徐 宇，張 敏，盛朝陽，凌禮恭，*

（1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，深圳 621900）

在壓水堆核電站設(shè)計(jì)中，一般將管道中介質(zhì)溫度超過100℃或者壓力超過2 MPa的管道定義為高能管道。這些高能管道均為重要系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的管道，如反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的管道，與電站的安全性緊密相關(guān)。根據(jù)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，除非能夠證明管道的斷裂概率非常低，否則需要在設(shè)計(jì)中考慮這些管道斷裂帶來的動(dòng)態(tài)效應(yīng)［1-5］。管道破裂的動(dòng)態(tài)效應(yīng)主要分為三類：水力效應(yīng)、流體噴射效應(yīng)以及管道甩擊效應(yīng)，如圖1所示。

圖1 管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)示意圖Fig.1 Dynamic effects of piping break

管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)局部的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)載荷（破管載荷）作用在與之相連接的管道和設(shè)備中。由于這些載荷一般非常大，因此為應(yīng)對(duì)管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)，不僅需要在電站設(shè)計(jì)中設(shè)置防甩件、防爆支架、防噴射裝置等，而且還需要加強(qiáng)一些重要設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而增加了設(shè)計(jì)的難度。

利用增加硬件設(shè)施來應(yīng)對(duì)高能管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)的方法，不僅增加了電站的設(shè)計(jì)、采購、安裝和運(yùn)行維護(hù)的成本，而且增加的硬件設(shè)施，往往會(huì)減小在役檢查的空間，影響在役檢查的效果。因此這種方法不僅增加了電站的成本，而且最終會(huì)成為影響電站安全的不利因素。

因此，排除動(dòng)態(tài)效應(yīng)不僅會(huì)提升電站的安全性，而且可以簡化電站設(shè)計(jì)，優(yōu)化在役電站的結(jié)構(gòu)和布置空間，從而提升電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性。HAD 102/04也明確對(duì)于低概率破裂，以及應(yīng)用破前漏（LBB:Leak Before Break）技術(shù)或破裂排除的高能管道，可以不假設(shè)破裂［6］。本文介紹幾種通過設(shè)計(jì)消除高能管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)的方法，并對(duì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比和說明，對(duì)各種方法的使用，尤其是對(duì)在役電站的應(yīng)用可行性進(jìn)行了探討。

1 動(dòng)態(tài)效應(yīng)消除方法

本節(jié)介紹的動(dòng)態(tài)載荷消除方法是指通過提升材料性能、優(yōu)化材料制造加工工藝、控制應(yīng)力和疲勞使用因子水平、加強(qiáng)在役檢查、增加泄漏監(jiān)測等實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)置中的一種或者幾種手段證明該處管道破裂失效的概率非常低，從而消除管道雙端剪切斷裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)的設(shè)計(jì)理念。工程中常見的幾種方法為破口假定免除、破前漏技術(shù)應(yīng)用［7］、破裂排除（BP:Break Preclusion）概念［8］應(yīng)用以及高可靠性部件［9］（Incredible of Failure，即IOF）論證。

1.1 破口假定免除

破口假定免除根據(jù)其應(yīng)用的范圍可以分為兩類：一類適用于所有高能管道，另外一類僅適用于安全殼貫穿區(qū)域的高能管道［10］。

1.1.1 破口假定免除通用準(zhǔn)則

高能管道破口假定免除對(duì)于1級(jí)管道和2、3級(jí)管道分別有不同的免除準(zhǔn)則［11］，見表1。

表1 破口假定免除準(zhǔn)則Table 1 Principle of break assumption exclusion

1.1.2 安全殼貫穿區(qū)域的高能管道

安全殼貫穿區(qū)域通常是指在安全殼內(nèi)外兩個(gè)安全殼隔離閥之間連接安全殼貫穿件的管道。對(duì)于該部分管道滿足表2的準(zhǔn)則后，可以消除該部分的管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)［11］。

表2 安全殼貫穿區(qū)破口假定免除準(zhǔn)則Table 2 Principle of break assumption exclusion in Containment Penetration Area

