壓水堆核電站高能管道破裂動態效應消除方法及應用

徐 宇，張 敏，盛朝陽，凌禮恭，*

（1.生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.深圳中廣核工程設計有限公司，深圳 621900）

在壓水堆核電站設計中，一般將管道中介質溫度超過100℃或者壓力超過2 MPa的管道定義為高能管道。這些高能管道均為重要系統對應的管道，如反應堆冷卻劑系統對應的管道，與電站的安全性緊密相關。根據相關法規和標準的規定，除非能夠證明管道的斷裂概率非常低，否則需要在設計中考慮這些管道斷裂帶來的動態效應［1-5］。管道破裂的動態效應主要分為三類：水力效應、流體噴射效應以及管道甩擊效應，如圖1所示。

圖1 管道破裂動態效應示意圖Fig.1 Dynamic effects of piping break

管道破裂動態效應會導致一個局部的瞬態動態載荷（破管載荷）作用在與之相連接的管道和設備中。由于這些載荷一般非常大，因此為應對管道破裂動態效應，不僅需要在電站設計中設置防甩件、防爆支架、防噴射裝置等，而且還需要加強一些重要設備的結構設計，從而增加了設計的難度。

利用增加硬件設施來應對高能管道破裂動態效應的方法，不僅增加了電站的設計、采購、安裝和運行維護的成本，而且增加的硬件設施，往往會減小在役檢查的空間，影響在役檢查的效果。因此這種方法不僅增加了電站的成本，而且最終會成為影響電站安全的不利因素。

因此，排除動態效應不僅會提升電站的安全性，而且可以簡化電站設計，優化在役電站的結構和布置空間，從而提升電站的經濟性和安全性。HAD 102/04也明確對于低概率破裂，以及應用破前漏（LBB:Leak Before Break）技術或破裂排除的高能管道，可以不假設破裂［6］。本文介紹幾種通過設計消除高能管道破裂動態效應的方法，并對方法的優缺點進行對比和說明，對各種方法的使用，尤其是對在役電站的應用可行性進行了探討。

1 動態效應消除方法

本節介紹的動態載荷消除方法是指通過提升材料性能、優化材料制造加工工藝、控制應力和疲勞使用因子水平、加強在役檢查、增加泄漏監測等實時監測設置中的一種或者幾種手段證明該處管道破裂失效的概率非常低，從而消除管道雙端剪切斷裂動態效應的設計理念。工程中常見的幾種方法為破口假定免除、破前漏技術應用［7］、破裂排除（BP:Break Preclusion）概念［8］應用以及高可靠性部件［9］（Incredible of Failure，即IOF）論證。

1.1 破口假定免除

破口假定免除根據其應用的范圍可以分為兩類：一類適用于所有高能管道，另外一類僅適用于安全殼貫穿區域的高能管道［10］。

1.1.1 破口假定免除通用準則

高能管道破口假定免除對于1級管道和2、3級管道分別有不同的免除準則［11］，見表1。

表1 破口假定免除準則Table 1 Principle of break assumption exclusion

1.1.2 安全殼貫穿區域的高能管道

安全殼貫穿區域通常是指在安全殼內外兩個安全殼隔離閥之間連接安全殼貫穿件的管道。對于該部分管道滿足表2的準則后，可以消除該部分的管道破裂動態效應［11］。

表2 安全殼貫穿區破口假定免除準則Table 2 Principle of break assumption exclusion in Containment Penetration Area

安全殼貫穿區域的高能管道滿足破口假定免除的要求后，可以不用考慮該部分管道破裂導致的動態效應。與1.1.1節不同的是，端點破裂的動態效應也可以不用考慮。實施安全殼貫穿區域的破口假定免除后的高能管道，不僅可以消除該管道上的破裂動態效應，而且還可以減小在環境鑒定中破口面積的假設。規范中規定在主蒸汽隔離閥等設備的鑒定中，考慮的主蒸汽破口面積為1平方英尺［12］，遠小于主蒸汽管道的流通面積。

1.2 破前漏技術

破前漏的設計理念認為：管道不會發生快速斷裂，而是先出現穿壁裂紋，發生泄漏，泄漏可以通過泄漏監測系統監測到，然后采取措施避免管道出現雙端剪切斷裂［13，14］。應用破前漏技術的流程主要如圖2所示。

