VVER機組國產化氫氣復合器可靠性分析初探

馬援東++王宏慶

摘 要：目前針對氫氣復合器在核島事故工況下的性能分析，國內外均有較細致深入的研究，但是對于氫氣復合器本身的可靠性分析，并未引起各方的關注。而氫氣復合器自身的可靠性，則對核島事故情況下的安全有同樣重要的影響，因此根據俄方技術規格書中對VVER核電機組氫氣復合器的技術要求，我們按照國內的可靠性定性和定量的分析方法，對國產化的氫氣復合器的可維修性、可靠運行時間、瞬時可用度、穩態有效度等指標進行了分析，分析結果滿足技術規格書的要求。

關鍵詞：氫氣復合器 VVER機組 可靠性 分析

中圖分類號：TE969 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0006-02

核電廠非能動氫復合器在設計基準事故和超設計基準堆芯熔化事故中，將安全殼內產生大量的氫氣在非能動條件下和氧氣催化反應生成水蒸汽，從而達到限制和降低安全殼中氫氣的濃度以防止達到氫氣燃燒限制（設計基準事故）和導致安全殼完整性破壞的臨界氫氣濃度（超設計基準事故）目的。目前對于氫氣復合器在核島事故工況下如何提高氫氣復合器的消氫性能，國內外進行了細致深入的研究，但是對于氫氣復合器本身的可靠性分析，并未引起各方的關注。而氫氣復合器自身的可靠性，則同樣對核島事故情況下的安全有重要的影響，因此本文根據VVER機組俄方技術規格書中對氫氣復合器的技術要求，按照國內的可靠性的定性和定量分析方法，對于氫氣復合器的可維修性、可靠性進行了初步分析，分析情況如下。

1 核島設計方技術規格書中關于可靠性的要求

根據俄羅斯圣彼得堡設計院在田灣核電站3、4號機組氫氣復合器技術規格書中提出的要求，需要對氫氣復合器本身的可維修性、可靠性、壽命等進行分析，以滿足以下指標要求[1]。

（1）非能動氫復

合器應能在原位置處進行維修，同一型號的設備的相同功能部件具有互換性，修復以后仍能保證可用，可維修性至少能保證8～10年。

（2）在40年壽期中可靠運行時間不少于7200 h。

（3）瞬時可用度（Instantaneous Availability Factor）不小于0.999。

（4）穩態有效度（Steady Availability）至少為0.95。

2 氫氣復合器的材料耐久性和可維修性分析

針對俄方技術規格書中關于非能動氫復合器可維修性要求，通過對國產化氫氣復合器的材料和結構情況進行定性分析，最終得出滿足可維修性要求的結論。

田灣核電站國產化氫氣復合器主要結構參數如表1所示。

2.1 殼體材料分析

氫氣復合器殼體材料為2mm厚0Cr18Ni9不銹鋼板，若暴露在沿海環境中，則在中國沿海地區腐蝕速率最高為0.148 mg/（m2·h）[2]，即40年腐蝕量為：0.148×24×365×40=51859.2 mg/m2

減薄量為：51859.2÷（7.93×109）=6.54×10-6m=6.54×10- 3mm

從殼體抗沖擊、抗震等力學情況看，上述減薄量完全在計算的安全范圍內，因此非能動氫復合器機殼暴露在沿海環境下的壽命不少于40年。而氫氣復合器實際上是安裝在核島環境中的，其腐蝕環境較正常沿海空氣環境要好，通過已有長期運行業績的國外氫氣復合器來看，德標1.4301材料基本等同于國標材料0Cr18Ni9，可以推斷國產化氫氣復合器材料在核島環境下10年不會出現明顯銹蝕，因此殼體材料選型和厚度均可以滿足40年核島環境存放和運行的要求。

2.2 支架材料分析

氫復合器安裝支架材料采用碳鋼Q235A，表面按照核島內設備要求涂漆， 40年壽命期內需要定期進行防腐檢查和維護，以保證整個壽命期的可用性。已有長期運行經驗的AREVA的氫氣復合器支架也采用類似的槽鋼結構和碳鋼材料，兩者具備可比性，同時經過力學計算，材料的安全系數遠遠超過實際使用要求，余度較大。（表2）

2.3 催化板材料分析

催化板由基材、催化劑載體以及貴金屬催化劑組成，需通過定期檢查和再生來保證其性能。催化板在消氫工作時，氫氣和氧氣在催化板表面發生化學反應，催化劑起催化作用，自身不發生消耗，因此在壽命期不會因催化劑消耗完而喪失其性能。在催化板結構完整的條件下，通過檢查和再生是可以保證其使用壽命大于10年的。雖然催化劑化學壽命可通過再生來保證，但是催化劑脫落是不可維修的。當脫落面積超過某個限值后，其消氫速率會達不到設計要求，造成催化板不可修復，必須進行更換以保證其功能。