安全殼貫穿區(qū)域的高能管道滿足破口假定免除的要求后，可以不用考慮該部分管道破裂導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。與1.1.1節(jié)不同的是，端點(diǎn)破裂的動(dòng)態(tài)效應(yīng)也可以不用考慮。實(shí)施安全殼貫穿區(qū)域的破口假定免除后的高能管道，不僅可以消除該管道上的破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)，而且還可以減小在環(huán)境鑒定中破口面積的假設(shè)。規(guī)范中規(guī)定在主蒸汽隔離閥等設(shè)備的鑒定中，考慮的主蒸汽破口面積為1平方英尺［12］，遠(yuǎn)小于主蒸汽管道的流通面積。

1.2 破前漏技術(shù)

破前漏的設(shè)計(jì)理念認(rèn)為：管道不會(huì)發(fā)生快速斷裂，而是先出現(xiàn)穿壁裂紋，發(fā)生泄漏，泄漏可以通過泄漏監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到，然后采取措施避免管道出現(xiàn)雙端剪切斷裂［13，14］。應(yīng)用破前漏技術(shù)的流程主要如圖2所示。

圖2 破前漏技術(shù)分析流程Fig.2 Procedure of Leak-Before-Break

破前漏技術(shù)主要內(nèi)容包括四個(gè)部分：破前漏技術(shù)先決條件驗(yàn)證；泄漏監(jiān)測能力評(píng)估；臨界裂紋計(jì)算（裂紋穩(wěn)定性分析）；泄漏監(jiān)測裂紋計(jì)算［14］。

其中應(yīng)用破前漏技術(shù)的先決條件驗(yàn)證是為了保證破前漏分析對(duì)象發(fā)生脆斷的概率非常低，確保破前漏分析中考慮的載荷、失效模式、材料性能與核電站實(shí)際情況一致或者偏保守。

泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能力評(píng)估是為了獲得核電站的泄漏監(jiān)測能力，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)一般應(yīng)該包括兩種定量監(jiān)測手段，且兩種定量監(jiān)測手段應(yīng)該使用不同的監(jiān)測原理，不會(huì)導(dǎo)致共因失效，確保泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性［15］。

泄漏監(jiān)測裂紋計(jì)算是計(jì)算核電站正常運(yùn)行工況下可以被泄漏監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的最小裂紋長度，即在電站正常運(yùn)行時(shí)，在該裂紋長度下，對(duì)應(yīng)的泄漏率與核電站的泄漏監(jiān)測能力（考慮一定安全系數(shù)一般為10［14］）相等。

臨界裂紋計(jì)算是計(jì)算考慮正常運(yùn)行工況載荷與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震載荷聯(lián)合作用下，保證管道穩(wěn)定性的最大裂紋長度，確保在監(jiān)測到泄漏前，管道不會(huì)失穩(wěn)斷裂。一般臨界裂紋長度與泄漏監(jiān)測裂紋長度之間的裕量為2［14］。

應(yīng)用破前漏技術(shù)可以在設(shè)計(jì)中取消管道破裂的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，對(duì)事故分析、設(shè)備鑒定環(huán)境、安全殼設(shè)計(jì)等沒有影響，仍然按照管道雙端剪切斷裂來考慮。

1.3 破裂排除概念

破裂排除概念是一種類似破前漏技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，最早是德國KTU公司提出的。破裂排除概念主要基于基本安全概念，包括基本安全（設(shè)計(jì)、材料和制造）和獨(dú)立冗余（多重檢驗(yàn)、最差條件原則、在役檢查和斷裂力學(xué)驗(yàn)證），其要求如圖3所示［16］。破裂排除概念在基本安全概念的基礎(chǔ)上增加了破前漏的論證，完成德國的破裂排除概念的論證，其實(shí)現(xiàn)步驟如圖4所示［16］。

圖3 基本安全的概念實(shí)施Fig.3 Application of basis safety

圖4 破裂排除概念的實(shí)現(xiàn)步驟Fig.4 Application of basis safety

應(yīng)用破裂排除概念后不再考慮管道破裂的動(dòng)態(tài)載荷，但是在主設(shè)備的支撐設(shè)計(jì)中還需要額外考慮一個(gè)2pA的靜載荷（p為管道內(nèi)壓，A為管道橫截面積），同時(shí)在主管道應(yīng)用破裂排除概念后，可以將主管道的雙端剪切斷裂事故假設(shè)從設(shè)計(jì)基準(zhǔn)中排除，并將其按照超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)來考慮［17］。

