關于我國M310及其改進型核電機組的應急柴油發電機抗震性能不足問題的分析

許友龍，劉 莞，鄭麗馨

（生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082）

應急柴油發電機對于核電機組的安全至關重要，在核電廠廠用電源與輔助電源都發生故障不可用時啟動，以保證反應堆安全停堆并防止關鍵設備損壞。因此，根據核安全相關法規規定，應急柴油發電機的抗震等級為抗震Ⅰ類。對于應急柴油機必須進行抗震鑒定，以確保其在地震作用時及地震作用后均能履行其安全功能。但是法國與我國M310及其改進型機組的運行經驗告訴我們：M310及其改進型機組的應急柴油機都屬于安裝在支撐塊上的應急柴油機，由于安裝缺陷，其輔助的油、水、氣、電等管線與周圍的固定結構距離很近（如圖1所示），在地震工況下的位移量將會超出柴油機抗震相關標準限值，可能會導致一些管線與周邊構筑物發生碰磨，影響柴油機的可用性，因此柴油機的抗震性能存在不足。

圖1 應急柴油機與周邊構筑物位置示意圖Fig.1 Location diagram of emergency diesel and surrounding structures

本文將淺析當前這一問題給機組帶來的風險與后果，并提出建議。

1 法國多座核電廠應急柴油機部分管道與周圍構筑物結構距離過近

1.1 事件信息

1.1.1 事件描述

2018年10月，法國Tricastin核電廠發現應急柴油機的一些油、水、氣等管道與周圍的固定結構距離很近，在地震發生時，可能導致應急柴油機發電機組發生故障而失效。隨后發現Civaux、Gravelines和Paluel等多個核電廠應急柴油機存在類似問題。根據一臺機組可能存在的應急柴油機失效數量（一列或兩列），ASN評定這些事件為INES 1級或2級核安全事件［1，2］。

1.1.2 事件后果與原因分析

應急柴油發電機組油、水、氣、電等管線與周圍的固定結構距離很近，在地震發生時，會加劇移動部位和固定部位間的位移偏差，移動管線可能會與土建、支撐件、固定管線等固定結構發生碰磨，管線、結構有可能破裂或折斷，導致應急柴油發電機組發生故障而失效。

事件原因包括以下兩個方面：其一，工程建造階段對振動水平高且復雜、結構緊湊的應急柴油發電機組本體與輔助設施之間的抗震距離及連接細節的設計欠缺明確標準，施工控制不嚴苛；其二，生產改造過程在應急柴油發電機組抗震距離及連接的要求方面欠缺標準依據及認識。

1.1.3 法國方面的糾正行動

法國EDF采取的糾正行動包括：取消管路支架以增加管路靈活撓度；打磨非功能部件以增加抗震距離；擴大地板格柵周圍的空間；彎曲小直徑管道進行管道重塑形［3］。

1.2 我國核安全監管的經驗反饋

國家核安全局在收到生態環境部核與輻射安全中心關于該事件的相關研究報告后，于2020年7月7日向有關單位發布了《關于法國部分核電廠應急柴油發電機組抗震性能不足問題經驗反饋的函》（國核安函［2020］59號），要求各核電廠結合此事件盡快開展相關經驗反饋，全面排查核電廠應急柴油發電機組是否存在類似缺陷，并及時將排查結果和處理情況反饋給國家核安全局。

各核電廠均按照國家核安全局的要求開展了排查行動，相關問題以及改進方案均已通報國家核安全局。部分核電廠排查發現的應急柴油機抗震性能不足問題的匯總情況以及改進計劃如下。

2 我國M310及其改進型機組應急柴油機抗震性能不足問題

2.1 廣核集團排查情況匯總

目前，廣核集團的M310及其改進型核電機組的應急柴油機都存在抗震性能不足問題。

存在的主要問題包括：

（1）管線與構筑物或周圍設備距離過近；啟動空氣管與地板之間、超速空氣管與地板之間、加熱器及其接線盒與管道之間、主冷卻水管與地板垂直距離、主冷卻水管穿過地板孔位置與孔邊緣的距離；

（2）電纜槽架兩端跨越抗震邊界固定；

（3）柴油機端部與地板普遍存在間隙過小的情況；

（4）有關位置蓋板邊緣與地板間隙過小。

下面以陽江核電廠為例，介紹相關情況，見表1。

表1 陽江核電廠2號機組應急柴油機抗震問題Table 1 Seismic problem of emergency diesel engine in unit 2 of yangjiang nuclear power plant

