核電廠首次主回路水壓試驗最高試驗壓力選擇

張翔

【摘 要】核電廠在建設期間，均要對封閉主回路執行一次超壓水壓試驗，以檢查主回路及相關輔助系統的安裝質量。本文主要通過對不同設計規范對于核電廠首次主回路水壓試驗最高試驗壓力的不同規定，分析出其差異性，希望為核電廠主回路水壓試驗最高壓力選擇提供參考。

【關鍵詞】主回路水壓試驗；最高試驗壓力；保壓時間

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0165-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.074

【Abstract】During the construction of the nuclear power plant，an overpressure hydrostatic test is carried out on the closed main circuit to check the installation quality of the main circuit and related auxiliary systems. In this paper， the difference of the maximum test pressure for the first main circuit hydraulic test of the nuclear power plant is analyzed by different specifications， and it is hoped to provide a reference for the selection of the maximum pressure of the water pressure test in the main circuit of the nuclear power plant.

【Key words】Main circuit hydraulic test；Highest test pressure；Dwell time

0 引言

核電廠主回路壓力邊界是保證放射性不外泄的三道安全屏障之一，其完整性對于核電廠安全運行意義重大。主回路首次水壓試驗，是核電廠主回路及相關輔助系統安裝質量的全面檢驗。主系統水壓試驗的目的是以一個合適的試驗壓力，對主系統及其有關輔助系統的高壓部分進行強度性水壓試驗，以檢查一回路系統的設備、管道的密封和焊接質量，驗證其承壓運行時的密封性和安全性。從而證明從本次試驗結束到下次試驗實施之前的這段時間里反應堆一回路系統在正常運行和設計的事故工況下是安全的，并滿足核安全法規的。

國內主流壓水堆為法系的M310及后續改進型，美系A系列，其主要執行設計規范為分別為RCCM或ASME，我國自主三代華龍一號主回路設計主要依據我國GB16702核島機械設備設計規范（該標準參照RCCM編制，國內目前是1996年發布，目前新版本的國家標準正在編制中），同時綜合參考RCCM及ASME。不同堆型參照的設計規范不同，而關于首次主回路水壓試驗試驗最高試驗壓力規定也有所差異。

1 執行水壓試驗的出發點

水壓試驗是一種超壓試驗（超過工作壓力或設計壓力），是對部件或系統的強度考核試驗。而為什么要執行該試驗，主要是基于以下三個方面進行考慮的：

（1）使殘余應力發生重新分布，降低峰值應力

設備在制造過程中和系統在安裝過程中，以及在運行使用過程中設備和系統的維修、改造和更換，都會由于裝配、焊接等作業而產生殘余應力。這些殘余應力和工作應力迭加會使設備和系統的局部區域形成高應力而給設備和系統帶來危害。目前在加工和安裝過程中有兩種方法來消除或降低殘余應力。一種是通過熱處理的方法，另一種就是借助超壓的水壓試驗，使設備和系統的高應力區的材料達到局部屈服，使殘余應力得到消除和減弱，從而降低峰值應力。

（2）使裂紋的尖端變鈍，裂紋不易進一步擴展

設備和系統中，特別是焊縫中，難免會存在各種缺陷，在運行使用過程中，隨著構件的老化，也會產生裂紋性質的缺陷，通過超壓的水壓試驗，可以使高應力區的材料達到局部屈服，特別是在裂紋的尖端，這種屈服現象更為明顯。在屈服狀態下，裂紋的微小擴展會使裂紋的尖端變鈍，使裂紋在以后的使用中不易發生進一步的擴展。

（3）及早暴露隱患，減小破壞后果

水壓試驗會使裂紋類的缺陷發生擴展，對于即將貫穿壁厚但未達到臨界尺寸的裂紋，這種擴展會使其貫通壁厚，導致泄漏發生，從而及早發現隱患。對于已接近發生脆斷的臨界尺寸的裂紋，這種擴展會引起破壞的發生，但其破壞是發生在制造、安裝和試驗階段，所造成的后果要比發生在運行過程中產生的后果小得多。

