AP1000堆芯補水箱硼化補水對平衡管疲勞影響的評估

莊亞平，戴 翔，李帥帥

(山東核電有限公司，山東海陽 265116)

0 引言

管道彎頭、低速流體的水平管段、三通等部位在運行過程中可能會出現熱沖擊、熱分層、熱振蕩等現象，尤其是如果管道溫度反復發生變化，材料會交替出現膨脹、收縮，導致不同方向熱應力交替作用于材料上，從而產生管道熱疲勞現象[1-3]，這是引起核電機組關鍵設備失效的主要因素之一。因此，核電機組設計階段對核一級管道進行了疲勞評價，普遍做法是對部件預期經歷的各類預期瞬態次數進行統計分析和瞬態組合[4]，論證其在整個核電站設計壽期內累積使用因子(CUF)小于1。

AP1000作為第三代非能動安全核電機組，缺少可參考的運行經驗，非能動堆芯冷卻系統的堆芯補水箱(CMT)安注子系統在運行期間出現了取樣硼濃度下降，低于技術規格書的要求，需要頻繁補高濃度硼水的情況，補水瞬態引起累積使用因子增加過快，根據補水頻率，CMT入口三通將不滿足設計壽命要求。WANG等[5]對硼稀釋的原因進行了分析，補水造成CMT內低溫水溢出進入入口平衡管，產生熱分層現象；陳曉飛等[6]通過在某核電廠堆芯補水箱補水管周圍加裝溫度傳感器的方法，對熱分層情況進行了調查。基于運行期間的測試數據，核電廠采取了降低取樣口位置的優化改進措施，本文基于疲勞監測評估系統對CMT入口管疲勞狀態進行監測，并對優化改進后的效果進行評估。

1 堆芯補水箱入口管疲勞設計評估

1.1 布置

CMT是AP1000核電機組非能動堆芯冷卻系統的重要組成部分，每個機組2臺CMT，每臺CMT的進口管接反應堆冷卻劑系統(RCS)二環路的冷段(CL)，出口管接到壓力容器的直接安注接管嘴。CMT為帶有半球形上下封頭的立式圓筒形碳鋼容器，內壁堆焊不銹鋼，外部沒有安裝保溫層，與安全殼環境溫度一致。CMT位于安全殼內稍高于反應堆冷卻劑系統環路標高的位置，內部貯有高濃度硼水。

圖1 CMT布置示意Fig.1 Layout diagram of CMTs

CMT入口與二環路冷段相連的管線為壓力平衡管線。平衡管接自冷段上方，垂直上升一段后，一路傾斜向上，接到CMT上方入口接管嘴。CMT入口為一個三通結構，直通段垂直安裝，一端焊接到CMT入口接管嘴，另一端焊接球形端口并連接排汽管，用于系統排汽；支管通過焊接與平衡管連接。平衡管中部設一個隔離閥，正常運行期間隔離閥常開，以維持CMT壓力和RCS壓力一致，防止CMT注射開始時發生水錘。閥后設一個溫度儀表，溫度表TE001/TE002分別位于A列和B列入口管上，用于監測平衡管的溫度，為主控室提供低溫報警信號。壓力平衡管和三通為不銹鋼材質，外部設置保溫層，保持平衡管內熱水溫度，以保證與CMT內冷水之間形成密度差，從而確保自然循環的驅動力。CMT布置如圖1所示。

1.2 疲勞分析

機組正常運行期間，CMT與一回路相通，系統設備承受一回路壓力瞬態，以及本系統復雜的熱瞬態。設計瞬態通常給出機組正常運行或各類假想瞬態工況下的載荷時程信息(包括流體溫度、流量、內壓等)。基于設計準則、工程判斷和經驗，設計階段識別出CMT的設計瞬態種類、每種瞬態保守估計的發生次數，并按照ASME規范分析評估出CMT入口管壽期內累積使用因子。設計瞬態清單中識別了CMT或與其連接的閥門可能出現泄漏，預期壽期內少于30次。然而，沒有將補水考慮在瞬態內，因而累積疲勞使用因子中未包括補水對疲勞的貢獻。