2.4 可維修性分析

對于氫氣復合器的殼體和支架，通過上述材料分析，不更換的情況下，可滿足40年免更換的要求。而對于催化板，則需要通過定期檢修來進行保證。即在非能動氫復合器運行時，在每個大修周期抽檢8臺氫復合器，每臺氫復合器抽檢9張催化板，以保證安裝在核島內不同位置的44臺氫復合器中的催化板在一定壽命周期內均可以得到檢查（5.5年核島內44臺氫氣復合器均可被檢查一遍），以確保所有的氫氣復合器均可以處于有效狀態，同時氫氣復合器的安裝位置也能夠保證氫氣復合器的板片可以被拿下來檢驗，目前核島氫氣復合器的布置設計也較好的保證了該要求。若檢查到氫氣復合器板片涂層發生剝落且超過設計允許的范圍，則需要擴大檢查范圍，并對相應的催化板進行更換，通過這一手段和方式保持氫氣復合器運行的有效性，從而確保氫氣復合器8～10年可維修性和40年壽命的要求。

3 氫氣復合器的可靠性分析

3.1 可靠運行時間至少達到7200 h

安全殼發生嚴重事故至事故后，要求長達300天[1]，即7200 h內非能動氫復合器應能可靠運行，具備消氫的功能。

PARQX系列非能動氫復合器（帶催化板）進行按照氫氣復合器安裝于核島不同位置四種支撐型式進行了力學分析與評價，力學分析和評價結果表明，在整個壽命期40年內，氫復合器殼體及安裝結構均能滿足使用要求。在充分力學計算基礎上，為保證非能動氫復合器在地震條件下的可靠性，對PARQXF非能動氫復合器進行了整機抗震試驗。試驗結果表明，非能動氫復合器結構完整，安裝支架牢固，無松脫件脫落，催化板在安裝槽內穩固，催化劑無脫落，滿足抗震1I級要求。上述力學計算以及抗震試驗表明，殼體和安裝支架地震事故前和事故后均能夠在7200內保證結構的完整性。

催化板有效運行指標為催化板在至少7200 h的工作期間應保持完整，催化劑不出現脫落和失效。催化板基材采用耐熱不銹鋼，使用壽命大于7200 h；催化劑載體為Al2O3，化學性能穩定，使用壽命大于7200 h（三氧化二鋁作為穩定催化板載體在汽車三元催化器壽命分析中得到了有效驗證）；催化劑為貴金屬鉑和鈀，化學性質穩定，作為催化劑在化工行業廣泛使用，其正常連續工作使用壽命時間大于3年[3]；為了驗證氫氣復合器和催化板的穩定消氫性能，還組織進行了氫氣復合器穩定消氫氣試驗（連續12 h）和催化板長周期穩定消氫氣試驗（連續72 h和11天），通過這些試驗進一步驗證了催化板和氫氣復合器在工況條件下穩定消氫的性能，通過上述分析和試驗，表明非能動氫復合器在設計氫氣產生的工況下能夠保證可靠運行7200 h。

3.2 瞬時可用度（Instantaneous Availability Factor）不小于0.999。

瞬時可用度是指在某一特定的瞬時，可維修的產品保持正常使用狀態或功能的概率。對于非能動氫復合器是指在安全殼工作期內，一旦發生安全事故時，設備能夠正常工作的概率。

非能動氫復合器由金屬殼體、安裝支架和催化板三個功能單元組成。金屬殼體與安裝支架組成結構單元，催化板為功能單元，可靠性分析模型為串聯結構，其失效率均服從指數分布。按照金屬殼體和安裝支架的壽命40年，催化板的壽命3年，設定計算分析如下：

金屬殼體壽命期內失效率：

λ1 ===

=2.85×10-6（1/h）

安裝支架壽命期內失效率：

λ2====2.85×10-6（1/h）

催化板使用壽命為3年時失效率：

λ3 ====3.8×10-5（1/h）

非能動氫復合器瞬時可用度：

R（ABC）=R（A）·R（B）·R（C）=（1-λ1）·（1-λ2）·（1-λ3）=0.999956

由于催化板要求的無故障工作時間僅為7200 h，遠小于催化板使用壽命3年；同時，催化板是可維修產品，存在預防性維修周期為18個月（大修周期）的情況，其實際可靠度高于R（C），因此，非能動氫復合器瞬時可用度遠大于0.999956，滿足VVER機組氫氣復合器技術規格書要求。

3.3 穩態有效度（Steady Availability）至少為0.95

穩態可用度又叫可工作時間比，是瞬態可用度的極限，即t趨于無窮時，瞬時可用度的極限。金屬殼體與安裝支架經過力學分析與壽命分析，其壽命遠超過40年，穩態可用度為1。催化板為功能部件，其穩態可用度指穩態功能性能可用度，根據同類氫氣復合器統計數據分析，在7200 h的工作時間內，消氫性能有偏離的工作時間約為72 h（國外同類氫氣復合器的公開數據）。

催化板穩態可用度

=

==0.99

PARQX非能動氫復合器催化板與國外同類板片對比性能試驗證明，國內板片不低于國外板片性能，因此基本上述分析，其穩態有效度大于0.95，滿足技術規格書的要求。

4 結語

經過分析論證，PARQX非能動氫復合器可靠性、可維護性、壽命滿足VVER機組對非能動氫復合器各項可靠性指標要求。

參考文獻

[1] TIANWAN NPS Units 3&4 Technical specification for containment hydrogen removal system（LYG-Y-PD86-25-21240097-TS-0001-E 版本：A.

[2] 曹楚南.中國林料的自然環境腐蝕[M].化學工業出版社，2005.

[3] 朱洪法，劉麗蕓.石油化工催化劑基礎知識[M].中國石化出版社，2010.