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        電儀設(shè)備EQML的篩選方法研究

        2022-01-05 18:21:54劉亞男劉飛洋歐陽宏志王新林
        儀器儀表用戶 2021年12期
        關(guān)鍵詞:電儀核電廠部件

        劉 華,游 洲,劉亞男,劉飛洋,王 偉,歐陽宏志,王新林

        (1.南華大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001;2.中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家級重點實驗室,成都 610041)

        環(huán)境鑒定是設(shè)備鑒定的主要內(nèi)容之一,是驗證設(shè)備在正常與事故環(huán)境條件下的性能[1]。依據(jù)已有運行經(jīng)驗,電儀設(shè)備異常導(dǎo)致的自動或強(qiáng)迫停堆檢修事件屢有發(fā)生,運行許可證延續(xù)(OLE)非常關(guān)注電儀設(shè)備的正常運行[2]。進(jìn)行OLE必須開展電儀設(shè)備的環(huán)境鑒定(EQ)管理活動,確保處于嚴(yán)酷環(huán)境中的電儀設(shè)備在受到服役期間的老化影響后,仍具有在嚴(yán)酷環(huán)境中實現(xiàn)其預(yù)期功能的能力。鑒于上述原因和工程背景,在執(zhí)照更新中,選取對核電廠安全運行有影響的電儀設(shè)備,形成環(huán)境鑒定電儀設(shè)備清單,作為環(huán)境鑒定時限老化分析(TLAA)的對象,需要開展設(shè)備鑒定物項清單(EQML)篩選方法研究。

        1 電儀設(shè)備篩選的背景

        1.1 電儀設(shè)備簡介

        本文涉及的電儀設(shè)備是指安全重要且處于嚴(yán)酷環(huán)境下的電儀設(shè)備,該類設(shè)備通??煞譃?類:①安全相關(guān)的電儀設(shè)備;②非安全相關(guān)的電儀設(shè)備,但其失效能夠影響安全相關(guān)電儀設(shè)備實現(xiàn)其預(yù)期功能;③事故后監(jiān)測設(shè)備。嚴(yán)酷環(huán)境是指核電廠假想的設(shè)計基準(zhǔn)事故和事故后工況下的預(yù)期環(huán)境,如由安全殼內(nèi)的失水事故、主蒸汽管道破裂和高能管道破裂工況,安全殼外的高能管道破裂,或失水事故后工況引起的預(yù)期環(huán)境。

        EQML指核電廠許可證持有者制定的需要環(huán)境鑒定的電氣設(shè)備清單。基于TLAA的EQML電儀設(shè)備篩選是基于電廠的執(zhí)照更新和整體電廠評估來實施開展的。電儀設(shè)備EQML的篩選方法存在差異,各有特點和側(cè)重。

        1.2 電儀設(shè)備篩選方法和程序的定位

        按 照 導(dǎo) 則NEI95-10[3]、NUREG 1800[4]章 節(jié)4.4及NUREG1801[5]章節(jié)VI.B,電氣設(shè)備的環(huán)境鑒定是TLAA要考慮的組成部分,并應(yīng)按照10CFR50.49進(jìn)行。特別的,根據(jù)10CFR50.49(c)所述的環(huán)境鑒定不包括電氣設(shè)備的動態(tài)和抗震鑒定以及和緩環(huán)境下的環(huán)境鑒定。通??紤]的對象為電氣設(shè)備中的有機(jī)聚合物及金屬材料(NUREG1801 VI.B),通常的條件包括冷卻劑喪失事故LOCA、高能管道破裂HLB以及LOCA后的環(huán)境(如高熱、輻照、氧化、潮濕等惡劣環(huán)境)。因此,對于和緩環(huán)境下的電氣設(shè)備,如無顯著的老化機(jī)理,無需確定鑒定壽命。在這種情況下,無需開展復(fù)雜的TLAA分析,按照電廠正常的試驗維護(hù)程序進(jìn)行管理即可。

        電儀設(shè)備篩選方法、程序,可以從下面幾個方面進(jìn)行定位:

        1)實際電廠角度:篩選方法和程序應(yīng)該與每個核電廠的實際情況結(jié)合起來,體現(xiàn)一定的靈活性和適應(yīng)性。

        2)項目實踐角度:電儀設(shè)備篩選方法和程序應(yīng)該在尊重老化管理審查框架的基礎(chǔ)上,還要注重效率,適當(dāng)優(yōu)化,減少人力、物力的占用和消耗。篩選方法和程序應(yīng)該體現(xiàn)出一定的EQML篩選收斂性。