2 考慮補水瞬態的設計瞬態評估

2.1 硼稀釋現象

根據運行規程，為保證并監測CMT的硼濃度始終保持在技術規格書要求的范圍內，至少每7天就要對CMT 補水箱硼濃度進行取樣化驗，確認每個CMT的硼濃度在3.4×10-3～3.7×10-3之間。每個CMT有上下兩個取樣口，設計上僅使用上部取樣數據保守代表整個CMT的硼濃度，一旦數據存在不確定性，則采用下部取樣數據對CMT平均硼濃度進行確認。某機組商運后發現，CMT取樣值低于要求值的間隔短，曾連續14天對CMT取樣，上部取樣點的硼濃度持續下降，硼濃度變化見圖2。

圖2 取樣數據Fig.2 Sampling data

2.2 熱分層

熱分層現象的發生取決于浮力與流體慣性力的比值，其主要條件：有一段水平或近似水平的管段；流體有顯著的溫差；流體流動速度應足夠低[7]。

主管道內流體的流速很高,平衡管接管嘴處存在較強的渦流,致使部分流體因流向發生改變進入平衡管。研究表明，渦流只作用在該豎直管段內[8]，豎直段內管道軸向出現明顯的溫度梯度，彎管至CMT入口三通管道溫度梯度很小，并且管道內沒有明顯的熱分層現象。CMT的溫度與安全殼環境溫度一致，三通至CMT入口接管的豎直管段有明顯的軸向分層，但不會產生不利的總體彎曲載荷。補水開始后，當冷流體到達三通支管高度時，涌入支管和水平段平衡管。由于補水的速度低，冷熱流體間缺少攪動，冷流體溫度低、密度大，占據水平段管道截面的下部，平衡管內原來的流體因溫度高占據上部，因此，三通處是補水時產生熱分層現象最嚴重的部位。

圖3 臨時儀表位置示意Fig.3 Location diagram of temporary instrument

圖4 平衡管上下部溫差變化曲線Fig.4 Temperature change curve of top and bottomof the balance line

為證實和測量平衡管熱分層程度，某機組在CMT平衡管與三通連接的水平管的外壁表面上下部安裝臨時溫度表(見圖3)，在功率運行工況沒有補水時，臨時測量儀表溫度在190 ℃左右，平衡管上的溫度表TE001/TE002溫度在214 ℃左右；兩次補水過程中，臨時溫度表測量的上下部溫差變化如圖4所示，補水開始后,管外壁的上下部溫差增大，最大約130 ℃，出現在15 min左右，表明平衡管出現顯著的熱分層。

2.3 補水熱疲勞分析

補水過程中，在平衡管內形成冷熱流體分層現象，引發熱分層和溫度振蕩，增加了管道疲勞使用因子。雖然設計階段識別出CMT可能出現泄漏，但沒有考慮補水工況并將其列入設計瞬態清單，因而累積使用因子中未包括補水對疲勞的貢獻。

基于新增加的設計瞬態，更新了CMT入口三通及平衡管疲勞分析。在疲勞評定時，首先選取部件設計計算中累計疲勞利用系數最大的位置進行評定，而不再評定原設計計算中已經評定且疲勞利用系數比較小的點。計算表明，熱分層溫差150 ℃，可接受300次補水瞬態。

3 改進措施與疲勞評估

3.1 硼稀釋原因

當對CMT硼濃度取樣后，一回路低硼濃度的水經過平衡管流向CMT補償取樣損失，在CMT上部進水管嘴周圍形成低硼濃度區。隨著反應堆的運行，一回路的硼濃度將逐漸下降，在壽期末更加明顯。CMT除了與一回路連接的出入口接管外，還有2個分別位于進水口和排水口附近的取樣口、1個位于CMT中部的補水接口。這些接口管道上的閥門的內漏是不能完全避免的，泄漏的溶液也由一回路溶液替代。CMT上部取樣口靠近入口管嘴，由平衡管進入的一回路低硼水替代CMT取樣損失，并且由于湍流強度小，在入口管嘴附近形成低硼濃度區，導致后續取樣結果低于CMT整體硼濃度值，頻繁出現不滿足技術規格書要求的情況。文獻[5]對于正常運行工況硼稀釋進行CFD研究，顯示CMT內呈現硼濃度分層現象。