水壓試驗的不利的一面是由于其超壓作用，會給設備和系統部件造成一定的損傷，縮短其使用壽命，特別是超壓試驗會引起部件彈性區域的缺陷的擴展。

2 法系RCCM各版本關于水壓試驗最高壓力

RCCM2000+2002補遺B5120水壓試驗壓力章節規定 “由安裝好及就位在規定位置的全部部件組成的一回路主系統的試驗壓力，至少等于主回路系統任何給定部件的最高設計壓力的1.25倍”，同時在B5112水壓試驗通用章節b）一回路系統的最終試驗規定“系統水壓試驗時只有當試驗壓力至少達到一回路系統部件最高設計壓力的1.33倍，才允許進行輔助管道水壓試驗”。因水壓試驗也對部分高壓安注管線進行試壓，所以國內建成的法系技術堆型首次水壓試驗的壓力均采用1.33倍的設計壓力執行水壓試驗。

在RCCM2007版B5226章節組合件的試驗壓力規定，“組件的試驗壓力不低于每個組成腔的最高試驗壓力，但不得超過B3237的許用壓力。若任何組件的壓力設備項超過了此準則，須減小壓力直至符合要求。只要設備項進行了單獨試驗，組件的試驗可在1.3PS壓力進行”。

從上文可以看出RCCM2007關與組合件的的壓力規定與其之前發布版本有所不同，同時對于單項（單件）水壓試驗壓力的規定也有所不同。

RCCM2007版以前規定：每個部件試驗壓力不得低于設計壓力乘以k，此處k=k1*k2

對由成形板件或鍛件制造的部件，k1=1.25

對全部或部分由鑄件制造的部件，k1=1.5

k2為組成部件器壁的主要材料在試驗溫度下與設計溫度下的屈服強度或抗拉強度的最低保證值之比。若不采用屈服強度之比，則至少應采用抗拉強度之比。k2值可以由同類型的幾個部件記錄到的平均值來確定。

k的最大極限值==k1*k2

若k1=1.25且k1*k2>1.5，則取k=1.5；

若k1=1.5且k1*k2>1.8，則取k=1.80；

而RCCM2007B5221單獨水壓試驗壓力章節規定：容器的試驗壓力至少須等于最高工作壓力Ps×k，其中k為1.43與1.25Sm·TEH/Sm·TS之大者。

Sm=材料的許用應力；

TEH=試驗溫度；

TS=設備最高工作溫度（2）。

3 美系ASME規范規定

（1）主回路水壓試驗最高壓力最低值

ASME2004以后版本NB-6221章節對于系統水壓試驗最高試驗壓力的最低值規定：“系統安裝后的水壓試驗壓力，應不低于超壓保護裝置所保護的邊界內任何部件的最低設計壓力的1.25倍，該超壓保護裝置是滿足NB-7000的要求”。

（2）主回路水壓試驗最高壓力最高值

NB-6222規定系統水壓允許的最高試驗壓力的最高值：

允許的最高試驗壓力應按NB-3226規定的應力限制來確定。在多腔室部件中，相應的相鄰腔室可同時施加壓力，以滿足這些應力限制。

（a）如果在容器中任何點的計算壓力（包括靜壓頭），超過在NB-6221或NB-6321中規定試驗壓力6%以上時，計算應力結果應考慮在試驗期間可能存在的所有載荷。這種情況的應力允許值在下面（b）和（c）中給出。

（b）對于水壓試驗容器，總體一次薄膜應力強度Pm不應超過試驗溫度下屈服強度Sy的90%。對于氣壓試驗容器，Pm不應超過試驗溫度下屈服強度Sy的80%。

（c）對于無論是水壓或氣壓試驗容器，一次薄膜應力加彎曲應力強度Pm+Pb不應超過下述（1）或（2）給出的適用限制：

i.對Pm<0.67Sy，Pm+Pb<1.35Sy

ii.對0.67Sy

其中Sy是表中所列溫度下的屈服強度。對于不規則截面，Pm+Pb對水壓試驗應不超過α與0.9Sy的乘積或對氣壓試驗不超過α與0.8Sy的乘積，系數α定義為產生一個全塑性截面載荷設定值除以在此截面最外側產生起始屈服載荷設定值的比值。