        3)工程學(xué)科角度:不同類型的設(shè)備或設(shè)備組,篩選方法和程序應(yīng)該充分考慮這些設(shè)備的物理特點、環(huán)境特點、運行特點等。篩選方法和程序應(yīng)該體現(xiàn)EQML的電儀設(shè)備對應(yīng)性。

        4)老化管理審查角度:EQML篩選方法和程序應(yīng)該與儀控電設(shè)備老化管理的設(shè)備篩選方法具備承接特性和一致性。國外已有執(zhí)照更新體系的角度:從宏觀角度,對國際原子能組織IAEA、法國、美國等主要技術(shù)體系的兼收并蓄,各取所長。IAEA長周期運行,基于全生命周期的老化管理,內(nèi)容的系統(tǒng)性好;法國開展每10年的定期安全審查PSR;美國的執(zhí)照更新,在核電廠40年運行基礎(chǔ)上再延長20年;從操作和細(xì)節(jié)角度,美國執(zhí)照更新體系的電儀設(shè)備環(huán)境鑒定和TLAA可操作性強(qiáng),依據(jù)具體、明確的篩選準(zhǔn)則,評估和審查的流程簡潔,邏輯清晰。因此,篩選方法和流程可以遵循美國的體系為主,IAEA的作為輔助參考。

        1.3 老化管理的設(shè)備篩選方法

        核電廠取得執(zhí)照更新,EQML篩選需要充分結(jié)合已有的老化管理審查中使用的篩選方法和結(jié)論,從而使審查耗費的調(diào)查、時間和人力并不像預(yù)期那么多。

        電站空間方法是執(zhí)行電站范圍老化管理審查的一種方法。一些電廠將這種方法作為篩選和篩除程序的一部分。在篩選過程中,除特別篩除的電纜外,所有電纜都被認(rèn)為在篩選范圍內(nèi)。在電廠規(guī)定的大范圍(比如反應(yīng)堆廠房、進(jìn)水建筑物等)內(nèi),比較部件材料的老化特性與運行環(huán)境下的理論老化特性,以判定這些區(qū)域的材料是否提前老化。

        邊界方法學(xué),也是執(zhí)行電站范圍老化管理審查的一種方法。初步篩選范圍主要包括所有的電站系統(tǒng),進(jìn)一步的篩選(擴(kuò)展功能篩選)在篩選階段進(jìn)行。從電廠電氣部件中篩選出非能動和長壽命部件,然后從留下的電氣設(shè)備組中進(jìn)行再篩選(延伸功能篩選)。這些是通過采用類似電站空間方法對絕緣電纜和連接件進(jìn)行審查來實現(xiàn)的。

        1.4 考慮設(shè)備特性的電儀設(shè)備篩選

        電儀設(shè)備篩選不同于機(jī)械設(shè)備的篩選。因為電氣和機(jī)械部件存在著一個基本區(qū)別是大多數(shù)電氣部件是非能動的而被篩除在整體電廠評估范圍外,另一個主要區(qū)別是機(jī)械部件的內(nèi)環(huán)境比外環(huán)境老化跡象明顯。而電氣部件正好相反,其外環(huán)境通常老化的跡象即環(huán)境惡化的程度更明顯。例如,核電廠最大的電氣設(shè)備組——電纜和連接件在普通的電廠區(qū)域都有分布。在同一區(qū)域的電纜和連接件暴露在相同的外部環(huán)境中。

        2 電儀設(shè)備篩選方法探討

        2.1 系統(tǒng)邊界篩選方法

        系統(tǒng)邊界篩選方法的基本出發(fā)點是電廠里的所有電氣和儀控系統(tǒng)都包含在執(zhí)照更新范圍內(nèi)。系統(tǒng)邊界篩選方法的范圍是最寬的,即電廠里的全部電氣和儀控系統(tǒng)[6]。

        一般來說,系統(tǒng)邊界篩選方法默認(rèn)的結(jié)論是所有的電氣和儀控系統(tǒng)都屬于執(zhí)照更新范圍,這體現(xiàn)了一種用于電氣系統(tǒng)整體電廠評估的方法。這與機(jī)械系統(tǒng)和構(gòu)筑物篩選的常規(guī)方法不同。由于該方法的篩選范圍過于寬泛,所以時間消耗大,效率低,操作起來不方便。