陽江核電廠的柴油機為MTU廠家生產的柴油機。其位移量的標準為MTU20V956:以SSE橫波最大位移，疊加柴油機滿載運行的位移作為柴油機與周圍固定件間距離排查的最小標準。即，軸向位移不大于11.571 mm；徑向位移不大于25.412 mm；豎直位移不大于17.57 mm。

最終的排查結果顯示：

（1）208FL上游管道與轉速齒輪殼體間隙不足（徑向＜11.04 mm），出現這種情況的共有9臺機：0LHS、2LHP、2LHQ、3LHQ、4LHP、5LHP、5LHQ、6LHP、6LHQ；

（2）219FL上游管道與潤滑油預供管道間隙不足（徑向＜11.04 mm），出現這種情況的共有11臺 機：0LHS、1LHQ、2LHP、2LHQ、3LHP、3LHQ、4LHP、4LHQ、5LHP、5LHQ、6LHQ；

（3）6.6 kV出口線纜支架與公共底座（電機側）間隙不足（徑向＜11.04 mm）；4LHP碰磨；

（4）機載壓力傳感器箱與線纜橋架間隙不足（豎直＜-5.02）；6LHP-5.0 mm。

（5）A列自由端底座端面傳感器支撐板與水泥座臺間隙不足（豎直＜17.57 mm）；5LHR17 mm。

計劃采取的解決方案包括：

（1）修改柴油機低溫冷卻水進口管道；（2）嘗試將潤滑油預供管道熱矯形；（3）切割支架支撐槽鋼；（4）修改壓力傳感器箱下部的線纜橋架位置；（5）切割傳感器支撐板。

從已有的排查反饋情況來看，陽江核電廠存在問題較為嚴重：除1號機組外的其他機組都存在兩臺應急柴油發電機同時不滿足抗震要求的現象，且有的位置間距為0，在發生輕微地震的情況下即有可能導致應急柴油發電機失效，更不用說發生更加嚴重的歷史最大可能地震（MHPE）和安全停堆地震（SSE）的情況。

2.2 海南昌江核電廠

海南核電廠1、2號機組的柴油機與發電機共同落座在公共底座上，并在公共底座與混凝土地基之間設置隔震器，進行減震，屬于彈性墊懸掛安裝方式。

根據排查結果，測量應急柴油發電機組本體抗震基座與周邊構筑物、支撐件或固定管線間距，測量應急柴油發電機組本體上管線與周邊構筑物、支撐件或固定管線間距，核查應急柴油發電機組本體上管線與附屬系統固定管線間連接方式等總體滿足抗震排查要求，但存在如下問題：1LHP、2LHP、2LHQL-281-15管線（超速保護空氣進機管）與公共底座上安裝的103SP（燃油進機壓力傳感器）及其安裝板有碰撞風險（如圖2所示），部分軟管安裝間距不當，無法有效吸收地震工況下位移量。因此，在地震情況下，無法保證應急柴油機的可用性。2LHQ153EL啟動空氣進氣管軟管長度不合適（如圖3所示），無法有效吸收地震工況下位移量。

圖2 2LHP機組L-281-15管線（超速保護空氣進機管）與103SP位置關系圖Fig.2 2LHP L-281-15 pipeline（overspeed protection air inlet pipe）and 103SP position diagram

圖3 2LHQ153EL啟動空氣進氣管位置示意圖Fig.3 Diagram of the position of the 2LHQ153EL starting air intake pipe

2.3 針對上述問題及其根本原因所應采取的對策

第一方面，應當盡快協調與明確應急柴油發電機組本體與周圍設施之間的抗震距離及連接細節方面的排查反饋參考標準；同時，立即取消管線跨隔震邊界的固定點并重新固定；盡快采取管道移位或是彎管處理、切割間隙小的樓板及縫隙擋板、進行強度校核后調整支撐梁、清理振動邊界縫隙中雜物等措施；如果不能立即處理，需要進行管道及設備強度評估，或是進行設備改造。

第二方面，在設計制造階段，明確應急柴油發電機組本體與周圍設施之間的抗震距離及連接細節方面的設計標準；在施工安裝階段，提高對核電站應急柴油發電機組的重視和資源投入，主動督促上游完善相關標準規范并嚴格按其進行施工安裝過程的質量控制。加強對新建機組的應急柴油機安裝質量驗收與評估。

第三方面，除保守地避免地震條件下動靜設施碰磨的可能外，還應考慮動、靜管線之間的軟連接（尤其是單拱膨脹節）自身許可的位移偏差，是否滿足地震條件下其自身扭曲變形的極限要求，可使用兩只膨脹節串聯安裝、波紋管式膨脹節等方式增強軟連接抗扭曲特性；同時，將此問題經驗反饋至沒有抗震要求的常規島應急柴油機管路連接，同步進行規范性檢查及偏差調整，整體提高核電廠柴油機的抗震性能。

