事故環境試驗裝置設計研究

王運生，祝 文

（中國核動力研究設計院反應堆工程研究所，四川成都 610213）

引言

核級設備事故環境試驗[1]在核級設備可靠性中具有重要地位，尤其是在福島核事故后，各方認識到核級設備在事故工況中和事故工況后能否正常工作關系到核動力裝置的安危；對于部分已明確規定執行安全功能的關鍵設備必須通過事故環境評價試驗，檢驗相關設備在事故工況中和事故工況后能否正常執行安全功能。因此開展核級設備事故環境試驗是保證核級設備事故環境下可靠運行的保證。

民用核電領域，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[2-3]更高的要求。我國自主研發的“華龍一號”核電機組也對國產關鍵設備提出了更高的要求，可見事故環境試驗在民用核電設備開發及設備性能評價中均具有很重要地位，通過先進的裝置設計理念和切實可行的裝置建造工藝，可解決目前事故環境試驗中的大多數難題。

1 裝置現狀

事故環境試驗裝置屬于熱工試驗裝置，不但設備復雜并且接口眾多，是集技術、管理和條件建設等為一體的龐大的系統工程。通過對國內多個試驗裝置的調研[4]，對目前試驗裝置的現狀進行了總結和分析，圖1 為電機試驗的現場圖片，圖2 為傳感器試驗現場圖片。

圖1 事故環境試驗安裝圖片（電機）

圖2 事故環境試驗安裝圖片（傳感器）

隨著行業的不斷發展與研究的逐步深入，對試驗容器的最高工作壓力與升降溫速率等參數都提出了更高的要求，比如以前試驗壓力在1 MPa 左右，現在有些試驗壓力的要求已經上升至2 MPa 附近，原有的試驗設備已不能全部滿足；由于核動力裝置發生事故時，其配套的安全系統中各種設備應立即投入運行用于對核動力裝置的保護，但因設備振動與密封等眾多因素的干擾，目前大多數試驗裝置不具備開展設備運行工況下的事故環境試驗的條件；現階段開展的事故環境試驗件既有較小的閥門和電氣設備，也有尺寸和體積較大的泵和電氣貫穿件等，涵蓋了大中小尺寸和體積的電氣設備。當前國內多數試驗裝置多是針對某一個領域或者某些參數的設備進行試驗，只能開展部分設備的事故環境試驗，缺乏全系列的綜合性試驗研究裝置，為進行全方位的試驗研究，相關的裝置需要改進和升級。

2 問題分析

由于試驗裝置本身缺陷或者試驗程序不科學等諸多原因，在開展事故環境試驗時，經常會遇到一些具體的技術難題。比如過熱蒸汽系統與試驗容器的體積配比不合理會造成試驗時蒸汽量不夠，不得不采用較高壓力的蒸汽來代替從而在試驗的后半段產生超壓的現象，因有些試驗設備的外殼并不具備很高的耐壓能力，超壓帶來的后果往往會損傷設備而造成不良的后果，是需要盡量避免的。解決這種超壓問題的方法往往只能從裝置建造本身的能力入手，如果試驗裝置已經建設完畢，后期改善的效果大多不是很好；因早期的試驗容器對蒸汽的注入口沒有做過太多的研究，蒸汽注入口較少且缺乏科學的注氣方式，會導致在試驗開始的短暫時間內，試驗容器內部的溫度發生分層的現象，使得各個位置發生溫度不均勻的情況大大增加，不利于試驗的開展，有時甚至會達不到試驗曲線中溫度的要求從而導致試驗的失敗。針對這種問題可以從改進蒸汽的注入方式著手，科學的布置進氣管道并在試驗容器的不同位置設置溫度測點用以檢驗其溫度的均勻性。

除上述之外，目前最重要的一個技術難題就是較高參數值的拉峰工況實現較困難，如圖3 所示在1 s內溫度需要迅速上升至140 ℃左右，并且隨著行業不斷發展對事故環境試驗初始時期的升溫速率會提出更嚴苛的要求，以往的試驗裝置蒸汽參數較低且進試驗容器的蒸汽速度相對較慢，不能適應今后發展的趨勢。可提高高溫蒸汽的參數并改造試驗回路使得高參數蒸汽能夠迅速進入試驗容器內，這就需要在裝置設計上采用一些創新的理念和科學的布置，不斷適應更嚴苛更高要求的事故環境試驗條件。除上述技術難題外，有些裝置還存在試驗過程中排氣能力不足，噴淋循環水利用率不高及高溫熱態工況下補水困難等情況。

