核電設備LOCA試驗方法探討

丁多亮， 鄭開云

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

隨著我國第三代核電自主化進程的不斷推進，大量的安全級核電設備需要實現國產化，為貫徹第三代核電更高的安全性和經濟性的路線，對核安全設備鑒定[1-2]提出了更高的要求。設計基準事故(DBA)環境試驗是驗證在核電廠DBA環境工況(包括核電廠安全殼內冷卻劑喪失(LOCA)事故、核電廠安全殼內(外)主蒸汽管道破裂(MSLB)事故，以及其他的高能管道破裂(HELB)事故)期間以及事故后，試驗樣機暴露在DBA的溫度、壓力、濕度、噴淋、水淹環境下執行安全功能的能力。DBA環境試驗(習慣上統稱LOCA試驗)通常是設備鑒定中最后一項試驗，在此之前樣機已經歷熱老化、輻照、地震等一系列鑒定試驗，且老化模擬接近壽命終點。筆者針對我國正在實施的兩種型號(文中分別稱之為A型機組和B型機組)三代核電設備LOCA試驗，介紹了試驗的基本要求、試驗方法，并對試驗實施過程中遇到的技術問題提出了解決方案。

1 基本要求

LOCA試驗包括試驗前初始階段(預熱)、事故階段(熱沖擊)和事故后階段(保溫)三個階段，其中對于安全殼內的設備有化學噴淋要求，某些安裝標高低的設備還需要模擬被地坑水浸沒的工況：

(1) 初始階段：如果試驗程序對初始環境無要求，試驗倉內溫度保持在試驗樣機正常運行工況時的溫度，壓力保持在正常大氣壓，持續足夠長的時間使試驗樣機與環境達到平衡狀態。

(2) 事故階段：試驗倉溫度在規定的短時間內拉升至峰值溫度，同時試驗倉壓力也要達到要求值，這一熱沖擊過程的溫度和壓力曲線應包絡試驗要求曲線。

(3) 事故后階段：熱沖擊過后，對試驗樣機進行化學噴淋，隨后溫度開始緩慢下降，壓力達到峰值后也緩慢下降，達到試驗要求持續時間后冷卻至室溫。

2 試驗方法

2.1 A型機組核電設備

A型機組設備鑒定按美國或IEC標準[3]開展，但是A型機組LOCA試驗方法與B型機組LOCA試驗方法的基本原則大同小異，試驗裕度相同，具體試驗參數、要求曲線和化學噴淋要求等有所不同。

A型機組核電設備LOCA試驗過程分以下三個階段：

(1) 初始狀態：試驗樣機就位，確保試驗倉完全密封后，使試驗倉內溫度達到試驗樣機正常運行工況溫度，壓力保持在正常大氣壓下并在容差范圍內，保持至少2 h。

(2) 事故階段：模擬LOCA發生時環境狀態急劇變化的瞬態過程，試驗倉內溫度在第1 s內溫度升高到130 ℃以上，18 s時達到峰值溫度；試驗倉內壓力在第1 s內升壓至峰值壓力一半以上，460 s時達到峰值壓力。熱沖擊過后，溫度和壓力開始下降。

(3) 事故后階段：熱沖擊過后約10 min開始化學噴淋，噴淋體積流量為1.02×10-4m3/s[4]，噴淋液成分及噴淋持續時間應符合試驗樣機技術規格書的要求。化學噴淋結束后，環境溫度和壓力緩慢降低，試驗樣機經受長時間的蒸汽濕熱環境的作用，規定試驗時間到達后，試驗倉冷卻至常溫常壓，打開試驗倉后取出試驗樣機。

2.2 B型機組核電設備

試驗樣機的安裝應模擬核電設備實際運行工況下的安裝方式和安裝位置，合理布置溫度和壓力測點，對試驗倉進行密封并通過預充壓縮空氣的方法進行密封性能驗證。

根據GB/T 12727—2002 《核電廠安全系統電氣設備質量鑒定》的規定，在保持設備功能不變的情況下，對于B型機組核電設備LOCA試驗采用下列鑒定裕度：

(1) 飽和蒸汽溫度：選擇的裕度應使得試驗壓力超過最高工作溫度對應的飽和蒸汽壓力的部分，不大于1.0×105Pa。

(2) 壓力：10%飽和蒸汽壓力(相對壓力)，但不大于1.0×105Pa。

(3) 時間：在設計基準事件以后要求設備工作時間延長10%。

對于B型機組核電設備，模擬DBA環境的LOCA試驗曲線與以前的二代核電設備LOCA試驗曲線相同，但是對于模擬嚴重事故環境的LOCA試驗則有新的要求，可分為以下三個階段：

