AP1000安全殼整體泄漏率試驗(yàn)探討

于涇緯　左濤

摘要：核電機(jī)組在投入運(yùn)行前，需模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故狀態(tài)來(lái)測(cè)量和計(jì)算安全殼的整體泄漏率，以確保安全殼的密封性符合法規(guī)要求。文章在介紹了試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，分析了國(guó)內(nèi)首次鋼制安全殼整體泄漏率試驗(yàn)的特點(diǎn)，探討了試驗(yàn)的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，以期為國(guó)內(nèi)首次試驗(yàn)執(zhí)行提供參考與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：AP1000鋼制安全殼；整體泄漏率；泄漏率試驗(yàn)；核電機(jī)組；密封性 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TL364 文章編號(hào)：1009-2374（2015）16-0038-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.16.018

1 概述

安全殼作為核電站的第三道安全屏障，在正常運(yùn)行時(shí)及失水事故（LOCA）造成的溫度和壓力下，均應(yīng)保證具有規(guī)定的密封性。在機(jī)組投入運(yùn)行前，安全殼要承受一次被稱為預(yù)運(yùn)行的整體泄漏率試驗(yàn)（Integrated Leakage Rate Test，ILRT，又稱為A類試驗(yàn)），主要目的是模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下測(cè)量和計(jì)算安全殼的泄漏率，以確保安全殼的密封性符合法規(guī)要求。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)核電廠安全殼均為預(yù)應(yīng)力混凝土式結(jié)構(gòu)，鋼制安全殼也是首次運(yùn)用，對(duì)該項(xiàng)試驗(yàn)的研究尚屬起步階段。本文在初步介紹了試驗(yàn)要求、試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，分析了國(guó)內(nèi)首次鋼制安全殼整體泄漏率試驗(yàn)的特點(diǎn)，探討了試驗(yàn)的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，以期為國(guó)內(nèi)首次試驗(yàn)執(zhí)行提供參考與指導(dǎo)。

2 AP1000整體泄漏率試驗(yàn)要求

AP1000安全殼為鋼制結(jié)構(gòu)，除了在事故工況限制裂變產(chǎn)物的釋放外，還與非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)一起將殼內(nèi)的熱量傳遞給殼外最終熱阱——大氣。

AP1000安全殼參數(shù)如表1所示：

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

ILRT試驗(yàn)時(shí)要向安全殼內(nèi)充壓到設(shè)計(jì)壓力0.407MPa（表壓，稱為Pd），安全殼內(nèi)許多儀器設(shè)備無(wú)法承受這個(gè)壓力，需要進(jìn)行技術(shù)處理，系統(tǒng)或設(shè)備需要隔離等，因此，執(zhí)行該試驗(yàn)前需做大量的準(zhǔn)備工作。以下列出了一些重要準(zhǔn)備工作：（1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后需暴露在大氣環(huán)境下的工藝系統(tǒng)已按照要求排空并打開對(duì)空；（2）一回路主冷卻劑系統(tǒng)液位應(yīng)降到熱段半管液位或更低；（3）安全殼內(nèi)不能承受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故壓力的物項(xiàng)已被移除或者隔離，如儀表盤等；（4）安全殼內(nèi)已清除易燃易爆的物品，對(duì)已承壓容器進(jìn)行降壓或者對(duì)空；（5）試驗(yàn)用儀器儀表已按照要求安裝好；（6）所有安全殼隔離閥已處于關(guān)閉狀態(tài)；（7）安全殼壓力高觸發(fā)的儀控邏輯控制已被閉鎖；（8）已完成試驗(yàn)前的安全殼檢查，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的任何影響到安全殼結(jié)構(gòu)完整性或者泄漏密封性的結(jié)構(gòu)退化需在試驗(yàn)前進(jìn)行修復(fù)和再確認(rèn)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

