核電站用余熱排出泵電機(jī)LOCA 試驗(yàn)

趙穎兵，陰冀川，孔靜

(1 深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518172;2 環(huán)境保護(hù)部華北核與輻射安全監(jiān)督站，北京100029;3 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082)

0 引言

核級(jí)設(shè)備質(zhì)量鑒定試驗(yàn)是在試驗(yàn)的方式驗(yàn)證規(guī)定的運(yùn)行條件和環(huán)境條件下進(jìn)行的。核電站余熱排出泵電機(jī)作為余熱排出系統(tǒng)主要?jiǎng)恿υ矗\(yùn)行環(huán)境在安全殼內(nèi)，為核安全級(jí)重要電氣設(shè)備，在核電站正常停堆和事故停堆工況下對(duì)反應(yīng)堆堆芯的余熱導(dǎo)出起著關(guān)鍵的作用。

在設(shè)備設(shè)計(jì)階段為了驗(yàn)證設(shè)備能否按規(guī)定的準(zhǔn)確度和性能是否符合要求，就需要執(zhí)行一系列質(zhì)量鑒定試驗(yàn)，該系列鑒定試驗(yàn)一般由基準(zhǔn)試驗(yàn)、極限運(yùn)行條件下的試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)和/或評(píng)價(jià)設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)等三部分構(gòu)成。

作為重要試驗(yàn)項(xiàng)目的LOCA 試驗(yàn)，主要模擬發(fā)生冷卻劑喪失事故時(shí)安全殼內(nèi)的熱工和化學(xué)環(huán)境，考驗(yàn)電機(jī)在LOCA 事故期間以及事故后是否能夠執(zhí)行其原有功能。

LOCA(Loss of Coolant Accident)即冷卻劑喪失事故，是指壓水堆核電站一回路承壓邊界破壞所引起的冷卻劑喪失事故，是壓水堆核電站設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)事故之一。

針對(duì)安全殼內(nèi)使用的1E 級(jí)電氣設(shè)備，能否通過(guò)LOCA 試驗(yàn)的考驗(yàn)，是驗(yàn)證其設(shè)計(jì)是否可行的標(biāo)志之一，故其該在核安全級(jí)設(shè)備鑒定過(guò)程中具有重要地位。本文從試驗(yàn)裝置構(gòu)成，試驗(yàn)過(guò)程(前期、中期、后期)三個(gè)階段對(duì)LOCA 試驗(yàn)要點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

1 LOCA 試驗(yàn)的相關(guān)要求

1.1 試驗(yàn)裝置要求

LOCA 試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)裝置有較高的要求，主要體現(xiàn)在以下四方面:(1)要求試驗(yàn)容器能承受高溫高壓;(2)要求溫升速率和壓力升高速率高;(3)試驗(yàn)過(guò)程需要進(jìn)行化學(xué)噴淋;(4)保證容器內(nèi)設(shè)備通電。其中電動(dòng)機(jī)等設(shè)備在試驗(yàn)過(guò)程中需要帶載運(yùn)行，要求容器外還要配備相應(yīng)模擬負(fù)載。

1.2 試驗(yàn)裝置組成

LOCA 試驗(yàn)裝置一般是以L(fǎng)OCA 容器為中心，由蒸汽系統(tǒng)、化學(xué)噴淋系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，工藝流程如圖1 所示。

圖1 LOCA 試驗(yàn)工藝流程示意圖

1.3 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

為確保試驗(yàn)結(jié)論的有效性，按照HAF003 要求，應(yīng)在試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)LOCA 試驗(yàn)活動(dòng)涉及的各要素進(jìn)行確定技術(shù)要求，試驗(yàn)開(kāi)展基本需滿(mǎn)足以下條件

(1)試驗(yàn)人員資質(zhì):LOCA 試驗(yàn)操作人員、數(shù)據(jù)采集人員、試驗(yàn)中和試驗(yàn)后性能測(cè)試人員具有相應(yīng)能力，經(jīng)過(guò)相關(guān)技能培訓(xùn)并考核后持證上崗。