（d）外壓不應超過由NB-3133規則所確定數值的135%，或者，外部水壓試驗的壓力最大可以達到由分析規程或試驗規程所確定極限壓力或彈性失穩壓力中較小值的80%，并包括允許裕量在內。如果進行的極限分析，應是極限分析的下限，假設理想彈塑性材料（無應變硬化）的屈服強度等于試驗溫度下的屈服強度。

另ASME對于單件水壓試驗壓力的規定同系統整體的要求。

4 國內標準關于水壓試驗壓力的規定

核島設備設計規范（GB/T 16703-1996）的規定與RCCM93、RCCM2000+2002補遺規定一致。

5 國內水壓最高壓力試驗實踐

從上表可以看出，其中1-8項水壓試驗均執行RCCM2000+2002補遺規定，其首次水壓試驗最高試驗壓力為主回路設計壓力的1.33倍，第9項臺山1號機組采用法國三代核電技術EPR，其首次水壓試驗最高試驗壓力也采用了主回路設計壓力的1.33倍。

關于美系堆型水壓試驗，根據ASME III NB6221 要求，一回路水壓試驗的最高試驗壓力為不低于部件設計壓力的1.25倍，根據計算，最低值17.14MPa*1.25=21.42MPa。水壓試驗的壓力應比最低值高6%，通過計算，21.42MPa*1.06=22.70Mpa，所以根據規范，主回路水壓試驗壓力范圍為21.42MPa—22.70Mpa之間。要保證主回路垂直位置最高處的壓力大于21.42Mpa，同時最垂直位置的最低處壓力也不能超過22.70MPa，AP1000主回路最高點與最低點位置差引起的壓力變化大概為0.334MPa，同時考慮儀表精度誤差等因素，主回路水壓試驗最高壓力最終確定在21.477MPa-21.650MPa。

福清5號機組采用我國自主化第三代核電技術華龍一號，其還沒有執行過主回路水壓試驗，根據目前設計院出版的文件，按照RCCM2007版的規定，最高水壓試驗壓力為設計壓力的1.3倍，經計算17.13MPa*1.3=22.3MPa.

6 各規范關于主回路最高水壓試驗壓力保持時間的規定

關于水壓試驗壓力平臺保持時間，RCCM系列規范沒有給出來明確的時間要求，在RCCM2000+2002補遺B5140及RCCM2007版B5240中規定，“各種保持壓力的保持時間（特別是試驗壓力）應與待檢查設備相對應”。ASME各版本對于水壓試驗的保持時間有明確的規定，ASME2001 IWA-5213試驗條件的保持時間規定“除在IWA-4540要求的試驗中，系統在達到試驗壓力和溫度后，無保溫層的系統或設備保持10分鐘，或者，保溫的系統或設備保持4小時外，系統在達到試驗壓力和溫度后不要求有保持時間?！盇SME2004NB-6223 水壓試驗壓力保持時間規定“在按NB-6224的要求進行檢漏以前，水壓試驗壓力至少應保持10分鐘”。目前國內一般采用ASME規范的規定，在最高壓力平臺保持10分鐘后，檢查人員開始檢查。

7 結論

通過本文的分析，RCCM、ASME及國內規范關于壓水堆核電廠首次主回路水壓試驗最高壓力要求是不一樣的，及時同系列的標準，隨著技術的發展，不同版次的規范關于主回路水壓試驗最高壓力的規定也有所差異。國內可以結合眾多規范的長處，適用性的開展我國相關標準化工作。通過本文的分析及研究，希望為后續核電廠執行首次水壓試驗選擇最高試驗壓力提供參考。

【參考文獻】

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