安全殼臨時(shí)空氣供給設(shè)備包：（1）至少包括3臺(tái)空氣壓縮機(jī)，能提供0.689MPa（表壓）的無(wú)油空氣，流量10194m3/hr；（2）一組空氣干燥器，總?cè)萘磕芴幚砩鲜隽髁康目諝饬鳎唬?）空氣過(guò)濾機(jī)組，總能力能處理上述流量的空氣流。臨時(shí)安全殼監(jiān)測(cè)儀表數(shù)量和參數(shù)要求如表2所示：

2.3 其他試驗(yàn)要求

（1）安全殼結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)（Structure Integrality Test，SIT）與整體泄漏率試驗(yàn)一并進(jìn)行，先執(zhí)行SIT后執(zhí)行ILRT；（2）安全殼貫穿件泄漏率試驗(yàn)（B類試驗(yàn)）和安全殼隔離閥泄漏率試驗(yàn)（C類試驗(yàn)）已成功完成；（3）試驗(yàn)用的數(shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)分析軟件滿足美國(guó)10CFR50法規(guī)要求，臨時(shí)安全殼監(jiān)測(cè)儀表需在ILRT試驗(yàn)執(zhí)行前最近半年內(nèi)標(biāo)定過(guò)；（4）試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中，升壓速率不超過(guò)2.5psig/h（0.017MPa·g/h），降壓速率不超過(guò)10psig/h（0.069MPa·g）。

3 試驗(yàn)方法和原理

3.1 試驗(yàn)執(zhí)行

ILRT試驗(yàn)執(zhí)行階段可分為7個(gè)階段：（1）升壓階段。將安全殼內(nèi)空氣加壓到0.455MPa·g（1.1倍Pd）之上，執(zhí)行SIT試驗(yàn)；（2）檢查階段。將安全殼壓力降至設(shè)計(jì)壓力0.407MPa·g，進(jìn)行SIT試驗(yàn)的整個(gè)安全殼外壁檢查；（3）降壓階段。成功完成SIT試驗(yàn)后，將安全殼內(nèi)空氣降壓到0.346MPa·g（85%Pa）；（4）穩(wěn)定階段。至少穩(wěn)定24小時(shí)，為ILRT試驗(yàn)執(zhí)行建立好初始狀態(tài)；（5）升壓階段。重新將安全殼內(nèi)空氣加壓到設(shè)計(jì)壓力0.407MPa·g（Pd）并維持至少24小時(shí)，以相同時(shí)間間隔收集至少30組ILRT試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（6）驗(yàn)證性試驗(yàn)。A類試驗(yàn)結(jié)果需進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)，驗(yàn)證性試驗(yàn)采用ANSI/ANS-56.8中的疊加泄漏法。試驗(yàn)至少持續(xù)4小時(shí)，以相同時(shí)間間隔收集至少15組數(shù)據(jù)；（7）降壓階段。降壓安全殼內(nèi)空氣壓力并恢復(fù)到大氣壓力狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)原理

上述算式表明，每個(gè)測(cè)量值對(duì)泄漏率的計(jì)算都有直接影響。因此，繪制每個(gè)試驗(yàn)階段的、、和隨時(shí)間變化圖以利于泄漏率的分析和預(yù)測(cè)。

這種方法在于測(cè)量包容在安全殼內(nèi)空氣的壓力變化和平均溫度的變化，干空氣的壓力等于安全殼內(nèi)總的絕對(duì)壓力P減去水蒸汽的分壓力Pv，通過(guò)測(cè)定局部濕度經(jīng)加權(quán)計(jì)算獲得水蒸汽分壓力。安全殼內(nèi)水蒸汽平均分壓計(jì)算：Pv=；平均溫度可通過(guò)對(duì)部分容積測(cè)定足夠數(shù)量的局部溫度經(jīng)加權(quán)計(jì)算得到：。