1.4 IOF論證

結(jié)構(gòu)完整性論證是確保核設(shè)施安全、可靠的重要部分，在英國通用設(shè)計(jì)審查中也是重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域之一。英國核安全監(jiān)管中將結(jié)構(gòu)完整性失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的堆芯融毀或者大規(guī)模放射性泄漏的管道、設(shè)備歸類為IOF，即高可靠性部件要求，需要確保該結(jié)構(gòu)不會(huì)失效或認(rèn)為失效可能性非常低（低于10-7/堆·年）。在IOF的設(shè)計(jì)和論證過程中主要內(nèi)容包括［18］：

（1）采用可靠的經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)理念；

（2）應(yīng)該包括運(yùn)行工況和內(nèi)外部載荷在內(nèi)的詳細(xì)的設(shè)計(jì)載荷；

（3）考慮潛在運(yùn)行失效機(jī)制；

（4）使用經(jīng)過驗(yàn)證的材料；

（5）制造過程的高標(biāo)準(zhǔn)要求；

（6）設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行全壽期的高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量保證；

（7）役前和在役檢查的缺陷控制；

（8）設(shè)計(jì)合理的失效保護(hù)措施；

（9）在役監(jiān)控（運(yùn)行瞬態(tài)和材料）；

（10）設(shè)計(jì)驗(yàn)證（實(shí)際材料性能與分析假設(shè)的一致性、設(shè)計(jì)功能的可實(shí)現(xiàn)性）；

（11）在役維修和優(yōu)化設(shè)計(jì)的考慮。

高可靠性部件的論證是一個(gè)復(fù)雜的過程，其特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）IOF論證是一個(gè)系統(tǒng)的論證過程，需要從多個(gè)方面綜合考慮；

（2）需要進(jìn)行大量的獨(dú)立驗(yàn)證或第三方驗(yàn)證，如役前/在役檢查能力驗(yàn)證等；

（3）大量的材料性能試驗(yàn)（斷裂韌性試驗(yàn)、沖擊功試驗(yàn)、應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗(yàn)等）；

（4）復(fù)雜的斷裂力學(xué)分析，在斷裂力學(xué)分析中需要考慮役前/在役檢查能力、焊接殘余應(yīng)力，甚至動(dòng)態(tài)載荷對(duì)材料韌性性能的影響等因素。

因此要論證管道為IOF部件，不僅需要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)論證工作，還要開展大量的實(shí)驗(yàn)、在役檢查、運(yùn)行監(jiān)控等相關(guān)工作。

2 動(dòng)態(tài)載荷消除方法的異同性

上述方法都可以用來將高能管道中的動(dòng)態(tài)載荷消除，但是由于原理不同，應(yīng)用對(duì)象有差異，具體的應(yīng)用手段也有區(qū)別，因此在工程設(shè)計(jì)中的使用策略也不盡相同。本文從力學(xué)分析的角度將以上方法分成兩類：一類不考慮管道出現(xiàn)缺陷，通過應(yīng)力來評(píng)估；一類考慮管道裂紋，通過確定論的斷裂力學(xué)方法來判斷。

2.1 基于應(yīng)力評(píng)估的方法

破口假定免除是一種典型的基于應(yīng)力評(píng)估的破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)消除方法。該方法通過在設(shè)計(jì)中限制管道的應(yīng)力（1級(jí)管道需額外考慮疲勞使用因子），使其結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)非常低，從而在動(dòng)態(tài)載荷設(shè)計(jì)和防護(hù)中不考慮對(duì)應(yīng)位置的破口。

該方法應(yīng)用方便，是核工業(yè)界廣泛采用的一種方法，但是該方法僅限于管道中間節(jié)點(diǎn)，不適用于管道邊界約束位置，不能徹底消除管道系統(tǒng)上的破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)。

對(duì)于安全殼貫穿區(qū)域的高能管道，引入了破口假定免除的應(yīng)力限值，同時(shí)從布置設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)以及在役檢查等方面加強(qiáng)了要求，從而可以在包括管道約束端點(diǎn)在內(nèi)的整個(gè)安全殼貫穿區(qū)域消除高能管道破裂的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。當(dāng)然1.1.2節(jié)的要求，還考慮了安全殼密封以及環(huán)境鑒定的破口假設(shè)相關(guān)的內(nèi)容，并不完全是破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)免除的要求。

該方法也是一種基于強(qiáng)度理論的方法，同時(shí)還加強(qiáng)了設(shè)計(jì)以及在役檢查的要求，來提高結(jié)構(gòu)的可靠性，從而排除管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)。根據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和電廠的實(shí)踐，該方法僅適用于安全殼貫穿區(qū)域的高能管道。