(2)試驗(yàn)及測(cè)量設(shè)備:LOCA 試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)爐配置的壓力和溫度儀表、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等應(yīng)具備檢定標(biāo)識(shí)并配備相符合的檢定證書(shū)，處于有效備用狀態(tài)。

(3)電機(jī)準(zhǔn)備情況:電機(jī)已按照鑒定大綱要求的試驗(yàn)順序完成LOCA 試驗(yàn)前的所有試驗(yàn)，并按照要求進(jìn)行了處理。

(4)文件準(zhǔn)備情況:試驗(yàn)單位應(yīng)根據(jù)技術(shù)任務(wù)書(shū)或其他技術(shù)要求編制了試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)細(xì)則，內(nèi)容滿(mǎn)足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)任務(wù)書(shū)要求，且為有效受控最新版本。

(5)環(huán)境要求:室內(nèi)整潔，分區(qū)合理，各區(qū)域有明確標(biāo)識(shí)。

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

LOCA 試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照鑒定試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)細(xì)則的規(guī)定實(shí)施，試驗(yàn)過(guò)程形成的溫度和壓力曲線(xiàn)應(yīng)與試驗(yàn)大綱確定曲線(xiàn)基本保持一致。以CPR1000 堆型用余熱排出泵電機(jī)的LOCA 試驗(yàn)為例，其熱力和壓力曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 LOCA 事故模擬試驗(yàn)曲線(xiàn)

根據(jù)曲線(xiàn)，其試驗(yàn)過(guò)程可分為9 個(gè)階段，每個(gè)階段應(yīng)按下列要求實(shí)施

階段0:正常大氣條件下，電機(jī)在LOCA 爐內(nèi)安裝結(jié)束并關(guān)閉容器。

階段1 和階段2:通過(guò)緩慢升溫對(duì)設(shè)備作預(yù)調(diào)整，穩(wěn)定容器中的溫度至50℃，該階段持續(xù)時(shí)間應(yīng)≥24h。

階段3:實(shí)施第1 個(gè)熱動(dòng)力沖擊。沖擊達(dá)到最高溫度156℃和最高560kPa 壓力的時(shí)間應(yīng)小于30s，該階段持續(xù)時(shí)間為12min。

階段4 和階段5:自然冷卻至50℃，保持24h。

階段6:該階段包括三部分:第2 次熱動(dòng)力沖擊、化學(xué)噴淋和起動(dòng)電機(jī)。

第2 個(gè)熱動(dòng)力沖擊沖擊達(dá)到最高溫度和壓力的時(shí)間應(yīng)小于30s，階段6 的持續(xù)時(shí)間為96h。余熱排出泵電機(jī)的情況特殊，應(yīng)該參照曲線(xiàn)圖3 和圖4。

圖3 LOCA 試驗(yàn)階段6 壓力曲線(xiàn)

圖4 LOCA 試驗(yàn)階段6 溫度曲線(xiàn)

化學(xué)噴淋在t=200s 時(shí)將化學(xué)溶液噴霧到設(shè)備上，直至階段6 結(jié)束。化學(xué)溶液初始成分見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)溶液初始成份

起動(dòng)電機(jī)。在階段6 開(kāi)始后4 h，將電機(jī)在額定電壓下帶載起動(dòng)，所帶負(fù)載與電機(jī)所帶余熱排出泵負(fù)載相同，連續(xù)運(yùn)行到階段7。在此期間，需測(cè)量電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，其中包括:電源電壓、頻率、定子溫度、泄漏電流、吸收功率、軸承溫度、載荷、轉(zhuǎn)矩等。

階段7:事故后熱動(dòng)力條件下的性能試驗(yàn)，持續(xù)10d。相對(duì)濕 度＞80%，絕對(duì)壓力為200±50kPa，試驗(yàn)時(shí)間τ 和試驗(yàn)溫度θ 的基準(zhǔn)值分別為10d 和100±5℃。對(duì)于任何不同于100℃的試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)時(shí)間τ(以h 計(jì))需要按下述公式計(jì)算

τ 的最小值等于100h。

階段8:將容器與大氣連通，自然冷卻。在試驗(yàn)過(guò)程中，沖擊時(shí)間、最高溫度和最高壓力等試驗(yàn)條件不低于上述試驗(yàn)曲線(xiàn)的要求。