        2.2 系統(tǒng)級預(yù)期功能篩選方法

        系統(tǒng)級預(yù)期功能篩選方法具有較好的適應(yīng)性和靈活性。不同于系統(tǒng)邊界篩選方法,系統(tǒng)級預(yù)期功能篩選的范圍縮小了,只在具有執(zhí)照更新預(yù)期功能的系統(tǒng)中篩選即可。出發(fā)點可以說是基于執(zhí)照更新預(yù)期功能為導(dǎo)向,這種方法需要鑒別和標(biāo)識部件或部件類型。系統(tǒng)級預(yù)期功能篩選方法體現(xiàn)了做減法和層次性的思想,篩選的效率提高了。第一個層次的篩選和做減法:不具有執(zhí)照更新預(yù)期功能的系統(tǒng),就被篩除,不作為EQML集合里的系統(tǒng)或設(shè)備;第二個層次的篩選和做減法:非能動部件和長壽命部件因為不是老化管理審查的對象,被篩除出去,不作為EQML集合里的設(shè)備。采用這種方法,可以在篩選過程中,有效率地排除核電廠空間內(nèi)任何沒有執(zhí)照更新預(yù)期功能設(shè)備的區(qū)域,還能邏輯清晰地排除能動部件和短壽命部件,從而節(jié)省人力物力,提高篩選效率。

        2.3 全系統(tǒng)和部件篩選方法

        全系統(tǒng)和部件篩選方法依據(jù)美國聯(lián)邦法規(guī)§54.4中的標(biāo)準(zhǔn),對相應(yīng)系統(tǒng)中的電氣系統(tǒng)和部件進(jìn)行細(xì)粒度的篩選,包括每一根絕緣電纜?!?4.4涉及的篩選很寬泛,這種方法收斂性不好,EQML的結(jié)果過于龐雜,還需要依賴電纜數(shù)據(jù)庫。這種方法花費大,收益低,不建議使用[7]。

        3 EQML篩選過程的考慮因素

        EQML的篩選,是一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程。篩選過程是與篩選方法緊密結(jié)合的。

        1)最優(yōu)篩選

        電儀設(shè)備的EQML篩選實施過程中,最優(yōu)的篩選方法和程序沒有絕對固定的衡量標(biāo)準(zhǔn),有很多考慮因素,例如核電廠的現(xiàn)行執(zhí)照基準(zhǔn)(CLB)、實際運行經(jīng)驗、其他核電廠運行經(jīng)驗反饋以及核電廠現(xiàn)有的工程評估結(jié)果。在某個核電廠最優(yōu)篩選可能意味著篩選留下的部件數(shù)量最小,在另一個核電廠最優(yōu)篩選可能意味著篩選需要花費的時間和人力最少。

        2)篩選結(jié)果的數(shù)量比例

        非能動和長壽命部件的篩除,使老化管理審查刪除了大部分電氣部件。例如,非能動部件篩除,使NEI 95-10附錄B中90%以上的電氣設(shè)備組沒進(jìn)入EQML。

        3)篩選的粒度

        篩選的粒度即篩選的精細(xì)程度?!?4.4中的篩選規(guī)程沒有規(guī)定具體細(xì)化的篩選行為,而是提供了確定部件或系統(tǒng)是否屬于審查范圍的判斷標(biāo)準(zhǔn)?;诤Y選準(zhǔn)則,可操作性強(qiáng)。

        4)篩選的時間點

        一般來說,篩選可以在任何時候執(zhí)行。對于絕緣電纜和連接件,如果將篩選推遲到AMR末尾的時間段,可以限制篩選次數(shù)。采用邊界方法時,篩選時間點可以是在役檢查期間(執(zhí)照更新申請?zhí)峤缓螅┗蚶匣芾泶缶V的實施執(zhí)行期間。任何時候都可能出現(xiàn)部件不符合§54.4篩選標(biāo)準(zhǔn)的情況,鑒于執(zhí)照更新要求的考慮,可以將其刪除。這為篩選程序提供了靈活性和機(jī)動性,而又不會增加過多工作量。

        4 篩選方法的應(yīng)用

        系統(tǒng)級預(yù)期功能篩選作為美國核電廠許可證更新工作中的電儀設(shè)備篩選方法,具有可操作性強(qiáng)的優(yōu)點,同時具備時間和效率優(yōu)勢。多個運行核電廠均采用此方法,例如美國的Palisades核電廠、Point Beach核電廠、Oconee 核電廠、ANO-1核電廠等。結(jié)合國內(nèi)運行許可證延續(xù)工作的開展和實踐,篩選方法和篩選過程的操作與美國核電廠的系統(tǒng)級預(yù)期功能篩選方法一致。