圖3 AP1000 的LOCA 事故下溫度曲線

3 試驗裝置設計

事故環境試驗裝置主要配置包括蒸汽供應系統、試驗回路系統、測量控制及數據采集系統、電氣系統和鋼平臺及輔助系統等。蒸汽供應系統主要功能是利用穩壓器內的飽和蒸汽進行試驗或者將飽和蒸汽噴入設置內置電熱元件的過熱蒸汽容器中加熱至過熱狀態，以模擬事故蒸汽的高溫環境，通過設置閥門的管道使蒸汽快速進入試驗容器中進行事故環境試驗；主回路系統包括主回路管道及試驗容器等組成，試驗容器為試驗提供必須的高溫與高壓空間。考慮到最高工作壓力和最大溫升速率等試驗要求日益嚴苛，應適當提高試驗容器及主回路管道的壓力與溫度等主要設計參數；針對實現較高參數下溫度拉峰工況困難的情況，應靠近試驗容器布置響應時間較快的快開閥，使蒸汽通過主回路管道迅速進入試驗容器中，保證溫度能夠在較短時間內快速上升。

在試驗裝置建設之初，在設計方案上要做全方位的創新考量，盡最大可能解決試驗過程中出現的技術難題。現采用多個蒸汽管道注入的方式并適當提高參數進行系統設計，示意見圖4 所示，并對整個系統進行RELAP5 數值建模[5]，節點劃分見圖5 所示。

圖4 事故環境試驗裝置圖

圖5 事故環境試驗裝置RELAP5 節點圖

數值計算分析中，穩壓器、蒸汽過熱器與試驗容器分別隔離，穩壓器內為飽和蒸汽，各容器初始條件設置見表1。計算開始后同時打開各個快開閥門將3個容器連通，穩壓器中飽和蒸汽經過蒸汽過熱器后與過熱蒸汽一起向試驗容器內供汽，計算結果見圖6 所示。

表1 各容器初始條件參數

圖6 試驗容器內溫度時程變化

數值模擬計算結果顯示：在升溫階段，多條布置的蒸汽供應管道使得試驗容器內部溫度均勻性可滿足要求，試驗容器內溫度變化結果能夠滿足AP1000、VVER 等溫度拉升速率要求較高的三代核電堆型的環境鑒定試驗溫升要求。為進一步優化系統設計，后期還可以采用多個蒸汽過熱器的設計方案，既可以單獨使用也可以聯合使用，多個蒸汽過熱器之間通過不銹鋼管道與電動調節閥門進行連通，既兼顧了過熱容器使用的經濟性，又能提供滿足壓力參數要求的試驗蒸汽，減小了試驗過程中超壓的風險。

試驗容器提供被試驗件的高溫、高壓安裝空間，管道系統提供高溫介質（蒸汽、水）的通道和控制其流量、啟停。試驗容器由壓力容器、電加熱元件、噴淋裝置等部件組成，為保證裝置具備開展系列化事故環境試驗的能力，綜合考慮現有試驗條件與試驗設備調研結果，同時達到合理利用試驗資源并盡可能地節約有限資源，考慮建設多臺試驗容器系列化配套使用。為更進一步實現試驗容器內溫度均勻分布的目的，可在試驗容器的不同位置上布置多個進氣管道進行模擬計算，選取均勻性較好的位置作為設計輸入參數，完全解決溫度分層和初始溫度不均勻的技術難題。

4 建造工藝

建造大型熱工試驗裝置包含土建、安裝、焊接及調試等各種工藝，大多數都是比較成熟的，事故環境試驗裝置大多配套建設鋼平臺，根據設備的不同功能將設備分別放置在鋼平臺的不同樓層。除常規的建造工藝外，事故環境試驗裝置還采用模塊化建設與設備減振工藝等新型技術。

設置在地面的設備與回路系統，采用鋪設地軌的形式進行模塊化連接。因設備的基礎形式不同，須用相應的轉接方式進行安裝，將設備與地軌組合在一起。采用這種方式可以根據不同試驗的要求對設備和回路進行替換，不僅可以加快試驗調試的進度，而且在提高了場地使用效率的同時又降低了試驗的成本；事故環境試驗屬于熱沖擊試驗，在開展高溫蒸汽試驗時難免會有較大的振動，由于試驗裝置的基礎都是金屬的剛性連接，對設備和鋼平臺的安全會造成隱患，通過分析振動產生的原理并進行力學計算后，針對此情況在設備附近分散設置減振系統，大大減少了試驗時熱沖擊對設備和試驗裝置的振動損害。

5 結論

本文通過對試驗裝置的現狀調研總結出目前國內該類型試驗裝置不足的地方，并對每個關鍵的問題從理論到應用的角度都進行了詳細的分析。事故環境試驗的設計是裝置建設的核心，通過對事故環境試驗裝置各個系統的設計，并采用RELAP5 對整個系統建模進行數值計算，解決了高參數下拉峰工況困難與初始溫度不均勻的技術難題；試驗設備的系列化建設實現了電氣設備綜合試驗研究，不再受限于某種或者某類試驗條件的限制；創新的采用模塊化建設與設備減振工藝，提高了試驗裝置的利用率并減少熱沖擊帶來的振動損害。

運用上述創新的試驗裝置設計理念與建造工藝，并在建設過程中進行科學和合理的管控，可保障大型事故環境試驗裝置建設的成功。