1.5 試驗(yàn)后數(shù)據(jù)采集及檢查

試驗(yàn)結(jié)束后，使帶載電機(jī)逐漸恢復(fù)至大氣條件，并在此條件下保持帶載至少1h。對(duì)電機(jī)進(jìn)行以下性能試驗(yàn)。

(1)在1Un 直流電壓下，記錄1min 內(nèi)的泄漏電流。

(2)在交流50Hz、1Un 下，測(cè)量介質(zhì)損耗角的正切值，測(cè)量局部放電電流。

(3)全部性能試驗(yàn)完畢后對(duì)電機(jī)解體，進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查。解體后的電機(jī)，經(jīng)檢查符合要求，再進(jìn)行裝配，進(jìn)行起動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)性能測(cè)試。

2 LOCA 試驗(yàn)常見(jiàn)問(wèn)題

2.1 許可證制度監(jiān)管

根據(jù)《民用核安全設(shè)備設(shè)計(jì)制造安裝和無(wú)損檢驗(yàn)監(jiān)督管理規(guī)定》(HAF601)的要求，申請(qǐng)領(lǐng)取民用核安全設(shè)備設(shè)計(jì)和制造許可證的單位，應(yīng)當(dāng)向國(guó)家核安全監(jiān)管部門(mén)提交鑒定試驗(yàn)大綱和必要的文件。國(guó)務(wù)院核安全監(jiān)管部門(mén)要進(jìn)行技術(shù)評(píng)審，包括對(duì)模擬件制作活動(dòng)方案、質(zhì)量計(jì)劃等材料的審查，以及制作過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督見(jiàn)證等。

LOCA 試驗(yàn)作為鑒定試驗(yàn)中最重要試驗(yàn)之一，國(guó)家核安全監(jiān)管部門(mén)在技術(shù)審查較多選取該試驗(yàn)進(jìn)行審查。申請(qǐng)單位應(yīng)按照監(jiān)管部門(mén)的意見(jiàn)，在LOCA 試驗(yàn)準(zhǔn)備、熱動(dòng)力沖擊過(guò)程、試驗(yàn)后的性能試驗(yàn)開(kāi)展前，書(shū)面通知國(guó)家監(jiān)管部門(mén)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)審查。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程中不符合項(xiàng)處理

針對(duì)LOCA 試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，一般參照下列的措施處理。當(dāng)有故障影響到階段3或階段6 的實(shí)施并使溫度和壓力低于規(guī)定的曲線(xiàn)時(shí)。

(1)在階段3 或階段6 前12min 內(nèi)發(fā)生的故障，可按情況在階段2 或階段5 重新開(kāi)始試驗(yàn)。

(2)對(duì)于在階段6 的12min 后發(fā)生的故障，按以下2 種方法處理。

①如果在規(guī)定的最小溫度曲線(xiàn)與試驗(yàn)實(shí)際曲線(xiàn)之間的面積(等效于溫度-時(shí)間的積△θ×t)小于20℃·分，而且這兩條曲線(xiàn)之間的最大溫度差值△θ 小于10℃，則試驗(yàn)繼續(xù)，并在階段6 結(jié)束時(shí)在故障持續(xù)期間延長(zhǎng)到溫度為75±5℃;在相反情況下，則在階段6 中在對(duì)應(yīng)于故障出現(xiàn)時(shí)刻重作試驗(yàn)。

②如果在規(guī)定的最小壓力曲線(xiàn)與試驗(yàn)實(shí)際曲線(xiàn)之間的面積(等效于壓力-時(shí)間的積△P×t)小于2 巴·分，而且這兩條曲線(xiàn)之間的最大壓力差值△P 小于1 巴，則試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行;在相反情況下，則在階段6 中在對(duì)應(yīng)于故障出現(xiàn)時(shí)刻重作試驗(yàn)。

當(dāng)壓力和溫度參數(shù)兩者同時(shí)低于規(guī)定的最小曲線(xiàn)時(shí)，則可將兩者作為獨(dú)立的故障進(jìn)行分析，不必對(duì)上面的規(guī)定施加任何附加限制。

