“華龍一號”對汽輪機飛射物的防護設計

李 崇,張雪霜,范 黎

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

核電廠設計中必須要考慮可信的廠內飛射物對核安全的可能危害,而汽輪機低壓轉子產生的飛射物是核電廠廠內轉動部件產生飛射物的典型代表。汽輪機在高速運轉時,低壓轉子蓄藏著大量的旋轉動能,一旦發生罕見的重大機械事故,旋轉動能足以使低壓轉子損壞并產生飛射物。如果包容轉子的汽缸吸收能量的能力不足,則汽輪機飛射物會擊穿汽缸,并穿過汽輪發電機廠房,并可能擊中關鍵的設備或構筑物,影響安全功能的執行。

按照美國核管會 (NRC)標準審查大綱SRP[1]及其相關導則RG 1.115[2]的要求,對于汽輪機飛射物的潛在危害,需要通過概率分析的方法進行評定。由汽輪機飛射物導致關鍵物項失效的概率P4可表示為:P4=P1×P2×P3。其中:P1為汽輪機轉動部件斷裂產生碎片并飛出汽缸的概率;P2為汽輪機飛射物穿過屏障擊中關鍵物項的概率;P3為關鍵物項被擊中后功能失效的概率;P4為汽輪機飛射物導致關鍵物項失效的概率。同時,若飛射物擊中區域內無關鍵物項的布置為有利布置,反之則為不利布置。當汽輪機為不利布置時,P1需滿足不超過10-5/機組年的要求,P2×P3的概率不應超過10-2;當汽輪機為有利布置時,P1需滿足不超過10-4/機組年的要求,P2×P3的概率則不應超過10-3。

“華龍一號”本身為單堆布置,汽輪機相對于本機組屬于有利布置。但 “華龍一號”機組從廠址規劃上多為多機組,相鄰機組之間可能會出現不利布置的情況,因此一般都要求P1不超過10-5/機組年,P2×P3不超過10-2/機組年。

1 P 1的分析

通常在進行P1的分析時,主要考慮四種失效機制:應力腐蝕引起的斷裂、破壞性超速引起的韌性失效、低周疲勞裂紋引起的斷裂、高周疲勞裂紋引起的斷裂。

低周疲勞裂紋引起的斷裂是指材料在啟停過程中可能造成的疲勞裂紋延伸,此機制作用下造成飛射物產生的周期很長,若汽輪機每周啟停一次,機組需運行上百年才可能會導致飛射物的產生。

高周疲勞是指材料在低于其屈服強度的循環應力作用下,經105～106以上循環次數而產生的疲勞,此機制下的飛射物很難產生,是因為:1)設計中采用了足夠大的安全系數來減少疲勞裂紋的產生;2)大的橫向裂紋會導致偏心,并由此引起震動,在產生斷裂之前就已經被替換。

因此,影響汽輪機飛射物產生的主要機制為應力腐蝕引起的斷裂和破壞性超速引起的韌性失效。在P1的分析中,應主要考慮:1)設計轉速(120%額定轉速)范圍內由于應力腐蝕因素,葉輪在特定檢查周期下的汽輪機飛射物產生概率;2)超速條件下,考慮超速保護措施的失效等因素,得到超速保護調節所需閥門 (主汽閥、調節閥、再熱主汽閥、再熱調節閥等)在特定試驗周期下的汽輪機飛射物產生概率。

1.1 應力腐蝕引起的斷裂

當汽輪機在額定轉速附近運行時,轉子承受的主要應力包括轉子、葉片的離心力以及熱應力。當應力腐蝕引起的裂紋大小超過臨界尺寸,裂紋將從穩定狀態發展成加速狀態,隨后成為碎片,成為飛射物源。這種機制下的飛射物產生概率與轉子設計參數、材料特性以及轉子輪盤的在役檢查間隔有關。

在計算概率分析的過程中,將由應力腐蝕引起的轉子飛射物形成的概率表示為裂紋產生的概率、裂紋發展至臨界尺寸的概率以及裂紋加速后引起飛射物產生的概率的乘積。一般來說,裂紋產生的概率取決于轉子及輪盤的檢查記錄,在計算時,一般保守取值為1,以消除因觀察得到的結果所產生的誤差。裂紋發展至臨界尺寸的概率計算的具體流程如圖1所示。其中,γ為裂紋擴展率,滿足正態分布;T為材料溫度;Re為室溫下的屈服強度;ac為臨界裂紋尺寸;G為裂紋幾何因子;KIC為斷裂韌性,σ為額定轉速下運行靜壓力;a0為初始裂紋尺寸;N為檢查周期。而裂紋加速后引起飛射物產生的概率一般保守認為概率為1。

圖1 裂紋發展至臨界尺寸概率計算流程Fig.1 The process of probability calculation for missile generation

通過計算,認為影響飛射物產生概率的主要影響因素為轉子的檢查周期。如圖2所示,某類汽輪機轉子檢查周期和失效概率的對應曲線表明,每隔17年進行一次轉子檢查,可使得應力腐蝕裂紋導致飛射物產生的概率維持在10-5量級。

圖2 某汽輪機轉子檢查周期與失效概率曲線Fig.2 The failure probability with the rotor inspection interval