2.2 基于斷裂力學(xué)的方法

破前漏技術(shù)、破裂排除概念、IOF可以看作是基于斷裂力學(xué)的動(dòng)態(tài)載荷消除方法。在分析中都考慮了分析對(duì)象中假定的裂紋，通過確定論的斷裂力學(xué)分析方法證明管道失效概率極低。但在具體分析過程中三種方法的側(cè)重有所不同，對(duì)于設(shè)計(jì)、運(yùn)行等方面的要求也有所不同。

破前漏技術(shù)和破裂排除概念理論基礎(chǔ)近似。破前漏技術(shù)通過先決條件評(píng)估確保應(yīng)用破前漏技術(shù)的管線不會(huì)發(fā)生快速斷裂，并在考慮一定安全裕量的情況下，通過斷裂力學(xué)分析論證假定的一個(gè)可以被泄漏監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的穿壁裂紋在設(shè)計(jì)考慮的工況下能夠保持穩(wěn)定，來確保管道不會(huì)出現(xiàn)雙端剪切斷裂。

破裂排除概念在破前漏技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過強(qiáng)調(diào)選材、優(yōu)化加工和制造工藝、增強(qiáng)役前和在役檢查以及運(yùn)行監(jiān)控等措施加強(qiáng)了對(duì)穿壁裂紋的預(yù)防，從而降低管道出現(xiàn)缺陷的概率，提升管道抗快速斷裂的能力。在斷裂力學(xué)分析方面，與破前漏技術(shù)不同的是，破裂排除概念根據(jù)在役檢查的能力，假定一個(gè)初始缺陷，并對(duì)該缺陷做一個(gè)全壽期和無限壽期直至貫穿壁厚的疲勞裂紋擴(kuò)展和裂紋穩(wěn)定性分析。總體來講破裂排除概念類似一個(gè)更細(xì)化版的破前漏技術(shù)，更關(guān)注在泄漏裂紋出現(xiàn)之前的設(shè)計(jì)、分析和防護(hù)；另外一項(xiàng)差別就是破前漏技術(shù)可以應(yīng)用于在役電站的設(shè)計(jì)改進(jìn)，而破裂排除概念技術(shù)的應(yīng)用局限于全新設(shè)計(jì)的電站。

IOF是英國核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出的一個(gè)對(duì)重要安全設(shè)備在結(jié)構(gòu)完整性方面的分級(jí)要求。歸類為IOF的部件在結(jié)構(gòu)完整性要求上高于設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)范1級(jí)，被認(rèn)為在壽期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整性失效。IOF論證過程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工作，包括了設(shè)計(jì)、制造、在役檢查和監(jiān)控以及運(yùn)行維護(hù)等多方面的內(nèi)容，論證工作一般通過CAE（Claim-Argument-Evidence）的形式編制安全實(shí)例來完成。IOF論證的核心是斷裂力學(xué)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)對(duì)象與破裂排除概念類似，為基于役前或者在役檢查的裂紋檢出能力而確定的一個(gè)表面裂紋。IOF論證中涉及的因素更多，如需要在役檢查能力要滿足合理可行盡量低的原則；開展在役檢查缺陷檢出能力驗(yàn)證和第三方獨(dú)立驗(yàn)證等。裂紋分析中考慮的載荷工況更復(fù)雜，要求盡量全面地考慮影響裂紋結(jié)構(gòu)完整性的因素，如需要考慮焊接殘余應(yīng)力影響等。雖然對(duì)于滿足IOF要求的管道，可以不考慮其管道破裂的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，但是這種方法代價(jià)過于高昂，因此可能的使用范圍僅局限于主管道、主蒸汽等重要管線。

綜上所述，雖然第1節(jié)提到的各種方法都可以達(dá)到去除管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)的目的，但是各種方法依據(jù)的原理有差異，實(shí)施手段和難易程度不同，適用對(duì)象也不完全相同，當(dāng)然達(dá)到的效果也各異。各種方法的簡單對(duì)比見表3。

表3 高能管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)消除方法的要求對(duì)比Table 3 Comparison of requirements for methods to eliminate dynamic effects of high energy piping break