(1) 初始階段：試驗樣機就位，確保試驗倉完全密封后，使試驗倉內溫度達到試驗樣機正常運行工況下的溫度，壓力保持在正常大氣壓力下并在容差范圍內，保持至少24 h。

(2) 事故階段：在0.5 min內使試驗倉內溫度達到峰值溫度，壓力達到峰值壓力，然后保持12 h。

(3) 事故后階段：啟動化學噴淋[4](噴淋液pH為9.26(20 ℃)；硼酸的質量分數為1.5%；NaOH的質量分數為0.6%；噴淋體積流量為1.02×10-4m3/s(容器水平面)，化學噴淋持續時間為96 h；同時從12 h開始至24 h，試驗倉內壓力和溫度降至要求值，并保持此狀態至規定時間。達到試驗時間后，試驗倉冷卻至室溫，打開試驗倉取出試驗樣機。

2.3 LOCA試驗過程中試驗樣機執行動作的方法

試驗樣機在初始階段、事故階段和事故后階段都應該進行功能試驗，以驗證其在DBA過程中的可操作性滿足相關安全功能的要求。

以閥門執行機構為例[5]，如果試驗樣機的安全功能只包含一種動作，試驗樣機應在峰值條件下的主要方向和輸入條件下執行動作；如果試驗樣機的安全功能包含一個或多個方向的多重動作或試驗樣機應用于多種工況，應根據以下原則驗證其在最嚴苛工況下的可操作性：

(1) 當試驗倉內溫度達到峰值溫度時，試驗樣機應在最嚴苛溫度條件和輸入條件下在主要方向執行一次安全功能(對于氣動執行機構，最嚴重工況可能在熱沖擊的初始階段，而對于電動或液壓執行機構則在試驗倉內熱平衡建立以后)。

(2) 當試驗倉內壓力達到峰值壓力，試驗樣機應在最嚴苛壓力條件和輸入條件下在主要方向執行一次安全功能。

(3) 當進行化學噴淋或水噴淋期間，試驗樣機應在最嚴苛壓力條件和輸入條件下執行一次安全功能。

(4) 如果鑒定要求規定整個過程都需要進行功能驗證，那么試驗樣機需要在額定輸入條件下執行多重動作，此外在最大輸入條件和最小輸入條件下應至少執行一次動作。在試驗開始的24 h內，每隔一定時間執行一次動作，24 h以后每天執行一次動作。

2.4 水淹試驗方法

對于A型機組核電設備，安全殼內某些安裝標高低的設備還需要模擬被地坑水浸沒的工況，即水淹試驗。試驗樣機應按適當的方式安裝在密閉的試驗裝置內。安裝應使試驗樣機直接曝露于水淹環境中。試驗樣機上所帶電纜應通過適當的方式(如貫穿件)從試驗容器內穿出。所有連接應具有可靠的電氣和密封完整性。試驗樣機應完全浸沒于水淹介質液面以下。

以閥門執行機構為例，水淹試驗分為兩個階段：第一階段是降溫降壓階段，試驗介質初始溫度即為峰值溫度，液位上方氣壓即為峰值壓力，在規定的時間內，溫度和壓力降至要求值；第二階段是保溫保壓階段，試驗介質溫度和壓力保持在第一階段結束時的狀態直至試驗結束。試驗期間，試驗樣機應按要求執行動作。

3 相關技術問題

三代核電LOCA試驗要求高、過程復雜，所以LOCA試驗實施過程中會遇到一系列技術問題。

(1) 試驗樣機的安裝。LOCA試驗過程中要求試驗樣機執行功能試驗需要有電纜線和信號線等穿出試驗倉，為保證LOCA試驗的順利進行，電纜線和信號線等必須很好地密封。經常遇到一些廠家自帶的電纜格蘭頭在LOCA試驗中漏氣或電纜格蘭頭密封過程中損壞電纜線，導致試驗樣機無法動作或信號無法監測而中止試驗。為此筆者在試驗實踐中不斷摸索，并設計了專門用于LOCA試驗的電纜格蘭頭(見圖1)。

1—本體;2—硅膠墊;3—鎖緊螺母;4—電纜;5—試驗倉法蘭;6—試驗倉。

圖 1 LOCA試驗用電纜格蘭頭

電纜格蘭頭有兩種類型：第一種由本體、硅膠墊、金屬墊片、T形對軸器和鎖緊螺母組成，依次安裝在試驗倉法蘭上通過內螺紋鎖緊螺母擠壓硅膠墊實現密封；第二種由本體、硅膠墊、鎖緊螺母組成，依次安裝在試驗倉法蘭上，通過外螺紋鎖緊螺母擠壓硅膠墊實現密封。兩種格蘭頭都能基本保證LOCA試驗高溫高壓環境下電纜的密封性能。