圖2 破前漏技術分析流程Fig.2 Procedure of Leak-Before-Break

破前漏技術主要內容包括四個部分：破前漏技術先決條件驗證；泄漏監測能力評估；臨界裂紋計算（裂紋穩定性分析）；泄漏監測裂紋計算［14］。

其中應用破前漏技術的先決條件驗證是為了保證破前漏分析對象發生脆斷的概率非常低，確保破前漏分析中考慮的載荷、失效模式、材料性能與核電站實際情況一致或者偏保守。

泄漏監測系統能力評估是為了獲得核電站的泄漏監測能力，泄漏監測系統一般應該包括兩種定量監測手段，且兩種定量監測手段應該使用不同的監測原理，不會導致共因失效，確保泄漏監測系統的可靠性［15］。

泄漏監測裂紋計算是計算核電站正常運行工況下可以被泄漏監測系統監測到的最小裂紋長度，即在電站正常運行時，在該裂紋長度下，對應的泄漏率與核電站的泄漏監測能力（考慮一定安全系數一般為10［14］）相等。

臨界裂紋計算是計算考慮正常運行工況載荷與設計基準地震載荷聯合作用下，保證管道穩定性的最大裂紋長度，確保在監測到泄漏前，管道不會失穩斷裂。一般臨界裂紋長度與泄漏監測裂紋長度之間的裕量為2［14］。

應用破前漏技術可以在設計中取消管道破裂的動態效應，對事故分析、設備鑒定環境、安全殼設計等沒有影響，仍然按照管道雙端剪切斷裂來考慮。

1.3 破裂排除概念

破裂排除概念是一種類似破前漏技術的設計理念，最早是德國KTU公司提出的。破裂排除概念主要基于基本安全概念，包括基本安全（設計、材料和制造）和獨立冗余（多重檢驗、最差條件原則、在役檢查和斷裂力學驗證），其要求如圖3所示［16］。破裂排除概念在基本安全概念的基礎上增加了破前漏的論證，完成德國的破裂排除概念的論證，其實現步驟如圖4所示［16］。

圖3 基本安全的概念實施Fig.3 Application of basis safety

圖4 破裂排除概念的實現步驟Fig.4 Application of basis safety

應用破裂排除概念后不再考慮管道破裂的動態載荷，但是在主設備的支撐設計中還需要額外考慮一個2pA的靜載荷（p為管道內壓，A為管道橫截面積），同時在主管道應用破裂排除概念后，可以將主管道的雙端剪切斷裂事故假設從設計基準中排除，并將其按照超設計基準來考慮［17］。

1.4 IOF論證

結構完整性論證是確保核設施安全、可靠的重要部分，在英國通用設計審查中也是重點關注的技術領域之一。英國核安全監管中將結構完整性失效會導致嚴重的堆芯融毀或者大規模放射性泄漏的管道、設備歸類為IOF，即高可靠性部件要求，需要確保該結構不會失效或認為失效可能性非常低（低于10-7/堆·年）。在IOF的設計和論證過程中主要內容包括［18］：