1.2 破壞性超速引起的韌性失效

當汽輪機發生超速且超速保護系統失效時,隨著速度的增加,轉子可能發生韌性失效而導致飛射物的形成。超速保護系統的可靠性決定了汽輪機組破壞性超速的情況產生的概率。而為了保證超速保護系統的可靠性,需要對控制閥門進行定期測試,并選擇合適的測試間隔。此種效應可以通過統計數據計算超速保護系統相應閥門的失效概率來體現。如圖3所示,某類汽輪機超速保護系統閥門定期試驗間隔和失效概率的對應曲線表明,對閥門采用5個月的試驗間隔,可使得超速保護系統失效導致飛射物產生的概率維持在10-5量級。

圖3 某汽輪機閥門定期試驗周期與失效概率曲線Fig.3 The failure probability with the valve inspection interval

2 P 2、P 3的分析

根據RG 1.115中的描述,汽輪機失效導致的飛射物可以分為兩種:一種為 “高軌跡飛射物”,指穿透汽缸向上飛射,下落時可能擊中關鍵物項的汽輪機飛射物;而第二種為 “低軌跡飛射物”,也稱為 “直接”飛射物,則指穿透汽缸以近似水平方向飛射,可能直接擊中關鍵物項的汽輪機飛射物,其擊中區域指沿著低壓轉子兩端輪盤,位于汽輪機輪盤平面±25°角范圍之內的廠區平面區域,如圖4所示。由于高軌跡飛射物是向上拋射,其能量和軌跡根據空氣動力學都會受到較大影響,其對核安全相關物項可能的影響相比于低軌跡飛射物概率要低很多。因此,通常僅需計算汽輪機低壓缸低軌跡飛射物對關鍵物項的撞擊效應。計算時,對于P2,應考慮飛射物的特性、與屏障或障礙物的相互作用,通過建模手段來實現。對于P3,應通過定義導致安全重要物項關鍵物項功能失效所需的飛射物撞擊能量以及由汽輪機飛射物造成的假想事件序列來實現。

2.1 計算模型

對于P2×P3的計算,有如下幾個保守的基本假定:

1)保守假設P3=1,即汽輪機飛射物一旦擊中關鍵物項,保守認為將導致其安全功能的喪失。僅計算P2,即飛射物擊打到核安全相關物項的概率。

圖4 低軌跡飛射物擊中區域示意圖Fig.4 Low-trajectory turbine missile strike zone

2)飛射物在±25°范圍內的均勻分布。

3)飛射物的在拋射過程中作為質點考慮,發射源點在低壓缸的軸心上。

4)拋射過程中在靶物與源點之間無阻擋,也不考慮汽輪機廠房的阻擋作用。

2.2 “華龍一號”計算實例

“華龍一號”機組為單堆布置,汽輪機相對于本機組屬于有利布置,根據SRP的推薦,可以認為有利布置下的P2×P3概率在10-3量級。但是,“華龍一號”機組在同一廠址通常規劃為多機組,這樣就可能造成相鄰機組之間形成不利布置的情況。下面針對這種情況,對于相鄰機組間P2×P3的計算進行了分析。

某廠址兩臺相鄰的機組出現了不利布置情況,即1號機組汽輪機飛射物的飛射方向能夠直接擊中2號機組的核島廠房,反之亦然,如圖5所示。這種情況,需要對P2×P3概率做進一步計算,以便及早地進行防護設計和布置更改。

通過對飛射物±25°撞擊范圍內的物項進行遴選,將容納安全相關和有可能造成放射性釋放的系統、部件和構筑物作為被撞擊的關鍵物項,而擊打概率可認為是被撞擊物項相對于發射點的立體角,比上可能的拋射范圍對應的總的立體角的數值。以靶物與源點之間的相對坐標、靶物的尺寸作為計算輸入,分別計算每個廠房被擊打的概率后求和,即得到源點擊打目標機組關鍵物項的概率。

這里分別計算了1號機組汽輪機飛射物擊打2號機組核島廠房,以及2號機組汽輪機飛射物擊打1號機組核島廠房的概率,簡要結果如表1所示。

圖5 汽輪機飛射物對相鄰機組飛射示意圖Fig.5 Turbine missile to adjacent unit

表1 某核電廠汽輪機飛射物擊打概率計算結果Table 1 Strike probability calculation of turbine missile

計算結果表明,1號機組汽輪機飛射物擊打2號機組核島廠房的概率為0.0079,2號機組汽輪機飛射物擊打1號機組核島廠房的概率為0.0095,都能夠滿足不大于10-2的法規要求。計算中已經選取了足夠保守的假設,現有的布置方案能夠保證相鄰機組間免受汽輪機飛射物的造成的影響。

3 結論

汽輪機飛射物是核電廠重要的飛射物源,若由于防護不當造成由汽輪機飛射物引發的關鍵物項的損害,后果非常嚴重。一般地,我們參考SRP以及RG 1.115所推薦的概率分析方法來展開分析,并根據分析結果指導電廠的布置和防護設計。

本文系統地說明了 “華龍一號”汽輪機飛射物概率分析的計算體系,將分析過程分解為兩部分。一方面通過對汽輪機本身特性的解構,分析可能導致汽輪機飛射物產生的兩種主要失效機制,并通過概率計算得到汽輪機飛射物產生的概率。另一方面,結合 “華龍一號”機組的布置特點,對汽輪機飛射物擊打關鍵物項并造成目標損害的概率進行計算,并根據其計算結果,來判斷電廠布置與設計的合理性,必要時通過更改布置型式或是增設防護措施來降低概率,使得汽輪機飛射物導致關鍵物項失效的概率滿足小于10-7/機組年的法規導則要求。概率分析方法的運用,可以在設計方案形成階段盡早開展汽輪機飛射物的防護分析,避免設計固化之后,由于設計變更所帶來的投入成本,提高電廠的經濟性。