3 我國相關法規、導則要求

3.1 運行事件上報

針對我國二代改進型機組，應急柴油發電機用于緩解《最終安全分析報告》中所述預計運行事件和設計基準事故的后果。此次排查發現的兩列應急柴油發電機同時存在抗震性能不滿足要求的情況（如陽江核電廠2、3、4、5、6號機組），滿足《核動力廠營運單位核安全報告規定》（部令13號）第二十二條（七）“任何可能妨礙構筑物或者系統實現停堆和保持安全停堆狀態、排出堆芯余熱、控制放射性物質釋放、緩解事故后果等安全功能的事件或者狀況”，以及（八）“同一原因或者狀況導致具有停堆和保持安全停堆狀態、排出堆芯余熱、控制放射性物質釋放、緩解事故后果等安全功能的系統的系列或者通道同時失效的事件”的要求，均應當上報運行事件。

3.2 事件定級

在前文反饋的法國事件中，因為多臺機組可能在歷史最大可能地震（MHPE）和安全停堆地震（SSE）工況下應急柴油機組發生失效，所以事件也被定為INES 2級。

針對我國核電機組兩列應急柴油發電機同時存在抗震性能不滿足要求的情況，依據《國際核與輻射事件分級手冊》（NNSA-HAJ-0001—2020）［4］，從人和環境、設施的放射性屏障和控制、縱深防御三個方面對事件等級進行評定。針對縱深防御方面，采用動力堆功率運行事件的“始發事件法”進行定級，具體見表2。

表2 事件定級表Table 2 Event INES Scale Table

4 當前柴油機抗震性能不足所帶來的風險

當發生SSE地震時，以陽江核電廠的機組來看，由于同樣的原因，將導致在地震情況下一臺機組的2臺應急柴油發電機因其輔助系統的相關管線與周邊構筑物碰磨，從而2臺應急柴油機同時不可用，如果在這樣的條件下，喪失廠外電與輔助電源，那么將會進一步發生SBO，即全場斷電事故。

在國家核安全局經驗反饋網絡信息平臺中，利用SDP風險重要度分析軟件計算假象的地震工況，假設一臺機組的2臺應急柴油發電機同時不可用，即存在真實的始發事件，其他設備沒有故障，機組功率運行，在沒有人員失誤的情況下，同時假設小于3天的暴露時間，那么該假想事件對堆芯融化的風險影響的量級為10-6，如圖4所示。因此，按照國際原子能機構對先兆事件的定義，即堆芯損壞概率增量大于等于10-6（ΔCDP≥10-6）為先兆事件［5］，此假想事件對于機組的安全有著重要影響。

圖4 兩列應急柴油機因地震同時失效SDP計算結果圖Fig.4 Figure of SDP calculation results of simultaneous failure of two emergency diesel engines due to earthquake

5 結論

（1）針對M310及其改進型機組的兩列應急柴油發電機同時存在抗震性能不滿足要求的情況（如陽江核電廠2、3、4、5、6號機組），滿足《核動力廠營運單位核安全報告規定》（部令13號）［6］第二十二條（七）“任何可能妨礙構筑物或者系統實現停堆和保持安全停堆狀態、排出堆芯余熱、控制放射性物質釋放、緩解事故后果等安全功能的事件或者狀況”，以及（八）“同一原因或者狀況導致具有停堆和保持安全停堆狀態、排出堆芯余熱、控制放射性物質釋放、緩解事故后果等安全功能的系統的系列或者通道同時失效的事件”的要求，均應當上報運行事件。

（2）為了切實解決問題、確保經驗反饋工作取得實效，國家核安全局應當組建專項檢查組，對核電廠應急柴油機現場安裝與設計標準不一致導致抗震性能不足的問題開展專項檢查活動。針對此問題，國家核安全局應當進行現場勘查，核實各電廠的上報情況，聽取相關核電廠的情況匯報，通過廣泛的討論與調研制定通用技術要求，以國家核安全局管理要求的形式發送至各核電廠，并要求其執行。對各核電廠制定的糾正行動或整改方案，國家核安全局應當評估糾正行動的可行性和實施計劃的適宜性，并開展落實情況跟蹤核查。此外，國家核安全局可定期召開會議對專項檢查情況進行通報，同時分享良好經驗，以期提升核電廠運行安全水平。

（3）此問題反映出我國M310及其改進型機組在設計、安裝、調試期間存在著一定安全缺陷，應當對標法國參考機組，梳理相關抗震缺陷項，排查風險隱患，及時采取措施，保證機組安全穩定運行。