下標(biāo)i表示測(cè)量期間的第i個(gè)采樣周期。

3.3 驗(yàn)收準(zhǔn)則

4 AP1000鋼制安全殼整體泄漏率試驗(yàn)的特點(diǎn)

第一，AP1000 ILRT試驗(yàn)采用美國(guó)ANSI/ANS-56.8 1994標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)安全殼泄漏率試驗(yàn)基本采用法國(guó)RCCM標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)采用不同標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致了測(cè)量泄漏率的壓力平臺(tái)不同。ANSI僅要求在設(shè)計(jì)壓力平臺(tái)下收集泄漏率數(shù)據(jù)，而法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則除了在升壓和降壓的設(shè)計(jì)壓力平臺(tái)收集數(shù)據(jù)外，還需在低壓力平臺(tái)測(cè)量參考泄漏率。

第二，AP1000 ILRT在試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集處理后，還需要進(jìn)行一次驗(yàn)證試驗(yàn)以驗(yàn)證得出的泄漏率是有效并準(zhǔn)確的，驗(yàn)證試驗(yàn)是通過(guò)疊加已知流量的泄露，在對(duì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不進(jìn)行任何調(diào)整的前提下，再次進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，驗(yàn)收準(zhǔn)則參考3.3。目前國(guó)內(nèi)核電廠的泄漏率驗(yàn)證，均是采用比對(duì)SIT試驗(yàn)前后的兩次泄漏率測(cè)量數(shù)據(jù)，人為的認(rèn)定是否準(zhǔn)確，還缺乏系統(tǒng)的驗(yàn)證。

第三，目前國(guó)內(nèi)核電在ILRT期間使用的空壓機(jī)一般為租賃3臺(tái)，AP1000 ILRT由于充壓速率快，目前要求使用6臺(tái)（5用1備）空壓器，租賃費(fèi)用較高，占用場(chǎng)地較大，目前設(shè)計(jì)擺放在YARD區(qū)域。

第四，AP1000 ILRT試驗(yàn)過(guò)程中不要求人員帶壓進(jìn)入安全殼內(nèi)進(jìn)行目視和聽音檢查。如果實(shí)在有必要，可以在低于0.0545MPa下派遣有資質(zhì)人員進(jìn)入。不帶壓進(jìn)入安全殼降低了人員安全的風(fēng)險(xiǎn)，也減少了由此帶來(lái)的體檢、救護(hù)等方面的支出。

第五，升壓和降壓速率遠(yuǎn)大于預(yù)應(yīng)力混凝土式安全殼的泄漏率試驗(yàn)。預(yù)應(yīng)力混凝土式安全殼為保護(hù)鋼襯里不與筒身混凝土剝離，加壓速率和降壓速率一般不得超過(guò)12kPa/hr，而鋼制安全殼為單層結(jié)構(gòu)，無(wú)此擔(dān)憂，故升壓速率可達(dá)到34kPa/hr，目前由于為了與SIT試驗(yàn)升壓速率匹配，降低了升壓速率，要求不超過(guò)17kPa/hr；試驗(yàn)后降壓速率可達(dá)到69kPa/hr，極大地縮短了試驗(yàn)

時(shí)間。

第六，安全殼外觀檢查的壓力平臺(tái)與國(guó)內(nèi)核電廠安全殼外觀檢查的壓力平臺(tái)稍微不同。AP1000需進(jìn)行3次安全殼外觀檢查，分別在SIT試驗(yàn)中，SIT試驗(yàn)結(jié)束后且ILRT試驗(yàn)前，以及ILRT試驗(yàn)后。而國(guó)內(nèi)的外觀檢查也有3次，但分別在試驗(yàn)前、試驗(yàn)峰值和試驗(yàn)后，亦即國(guó)內(nèi)帶壓下外觀檢查僅一次。