3 工程應(yīng)用情況

合理地考慮高能管道破裂導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)效應(yīng)是壓水堆核電站設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。上文提到的破管動(dòng)態(tài)效應(yīng)消除方法，均在核電站設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。具體的應(yīng)用范圍和應(yīng)用特點(diǎn)有差異。

破口假定免除方法，因判定方法簡單，實(shí)施方便，在不同類型的壓水堆電站中均得到了廣泛應(yīng)用。安全殼貫穿區(qū)域的破口假定免除多應(yīng)用在主蒸汽管道中，如傳統(tǒng)的M310堆型、CPR1000、U.S.EPR。在三代堆型核電站研發(fā)中，該方法得到了更大范圍內(nèi)的應(yīng)用，如AP1000堆型中該方法使用在了所有安全殼貫穿區(qū)域的高能管道中。

破前漏技術(shù)也是一種應(yīng)用較為廣泛的管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)消除方法，主要應(yīng)用在安全殼內(nèi)，應(yīng)用對(duì)象為規(guī)范1、2級(jí)管道。該方法廣泛應(yīng)用于在役電站的改造、新電站設(shè)計(jì)和新堆型的研發(fā)中。在CPR 1000堆型和一些傳統(tǒng)的“二代電站”中，破前漏技術(shù)主要應(yīng)用在主管道中，在新研發(fā)的堆型中，破前漏技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。在華龍堆型、U.S.EPR堆型中，破前漏技術(shù)應(yīng)用到了主管道、波動(dòng)管和主蒸汽管道，在AP1000堆型中破前漏技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用在了安全殼內(nèi)除主給水管道外所有6英寸以上的高能管道中。

破裂排除概念與破前漏技術(shù)的原理類似，最初主要應(yīng)用在德國，應(yīng)用范圍相對(duì)較小，要求應(yīng)用對(duì)象為規(guī)范1級(jí)管道，且一般只能應(yīng)用在新電站的設(shè)計(jì)和研發(fā)階段。在德國和法國聯(lián)合設(shè)計(jì)的EPR堆型中，破裂排除概念得到了應(yīng)用，應(yīng)用對(duì)象包括主管道和主蒸汽管道。其中主蒸汽管道的范圍為蒸汽發(fā)生器出口管嘴至主蒸汽隔離閥下游的第一個(gè)約束點(diǎn)位置。

IOF是英國核安全監(jiān)管的特殊要求，因此該設(shè)計(jì)方法僅應(yīng)用在英國，一般用在英國電站的設(shè)計(jì)或者通用設(shè)計(jì)審查中。不同的堆型中對(duì)IOF的稱呼也不相同。UK-EPR和UK-HPR 1000中稱為高結(jié)構(gòu)完整性部件(HIC：High Integ?rity Components)，UK-AP 1000中稱為高安全特性 部 件(HSS：Highest Safety Significant Compo?nents)，UK-ABWR中稱為非常高結(jié)構(gòu)完整性部件(VHI：Very High Integrity Components)。在各堆型中IOF的應(yīng)用范圍、論證方法也各有差異，應(yīng)用達(dá)到的效果也根據(jù)與ONR的溝通來落實(shí)。

綜上所述，對(duì)于管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)消除方法，破前漏技術(shù)和破口假定免除方法既可以應(yīng)用于電站的設(shè)計(jì)和研發(fā)階段，又可以應(yīng)用于在役電站的改造，應(yīng)用范圍較廣，而破裂排除概念和IOF一般只能應(yīng)用與電站的設(shè)計(jì)和研發(fā)階段。

4 結(jié)論

高能管道破裂的動(dòng)態(tài)效應(yīng)通常是核電站關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)的重要影響因素。合理地選擇管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案是核電站設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作。本文介紹了壓水堆核電站常用的幾種高能管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)消除方法，對(duì)各個(gè)方法的原理、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用效果以及在工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。破口動(dòng)態(tài)效應(yīng)消除方法都是通過提高設(shè)計(jì)要求避免缺陷的出現(xiàn)，加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控控制缺陷的擴(kuò)展，進(jìn)行必要的或者詳細(xì)的斷裂力學(xué)分析證明結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性這些手段中的一種或者幾種的組合完成的。本文提到的方法可以為設(shè)計(jì)者在管道破裂動(dòng)態(tài)效應(yīng)防護(hù)工作中提供幫助和參考，其中破前漏技術(shù)和破口假定免除方法也可以應(yīng)用于在役電站的設(shè)計(jì)改造中。