3.2 采取的措施

由于補水瞬態對CMT平衡管產生較大的溫度沖擊和不利的熱分層影響，增加了累積疲勞損傷。為緩解補水瞬態導致平衡管疲勞增加的情況，除采取措施減小系統的泄漏之外，還采取以下措施：(1)將CMT的硼濃度上限提高至4.5×10-3，控制目標濃度為3.9×10-3；(2)將上部取樣口的位置降低，使取樣更能代表CMT整體硼濃度，取樣口高度以上的體積占總容積25%。

在壽期末，一回路硼濃度接近5×10-6～1.0×10-5，CMT內硼濃度梯度作為輸入保守計算，平均濃度遠大于3.4×10-3。提高硼濃度后，補水的頻率顯著降低，但一個燃料循環內仍然需要多次進行硼化補水，變更取樣位置后，一個燃料循環基本不需要補水。

3.3 疲勞監測評估

早先設計規范所依據的材料疲勞試驗均在空氣環境中進行，未考慮介質對疲勞失效的影響。大量最新的材料試驗結果表明，冷卻劑環境因素也削弱部件抗疲勞性能。設計階段使用考慮環境影響的疲勞設計曲線將會過于保守，導致計算無法滿足ASME規范中關于疲勞的限值要求。設計瞬態與真實瞬態存在差異，因此很難在設計階段得出既準確又包絡所有瞬態的疲勞設計曲線。通用的做法是機組安裝疲勞監測系統，通過分布式控制系統收集數據，對部件的累積使用因子進行監測。

在運行期間，發現補水熱分層現象后，根據熱疲勞產生的原因，在疲勞監測系統中設置了CMT平衡管測點，通過對歷史數據的收集、評估，同時給出了未考慮水環境影響的CUF和考慮了水環境影響的CUF。圖5，6分別示出CMTA，B入口處平衡管的CUF狀態。

圖5 CMT A入口平衡管CUFFig.5 CUF of balance line at inlet A of CMT

補水口位于CMT中部，補水過程中CMT中的常溫水被排擠到平衡管內，導致平衡管溫度監測儀表TE001/TE002讀數顯著降低。正常運行期間,主回路溫度沒有降低情況下，TE001/TE002溫度降低標志一次補水。第一個循環(2018年10月～2020年2月)初期疲勞因子增加顯著，提高硼濃度上限后，增速放緩，但仍有顯著增加，降低取樣口位置后，一個循環內沒有補水，疲勞因子幾乎沒有增加，可見補水瞬態是正常運行下入口管疲勞的主要貢獻因素。同時，也表明采取的措施是有效的，對后續AP系列機組設計和運行有指導意義。

圖6 CMT B入口平衡管CUFFig.6 CUF of balance line at inlet B of CMT

對比圖5,6可以發現，CMTB的CUF明顯高于CMTA，這是由于兩列平衡管的長度和布置存在差異，建議后續機組設計優化B列平衡管布置。

4 結語

核電機組設計瞬態及其發生次數在很大程度上基于工程判斷和經驗，采用新理念設計的核電機組在設計階段無法全面考慮可能出現的熱瞬態，實際瞬態工況可能會出現設計未涵蓋的瞬態。核電站管道熱疲勞問題主要來源于設計的缺陷，采用疲勞監測系統對實際瞬態的監測不只是監測了系統部件的累積疲勞損傷情況，還為核電機組實際運行狀態及其優化提供有指導意義的參考數據。

通過疲勞監測系統發現，CMT經歷了幾十次補水，造成了較大的疲勞損傷。此外，由于兩列CMT平衡管管道布置的差別，補硼水瞬態對B列造成更大的影響，因此B列的疲勞值比A列的疲勞值大很多。取樣口位置降低后未出現補水瞬態，因此對應的CUF增量也已經降低，預計后續即使考慮水環境影響，CUF也不會超使用限值。