2.3 關(guān)于試驗(yàn)裕度

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并依據(jù)具體核電堆型的曲線(xiàn)要求，LOCA 試驗(yàn)可采用以下方法實(shí)施:

(1)實(shí)施一次熱力沖擊，留有一定的裕度。(2)連續(xù)實(shí)施兩次沖擊，不考慮與理論計(jì)算值比較的裕度。

目前CPR1000 堆型的電氣設(shè)備所有LOCA試驗(yàn)基本參照按照?qǐng)D2 進(jìn)行兩次沖擊，但在其他堆型上(如ACP1000 等)可能要求LOCA 試驗(yàn)采用一次沖擊，這就要按照標(biāo)準(zhǔn)的要求增加一定裕度。

當(dāng)沒(méi)有明確規(guī)定時(shí)，在保持設(shè)備功能不變的情況下，對(duì)于試驗(yàn)中的電機(jī)工作條件，建議采用下列鑒定裕度

(1)電源電壓:額定值的±10%(除非另有規(guī)定，可不執(zhí)行本額定值)。

(2)頻率:額定值的±5%(除非另有規(guī)定)。

(3)事故條件下的熱力特性。

飽和蒸汽溫度:選擇的裕度應(yīng)使得試驗(yàn)壓力超過(guò)最高工作溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力的部分不大于1×105Pa;

壓力:飽和蒸汽相對(duì)壓力的+10%，但不大于1X105Pa;

時(shí)間:在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件以后要求設(shè)備繼續(xù)工作時(shí)間的10%;

瞬態(tài):一種環(huán)境參數(shù)的瞬變(壓力或溫度)并具有一定的裕度，或兩種環(huán)境參數(shù)的瞬變沒(méi)有裕度。

(4)累計(jì)老化和事故輻照劑量:理論計(jì)算值的10%。

也就是如果采用一次沖擊，需要在LOCA 試驗(yàn)前的累積老化和事故輻照試驗(yàn)中增加裕度，并在LOCA 試驗(yàn)過(guò)程中在溫度、壓力、時(shí)間、瞬態(tài)等參數(shù)上增加一定裕度，以滿(mǎn)足鑒定要求。

3 結(jié)語(yǔ)

余熱排出泵電機(jī)LOCA 試驗(yàn)作為其鑒定試驗(yàn)過(guò)程中最為重要的試驗(yàn)之一，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，操作過(guò)程復(fù)雜，一直受到國(guó)家核安全監(jiān)管部門(mén)的重點(diǎn)關(guān)注。這就要求國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)單位嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)去實(shí)施，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行客觀記錄。同時(shí)也要求核電業(yè)主、工程公司提高對(duì)鑒定試驗(yàn)的審查力度。以“安全第一，質(zhì)量第一”的核安全文化理念，共同確保核安全設(shè)備質(zhì)量，為國(guó)家核電事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

［1］ 國(guó)務(wù)院.中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院令第500 號(hào)民用核安全設(shè)備監(jiān)督管理?xiàng)l例［Z］.北京:中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院，2007.

［2］ 國(guó)家核安全局.HAF003 核電廠(chǎng)質(zhì)量保證安全規(guī)定［S］.北京:國(guó)家核安全局，1991.

［3］ 國(guó)家核安全局.HAF601 民用核安全設(shè)備設(shè)計(jì)制造安裝和無(wú)損檢驗(yàn)監(jiān)督管理規(guī)定［S］.北京:國(guó)家核安全局，2008.

［4］ GB/T 12727—2002.核電廠(chǎng)安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定［S］.

［5］ RCC-E.核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則［S］.

［6］ IEEE 323—2003.Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations［S］.

［7］ IEEE 383—2003.Qualifying Class 1E Electric Cables and Field Splices for Nuclear Power Generating Stations［S］.

［8］ NB/T 20084—2012.核電廠(chǎng)安全級(jí)余熱排出泵電機(jī)鑒定試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［9］ 顏昌彪.LOCA 鑒定試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究［J］.廣東化工，2011(2):40-42.

［10］ 王琭.LOCA 試驗(yàn)質(zhì)量影響因素分析［J］.中國(guó)核電，2008(2):140-145.