        4.1 對電儀設(shè)備系統(tǒng)級篩選

        篩選需識別各電儀系統(tǒng)所執(zhí)行的功能。根據(jù)10CFR54.4(a),屬于許可證延續(xù)考慮范圍內(nèi)的系統(tǒng)的3條具體篩選判定準(zhǔn)則如下:

        1)篩選準(zhǔn)則1:安全有關(guān)的系統(tǒng)、設(shè)備和部件

        即系統(tǒng)在設(shè)計基準(zhǔn)事故中和事故后需承擔(dān)或者支持以下功能:保持反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的完整性,保持停堆和維持停堆狀態(tài)的能力,防止放射性外泄事件或緩解外泄事件的后果,具體以CLB為準(zhǔn)(10CFR54.4(a)(1))。

        2)篩選準(zhǔn)則2:不執(zhí)行安全功能的系統(tǒng)

        不執(zhí)行安全功能的系統(tǒng),但系統(tǒng)的失效會影響準(zhǔn)則1對安全有關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行其安全功能(10CFR54.4(a)(2))。

        3)篩選準(zhǔn)則3:安全分析或電廠評估中依靠其功能,從而滿足防火(10CFR50.48)、環(huán)境鑒定(10CFR50.49)、承壓熱沖擊(10CFRS0.61)、未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)(ATWS)(1OCFR50.62),和全廠斷電(10CFR50.63)等功能的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件10CFR54.4(a)(3)。

        針對每個電儀系統(tǒng),根據(jù)上述3條篩選準(zhǔn)則進(jìn)行分析和篩選,對于篩選出來的系統(tǒng),以表的形式進(jìn)行匯總統(tǒng)計,具體見表1。

        表1 系統(tǒng)級篩選清單(示例)Table 1 System-level screening list (example)

        4.2 設(shè)備和部件篩選

        在上述系統(tǒng)級篩選的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步確定需進(jìn)行時限老化分析的設(shè)備和部件,篩選出需要時限老化分析的設(shè)備清單。根據(jù)10CFR54.3和NEI95-10的要求,篩選出的設(shè)備和部件必須完全滿足下述6條具體判定準(zhǔn)則和有關(guān)CLB的鑒定要求:

        1)在3.5.1系統(tǒng)級篩選的范圍內(nèi)。

        2)涉及老化效應(yīng)的計算和分析,如材料損失、韌性降低、預(yù)應(yīng)力降低、沉降、開裂、絕緣性能降低等。

        3)目標(biāo)期限為當(dāng)前許可證年限,即30年。

        4)電廠確定的與安全決策相關(guān)的計算和分析。

        5)經(jīng)3.5.1篩選出的電儀設(shè)備需執(zhí)行預(yù)期功能,該設(shè)備和部件應(yīng)能支撐上述功能或提供與結(jié)論依據(jù)相關(guān)的計算和分析。

        6)CLB所包含或引用的計算和分析,分析結(jié)果以參考文件的形式納入CLB。

        篩選和判定的邏輯:

        上述6條準(zhǔn)則,電儀系統(tǒng)及其設(shè)備只要有一條不滿足,就不進(jìn)入篩選范圍,即不考慮TLAA;電儀系統(tǒng)及其設(shè)備必須6條準(zhǔn)則全部滿足,才進(jìn)入篩選,接下來開展TLAA分析。根據(jù)上述要求和CLB,篩選出需要滿足設(shè)備鑒定要求的電儀設(shè)備完整清單,篩選最終結(jié)果詳見表2。

        表2 需要時限老化分析的設(shè)備清單(示例)Table 2 List of equipment requiring time-bound aging analysis (example)

        5 總結(jié)

        本文介紹電儀設(shè)備的宏觀范圍、篩選的意義和工程背景,分析了系統(tǒng)邊界篩選方法、系統(tǒng)級預(yù)期功能篩選方法、全系統(tǒng)和部件篩選方法;其次,探討了EQML篩選過程的考慮因素;最后,給出了一個適合國內(nèi)運行核電廠的電儀設(shè)備EQML篩選方法和篩選過程,以及應(yīng)用篩選方法后的篩選結(jié)果示例。通過電儀設(shè)備EQML篩選方法研究,從理論角度為運行核電廠的許可證延續(xù)提供方法支撐,助力國內(nèi)運行核電廠的延壽實踐,積極推動和保障核電廠的安全運行,為國家的核能發(fā)展和雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

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