(2) 熱沖擊過程。事故階段的熱沖擊過程，試驗倉內溫度和壓力要在短時間內實現突變，由于采集環境條件變化的傳感器需要一定的響應時間，而且受限于目前的設備條件和技術條件，熱沖擊的初始階段，試驗曲線很難包絡要求曲線。因此，對于LOCA試驗的熱沖擊過程，至少要求熱沖擊結束時的溫度和壓力達到要求值，而熱沖擊過程的初始階段，試驗溫度壓力曲線可以不完全包絡要求試驗曲線(見圖2)。如A型機組的LOCA試驗要求第1 s溫度由50 ℃達到160 ℃，實際試驗實施過程中，只要求第1 s結束時溫度達到160 ℃，而從0 s到1 s的中間過程可以不要求試驗曲線完全包絡，如0.2 s時試驗溫度為60 ℃，低于72 ℃要求溫度，但1 s時，試驗溫度達到了160 ℃，這個熱沖擊過程是可以接受的。

圖2 LOCA試驗熱沖擊階段溫度曲線

(3) 化學噴淋。化學噴淋會導致試驗倉內的溫度和壓力產生較大的波動，LOCA試驗中采用加熱噴淋液的方法，將噴淋液預先加熱到噴淋開始時試驗倉的溫度(溫度和壓力留有足夠的裕量)，并及時補充過熱蒸汽，保持試驗倉內環境穩定，但是仍有可能出現短時間溫度和壓力低于要求值的現象(見圖3)，這屬于實際運行工況下的正常現象，但是需要及時調整至正常溫度和壓力狀態。

圖3 LOCA試驗噴淋階段溫度曲線

(4) 試驗樣機功能試驗。以閥門執行機構為例，根據標準IEEE Std 382(2006)的要求，如果試驗樣機的安全功能包含一個或多個方向的多重動作或試驗樣機應用于多種工況，試驗樣機應在最嚴苛工況(包括最高溫度、最高壓力、噴淋等)下執行多重可操作性試驗，如果鑒定要求整個過程都需要進行功能驗證，試驗樣機需要在額定輸入條件、最大輸入條件和最小輸入條件下分別執行動作。

實際在LOCA試驗實施的過程中，由于試驗倉完全密封、試驗樣機體積較大、執行動作過于復雜、運行狀態無法監測、執行動作過程存在安全隱患等種種原因，可能導致要求的功能試驗無法全部實現，因此需要與委托方溝通，對試驗樣機功能試驗進行適當的簡化，如只進行LOCA試驗前后試驗樣機的可操作性對比，從而判定試驗樣機是否能在核電站LOCA工況下執行安全功能。

(5) 事故后階段的溫度和壓力變化過程。事故后階段的溫度和壓力變化過程，由于熱量損失(熱傳導、熱輻射等)、制造工藝受限、試驗倉不可能完全絕熱、也不能完全密封，所以在實際試驗過程中，要不斷地向試驗倉內補充過熱蒸汽以維持試驗倉內溫度和壓力等環境條件的穩定。這必定導致實際的溫度、壓力曲線在一定范圍內波動，而不是一條平滑的曲線，而且控制和數據采集系統存在一定的延遲，也有可能在某一段很短的時間內實際值低于要求值(見圖4)。因此，LOCA試驗曲線只要求整體包絡，對于個別短時間的試驗值低于要求值的時間段可以忽略。

(6) 隨著三代核電技術的引進消化吸收和設備國產化進程的加快，國內核電設備鑒定的標準、規范不斷完善，為提高核電站的安全系數，保證核電站壽期內穩定運行，國內一些標準規范對于設備鑒定條件提出了非常嚴苛的要求。這就導致一些受限于試驗裝置能力的鑒定試驗無法實現。如LOCA試驗，有些設計規范規定試驗環境的溫度和壓力在0.5 s內從事故前(50 ℃，0.1 MPa)達到事故發生時的峰值溫度和峰值壓力(158 ℃，0.517 MPa)，而目前國內最先進的LOCA試驗倉也是做不到的。所以在制定核電設備鑒定的標準規范時應充分考慮設備鑒定的可行性、合理性。

圖4 LOCA試驗事故后階段溫度曲線

4 結語

兩種型號的三代核電LOCA試驗的原理基本一致，但試驗參數和具體要求有所差異，需要在實際試驗中注意。試驗過程中應采用比較科學的方法解決試驗樣機安裝時電纜的密封、熱沖擊過程中曲線的包絡、化學噴淋時試驗倉環境狀態的穩定、試驗樣機功能試驗的執行以及事故后階段試驗環境的變化等技術問題，按照保守原則模擬核電廠設計基準事故環境條件，科學、合理地制訂試驗規程，規范操作并保持充分的記錄，確保LOCA試驗成功實施。