（1）采用可靠的經過驗證的設計理念；

（2）應該包括運行工況和內外部載荷在內的詳細的設計載荷；

（3）考慮潛在運行失效機制；

（4）使用經過驗證的材料；

（5）制造過程的高標準要求；

（6）設計、制造、安裝、運行全壽期的高標準的質量保證；

（7）役前和在役檢查的缺陷控制；

（8）設計合理的失效保護措施；

（9）在役監控（運行瞬態和材料）；

（10）設計驗證（實際材料性能與分析假設的一致性、設計功能的可實現性）；

（11）在役維修和優化設計的考慮。

高可靠性部件的論證是一個復雜的過程，其特點主要有以下幾個方面：

（1）IOF論證是一個系統的論證過程，需要從多個方面綜合考慮；

（2）需要進行大量的獨立驗證或第三方驗證，如役前/在役檢查能力驗證等；

（3）大量的材料性能試驗（斷裂韌性試驗、沖擊功試驗、應力應變曲線試驗等）；

（4）復雜的斷裂力學分析，在斷裂力學分析中需要考慮役前/在役檢查能力、焊接殘余應力，甚至動態載荷對材料韌性性能的影響等因素。

因此要論證管道為IOF部件，不僅需要進行復雜的設計論證工作，還要開展大量的實驗、在役檢查、運行監控等相關工作。

2 動態載荷消除方法的異同性

上述方法都可以用來將高能管道中的動態載荷消除，但是由于原理不同，應用對象有差異，具體的應用手段也有區別，因此在工程設計中的使用策略也不盡相同。本文從力學分析的角度將以上方法分成兩類：一類不考慮管道出現缺陷，通過應力來評估；一類考慮管道裂紋，通過確定論的斷裂力學方法來判斷。

2.1 基于應力評估的方法

破口假定免除是一種典型的基于應力評估的破裂動態效應消除方法。該方法通過在設計中限制管道的應力（1級管道需額外考慮疲勞使用因子），使其結構失效的風險非常低，從而在動態載荷設計和防護中不考慮對應位置的破口。

該方法應用方便，是核工業界廣泛采用的一種方法，但是該方法僅限于管道中間節點，不適用于管道邊界約束位置，不能徹底消除管道系統上的破裂動態效應。

對于安全殼貫穿區域的高能管道，引入了破口假定免除的應力限值，同時從布置設計、工藝設計以及在役檢查等方面加強了要求，從而可以在包括管道約束端點在內的整個安全殼貫穿區域消除高能管道破裂的動態效應。當然1.1.2節的要求，還考慮了安全殼密封以及環境鑒定的破口假設相關的內容，并不完全是破裂動態效應免除的要求。

該方法也是一種基于強度理論的方法，同時還加強了設計以及在役檢查的要求，來提高結構的可靠性，從而排除管道破裂動態效應。根據法規標準和電廠的實踐，該方法僅適用于安全殼貫穿區域的高能管道。

2.2 基于斷裂力學的方法

破前漏技術、破裂排除概念、IOF可以看作是基于斷裂力學的動態載荷消除方法。在分析中都考慮了分析對象中假定的裂紋，通過確定論的斷裂力學分析方法證明管道失效概率極低。但在具體分析過程中三種方法的側重有所不同，對于設計、運行等方面的要求也有所不同。

破前漏技術和破裂排除概念理論基礎近似。破前漏技術通過先決條件評估確保應用破前漏技術的管線不會發生快速斷裂，并在考慮一定安全裕量的情況下，通過斷裂力學分析論證假定的一個可以被泄漏監測系統監測到的穿壁裂紋在設計考慮的工況下能夠保持穩定，來確保管道不會出現雙端剪切斷裂。

破裂排除概念在破前漏技術的基礎上，通過強調選材、優化加工和制造工藝、增強役前和在役檢查以及運行監控等措施加強了對穿壁裂紋的預防，從而降低管道出現缺陷的概率，提升管道抗快速斷裂的能力。在斷裂力學分析方面，與破前漏技術不同的是，破裂排除概念根據在役檢查的能力，假定一個初始缺陷，并對該缺陷做一個全壽期和無限壽期直至貫穿壁厚的疲勞裂紋擴展和裂紋穩定性分析。總體來講破裂排除概念類似一個更細化版的破前漏技術，更關注在泄漏裂紋出現之前的設計、分析和防護；另外一項差別就是破前漏技術可以應用于在役電站的設計改進，而破裂排除概念技術的應用局限于全新設計的電站。

IOF是英國核安全監管機構提出的一個對重要安全設備在結構完整性方面的分級要求。歸類為IOF的部件在結構完整性要求上高于設計規范中的規范1級，被認為在壽期內不會出現結構完整性失效。IOF論證過程是一個復雜的系統工作，包括了設計、制造、在役檢查和監控以及運行維護等多方面的內容，論證工作一般通過CAE（Claim-Argument-Evidence）的形式編制安全實例來完成。IOF論證的核心是斷裂力學評價，評價對象與破裂排除概念類似，為基于役前或者在役檢查的裂紋檢出能力而確定的一個表面裂紋。IOF論證中涉及的因素更多，如需要在役檢查能力要滿足合理可行盡量低的原則；開展在役檢查缺陷檢出能力驗證和第三方獨立驗證等。裂紋分析中考慮的載荷工況更復雜，要求盡量全面地考慮影響裂紋結構完整性的因素，如需要考慮焊接殘余應力影響等。雖然對于滿足IOF要求的管道，可以不考慮其管道破裂的動態效應，但是這種方法代價過于高昂，因此可能的使用范圍僅局限于主管道、主蒸汽等重要管線。

