平衡管內(nèi)熱水溫度，以保證與CMT內(nèi)冷水之間形成密度差，從而確保自然循環(huán)的驅(qū)動力。CMT布置如圖1所示。

1.2 疲勞分析

機組正常運行期間，CMT與一回路相通，系統(tǒng)設(shè)備承受一回路壓力瞬態(tài)，以及本系統(tǒng)復雜的熱瞬態(tài)。設(shè)計瞬態(tài)通常給出機組正常運行或各類假想瞬態(tài)工況下的載荷時程信息(包括流體溫度、流量、內(nèi)壓等)。基于設(shè)計準則、工程判斷和經(jīng)驗，設(shè)計階段識別出CMT的設(shè)計瞬態(tài)種類、每種瞬態(tài)保守估計的發(fā)生次數(shù)，并按照ASME規(guī)范分析評估出CMT入口管壽期內(nèi)累積使用因子。設(shè)計瞬態(tài)清單中識別了CMT或與其連接的閥門可能出現(xiàn)泄漏，預(yù)期壽期內(nèi)少于30次。然而，沒有將補水考慮在瞬態(tài)內(nèi)，因而累積疲勞使用因子中未包括補水對疲勞的貢獻。

2 考慮補水瞬態(tài)的設(shè)計瞬態(tài)評估

2.1 硼稀釋現(xiàn)象

根據(jù)運行規(guī)程，為保證并監(jiān)測CMT的硼濃度始終保持在技術(shù)規(guī)格書要求的范圍內(nèi)，至少每7天就要對CMT 補水箱硼濃度進行取樣化驗，確認每個CMT的硼濃度在3.4×10-3～3.7×10-3之間。每個CMT有上下兩個取樣口，設(shè)計上僅使用上部取樣數(shù)據(jù)保守代表整個CMT的硼濃度，一旦數(shù)據(jù)存在不確定性，則采用下部取樣數(shù)據(jù)對CMT平均硼濃度進行確認。某機組商運后發(fā)現(xiàn)，CMT取樣值低于要求值的間隔短，曾連續(xù)14天對CMT取樣，上部取樣點的硼濃度持續(xù)下降，硼濃度變化見圖2。

圖2 取樣數(shù)據(jù)Fig.2 Sampling data

2.2 熱分層

熱分層現(xiàn)象的發(fā)生取決于浮力與流體慣性力的比值，其主要條件：有一段水平或近似水平的管段；流體有顯著的溫差；流體流動速度應(yīng)足夠低[7]。

主管道內(nèi)流體的流速很高,平衡管接管嘴處存在較強的渦流,致使部分流體因流向發(fā)生改變進入平衡管。研究表明，渦流只作用在該豎直管段內(nèi)[8]，豎直段內(nèi)管道軸向出現(xiàn)明顯的溫度梯度，彎管至CMT入口三通管道溫度梯度很小，并且管道內(nèi)沒有明顯的熱分層現(xiàn)象。CMT的溫度與安全殼環(huán)境溫度一致，三通至CMT入口接管的豎直管段有明顯的軸向分層，但不會產(chǎn)生不利的總體彎曲載荷。補水開始后，當冷流體到達三通支管高度時，涌入支管和水平段平衡管。由于補水的速度低，冷熱流體間缺少攪動，冷流體溫度低、密度大，占據(jù)水平段管道截面的下部，平衡管內(nèi)原來的流體因溫度高占據(jù)上部，因此，三通處是補水時產(chǎn)生熱分層現(xiàn)象最嚴重的部位。

圖3 臨時儀表位置示意Fig.3 Location diagram of temporary instrument

圖4 平衡管上下部溫差變化曲線Fig.4 Temperature change curve of top and bottomof the balance line

為證實和測量平衡管熱分層程度，某機組在CMT平衡管與三通連接的水平管的外壁表面上下部安裝臨時溫度表(見圖3)，在功率運行工況沒有補水時，臨時測量儀表溫度在190 ℃左右，平衡管上的溫度表TE001/TE002溫度在214 ℃左右；兩次補水過程中，臨時溫度表測量的上下部溫差變化如圖4所示，補水開始后,管外壁的上下部溫差增大，最大約130 ℃，出現(xiàn)在15 min左右，表明平衡管出現(xiàn)顯著的熱分層。

2.3 補水熱疲勞分析

補水過程中，在平衡管內(nèi)形成冷熱流體分層現(xiàn)象，引發(fā)熱分層和溫度振蕩，增加了管道疲勞使用因子。雖然設(shè)計階段識別出CMT可能出現(xiàn)泄漏，但沒有考慮補水工況并將其列入設(shè)計瞬態(tài)清單，因而累積使用因子中未包括補水對疲勞的貢獻。

基于新增加的設(shè)計瞬態(tài)，更新了CMT入口三通及平衡管疲勞分析。在疲勞評定時，首先選取部件設(shè)計計算中累計疲勞利用系數(shù)最大的位置進行評定，而不再評定原設(shè)計計算中已經(jīng)評定且疲勞利用系數(shù)比較小的點。計算表明，熱分層溫差150 ℃，可接受300次補水瞬態(tài)。