5 試驗(yàn)難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析

第一，試驗(yàn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，一般在試驗(yàn)前幾個(gè)月就開始統(tǒng)計(jì)安全殼內(nèi)非耐壓設(shè)備清單，試驗(yàn)前1個(gè)月開始安裝臨時(shí)試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)非耐壓設(shè)備進(jìn)行隔離或拆除以及對(duì)殼內(nèi)的設(shè)備在線等工作。試驗(yàn)后安全殼內(nèi)設(shè)備恢復(fù)也需要半周時(shí)間。

第二，試驗(yàn)執(zhí)行直接占據(jù)電廠調(diào)試的關(guān)鍵路徑。ILRT試驗(yàn)期間，安全殼內(nèi)無(wú)法進(jìn)行其他工作，直接占用試驗(yàn)人力和花費(fèi)昂貴，為避免影響調(diào)試主路徑以及節(jié)約成本考慮，要求試驗(yàn)一次成功且盡可能的縮短試驗(yàn)

工期。

第三，試驗(yàn)中安全殼的外觀目視檢查存在一定困難。機(jī)組運(yùn)行后的定期試驗(yàn)時(shí)，安全殼地面10m之上的外觀檢查通過(guò)屏蔽廠房地面42m平臺(tái)的人員吊籃進(jìn)行，調(diào)試期間首次試驗(yàn)也需要借助大量腳手架。由于AP1000中屏蔽廠房與安全殼之間的上部環(huán)形空間設(shè)計(jì)狹小，間距僅為1.2m，人員檢查存在困難，也會(huì)延長(zhǎng)關(guān)鍵路徑上的工作。另外，空間處的正常照明還不足夠，需臨時(shí)搭設(shè)大功率照明燈以及使用輔助手電筒方便檢查人員進(jìn)行外觀檢查。

第四，上部環(huán)形空間處空氣導(dǎo)流板的拆除和安裝工期較長(zhǎng)，對(duì)調(diào)試進(jìn)度影響較大。為方便安全殼外觀檢查，需拆除空氣導(dǎo)流板，檢查完后還需恢復(fù)導(dǎo)流板，或試驗(yàn)前不安裝導(dǎo)流板。由于環(huán)形空間狹小，西屋公司初步分析僅導(dǎo)流板恢復(fù)工期就需2個(gè)月。如何在狹小環(huán)形空間方便導(dǎo)流板拆除和恢復(fù)安裝，縮短對(duì)調(diào)試工期的影響，需要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)人員就地考慮臨時(shí)腳手架的搭設(shè)等

問題。

第五，鋼制安全殼的變形量較大。根據(jù)目前加壓要求使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析后，AP1000鋼制安全殼在加壓到設(shè)計(jì)壓力時(shí)會(huì)存在大變形（徑向約50mm，軸向約70mm），如此較大變形帶來(lái)的問題，如安全殼附屬結(jié)構(gòu)的保護(hù)問題是在準(zhǔn)備期間就需解決的問題。

6 結(jié)語(yǔ)

ILRT試驗(yàn)為一項(xiàng)涉及到大量臨時(shí)試驗(yàn)設(shè)備以及電廠工藝系統(tǒng)的綜合性試驗(yàn)，加上試驗(yàn)人力和花費(fèi)昂貴，若想試驗(yàn)一次成功必須做好充分的準(zhǔn)備和高度的計(jì)劃性。本文僅初步探討了試驗(yàn)的流程和試驗(yàn)難點(diǎn)，以期拋磚引玉為同行研究該項(xiàng)試驗(yàn)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] ANSI ANS-56.8-1994，Containment System Leakage Testing Requirements.

[2] 10 CFR Appendix J to Part 50——Primary Reactor Containment Leakage Testing for Water-Cooled Power Reactors.

[3] AP1000 Document APP-CNS-T1-501，Rev.2，Containment System Preoperational Test Specification.

作者簡(jiǎn)介：于涇緯（1987-），男，遼寧朝陽(yáng)人，三門核電有限公司調(diào)試處助理工程師，研究方向：AP1000安全系統(tǒng)調(diào)試。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）