綜上所述，雖然第1節提到的各種方法都可以達到去除管道破裂動態效應的目的，但是各種方法依據的原理有差異，實施手段和難易程度不同，適用對象也不完全相同，當然達到的效果也各異。各種方法的簡單對比見表3。

表3 高能管道破裂動態效應消除方法的要求對比Table 3 Comparison of requirements for methods to eliminate dynamic effects of high energy piping break

3 工程應用情況

合理地考慮高能管道破裂導致的動態效應是壓水堆核電站設計的一項重要內容。上文提到的破管動態效應消除方法，均在核電站設計中得到了應用。具體的應用范圍和應用特點有差異。

破口假定免除方法，因判定方法簡單，實施方便，在不同類型的壓水堆電站中均得到了廣泛應用。安全殼貫穿區域的破口假定免除多應用在主蒸汽管道中，如傳統的M310堆型、CPR1000、U.S.EPR。在三代堆型核電站研發中，該方法得到了更大范圍內的應用，如AP1000堆型中該方法使用在了所有安全殼貫穿區域的高能管道中。

破前漏技術也是一種應用較為廣泛的管道破裂動態效應消除方法，主要應用在安全殼內，應用對象為規范1、2級管道。該方法廣泛應用于在役電站的改造、新電站設計和新堆型的研發中。在CPR 1000堆型和一些傳統的“二代電站”中，破前漏技術主要應用在主管道中，在新研發的堆型中，破前漏技術得到廣泛應用。在華龍堆型、U.S.EPR堆型中，破前漏技術應用到了主管道、波動管和主蒸汽管道，在AP1000堆型中破前漏技術得到更廣泛的應用，應用在了安全殼內除主給水管道外所有6英寸以上的高能管道中。

破裂排除概念與破前漏技術的原理類似，最初主要應用在德國，應用范圍相對較小，要求應用對象為規范1級管道，且一般只能應用在新電站的設計和研發階段。在德國和法國聯合設計的EPR堆型中，破裂排除概念得到了應用，應用對象包括主管道和主蒸汽管道。其中主蒸汽管道的范圍為蒸汽發生器出口管嘴至主蒸汽隔離閥下游的第一個約束點位置。

IOF是英國核安全監管的特殊要求，因此該設計方法僅應用在英國，一般用在英國電站的設計或者通用設計審查中。不同的堆型中對IOF的稱呼也不相同。UK-EPR和UK-HPR 1000中稱為高結構完整性部件(HIC：High Integ?rity Components)，UK-AP 1000中稱為高安全特性 部 件(HSS：Highest Safety Significant Compo?nents)，UK-ABWR中稱為非常高結構完整性部件(VHI：Very High Integrity Components)。在各堆型中IOF的應用范圍、論證方法也各有差異，應用達到的效果也根據與ONR的溝通來落實。

綜上所述，對于管道破裂動態效應消除方法，破前漏技術和破口假定免除方法既可以應用于電站的設計和研發階段，又可以應用于在役電站的改造，應用范圍較廣，而破裂排除概念和IOF一般只能應用與電站的設計和研發階段。

4 結論

高能管道破裂的動態效應通常是核電站關鍵設備設計的重要影響因素。合理地選擇管道破裂動態效應的應對方案是核電站設計的一項重要工作。本文介紹了壓水堆核電站常用的幾種高能管道破裂動態效應消除方法，對各個方法的原理、技術特點、應用效果以及在工程中的應用情況進行了介紹。破口動態效應消除方法都是通過提高設計要求避免缺陷的出現，加強運行監控控制缺陷的擴展，進行必要的或者詳細的斷裂力學分析證明結構的穩定性這些手段中的一種或者幾種的組合完成的。本文提到的方法可以為設計者在管道破裂動態效應防護工作中提供幫助和參考，其中破前漏技術和破口假定免除方法也可以應用于在役電站的設計改造中。