3 改進措施與疲勞評估

3.1 硼稀釋原因

當對CMT硼濃度取樣后，一回路低硼濃度的水經(jīng)過平衡管流向CMT補償取樣損失，在CMT上部進水管嘴周圍形成低硼濃度區(qū)。隨著反應(yīng)堆的運行，一回路的硼濃度將逐漸下降，在壽期末更加明顯。CMT除了與一回路連接的出入口接管外，還有2個分別位于進水口和排水口附近的取樣口、1個位于CMT中部的補水接口。這些接口管道上的閥門的內(nèi)漏是不能完全避免的，泄漏的溶液也由一回路溶液替代。CMT上部取樣口靠近入口管嘴，由平衡管進入的一回路低硼水替代CMT取樣損失，并且由于湍流強度小，在入口管嘴附近形成低硼濃度區(qū)，導致后續(xù)取樣結(jié)果低于CMT整體硼濃度值，頻繁出現(xiàn)不滿足技術(shù)規(guī)格書要求的情況。文獻[5]對于正常運行工況硼稀釋進行CFD研究，顯示CMT內(nèi)呈現(xiàn)硼濃度分層現(xiàn)象。

3.2 采取的措施

由于補水瞬態(tài)對CMT平衡管產(chǎn)生較大的溫度沖擊和不利的熱分層影響，增加了累積疲勞損傷。為緩解補水瞬態(tài)導致平衡管疲勞增加的情況，除采取措施減小系統(tǒng)的泄漏之外，還采取以下措施：(1)將CMT的硼濃度上限提高至4.5×10-3，控制目標濃度為3.9×10-3；(2)將上部取樣口的位置降低，使取樣更能代表CMT整體硼濃度，取樣口高度以上的體積占總?cè)莘e25%。

在壽期末，一回路硼濃度接近5×10-6～1.0×10-5，CMT內(nèi)硼濃度梯度作為輸入保守計算，平均濃度遠大于3.4×10-3。提高硼濃度后，補水的頻率顯著降低，但一個燃料循環(huán)內(nèi)仍然需要多次進行硼化補水，變更取樣位置后，一個燃料循環(huán)基本不需要補水。

3.3 疲勞監(jiān)測評估

早先設(shè)計規(guī)范所依據(jù)的材料疲勞試驗均在空氣環(huán)境中進行，未考慮介質(zhì)對疲勞失效的影響。大量最新的材料試驗結(jié)果表明，冷卻劑環(huán)境因素也削弱部件抗疲勞性能。設(shè)計階段使用考慮環(huán)境影響的疲勞設(shè)計曲線將會過于保守，導致計算無法滿足ASME規(guī)范中關(guān)于疲勞的限值要求。設(shè)計瞬態(tài)與真實瞬態(tài)存在差異，因此很難在設(shè)計階段得出既準確又包絡(luò)所有瞬態(tài)的疲勞設(shè)計曲線。通用的做法是機組安裝疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，通過分布式控制系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，對部件的累積使用因子進行監(jiān)測。

在運行期間，發(fā)現(xiàn)補水熱分層現(xiàn)象后，根據(jù)熱疲勞產(chǎn)生的原因，在疲勞監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置了CMT平衡管測點，通過對歷史數(shù)據(jù)的收集、評估，同時給出了未考慮水環(huán)境影響的CUF和考慮了水環(huán)境影響的CUF。圖5，6分別示出CMTA，B入口處平衡管的CUF狀態(tài)。

圖5 CMT A入口平衡管CUFFig.5 CUF of balance line at inlet A of CMT

補水口位于CMT中部，補水過程中CMT中的常溫水被排擠到平衡管內(nèi)，導致平衡管溫度監(jiān)測儀表TE001/TE002讀數(shù)顯著降低。正常運行期間,主回路溫度沒有降低情況下，TE001/TE002溫度降低標志一次補水。第一個循環(huán)(2018年10月～2020年2月)初期疲勞因子增加顯著，提高硼濃度上限后，增速放緩，但仍有顯著增加，降低取樣口位置后，一個循環(huán)內(nèi)沒有補水，疲勞因子幾乎沒有增加，可見補水瞬態(tài)是正常運行下入口管疲勞的主要貢獻因素。同時，也表明采取的措施是有效的，對后續(xù)AP系列機組設(shè)計和運行有指導意義。

圖6 CMT B入口平衡管CUFFig.6 CUF of balance line at inlet B of CMT

對比圖5,6可以發(fā)現(xiàn)，CMTB的CUF明顯高于CMTA，這是由于兩列平衡管的長度和布置存在差異，建議后續(xù)機組設(shè)計優(yōu)化B列平衡管布置。

4 結(jié)語

核電機組設(shè)計瞬態(tài)及其發(fā)生次數(shù)在很大程度上基于工程判斷和經(jīng)驗，采用新理念設(shè)計的核電機組在設(shè)計階段無法全面考慮可能出現(xiàn)的熱瞬態(tài)，實際瞬態(tài)工況可能會出現(xiàn)設(shè)計未涵蓋的瞬態(tài)。核電站管道熱疲勞問題主要來源于設(shè)計的缺陷，采用疲勞監(jiān)測系統(tǒng)對實際瞬態(tài)的監(jiān)測不只是監(jiān)測了系統(tǒng)部件的累積疲勞損傷情況，還為核電機組實際運行狀態(tài)及其優(yōu)化提供有指導意義的參考數(shù)據(jù)。

通過疲勞監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，CMT經(jīng)歷了幾十次補水，造成了較大的疲勞損傷。此外，由于兩列CMT平衡管管道布置的差別，補硼水瞬態(tài)對B列造成更大的影響，因此B列的疲勞值比A列的疲勞值大很多。取樣口位置降低后未出現(xiàn)補水瞬態(tài)，因此對應(yīng)的CUF增量也已經(jīng)降低，預(yù)計后續(xù)即使考慮水環(huán)境影響，CUF也不會超使用限值。