美國壓水堆核電廠蒸汽發生器傳熱管完整性要求探析

向群，官益豪，涂智雄，劉江龍

（三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

1 介紹

蒸汽發生器是壓水堆核電廠，反應堆冷卻劑壓力邊界的重要組成部分，其傳熱面積可占反應堆冷卻劑壓邊界總面積的50%以上。因此，蒸汽發生器傳熱管是防止放射性裂變產物釋放到環境中的主要屏障。其完整性對反應堆的運行安全及環境安全至關重要。在美國，傳熱管完整性要求是基于性能制定的，它包含在每個機組的技術規格書中。盡管近年來蒸汽發生器的設計和運行相關要求有所提高，但傳熱管完整性問題仍然存在。本文總結了針對蒸汽發生器傳熱管完整性的監管機制。

2 背景

美國核電廠蒸汽發生器傳熱管材料根據材質和熱處理方式有三種類型：Alloy600MA、Alloy600TT和Alloy690TT。早期的蒸汽發生器傳熱管通常使用Alloy600MA，將傳熱管在熔爐內進行退火，以增強材料的耐腐蝕性。第二代蒸汽發生器傳熱管使用Alloy600TT，熱處理工藝進一步提高了傳熱管的耐腐蝕性。第三代傳熱管采用Alloy690TT。這種材料被認為比其他材料更耐腐蝕，是目前美國蒸汽發生器傳熱管的首選材料。

3 法規要求

根據美國聯邦法規，所有核電廠都須嚴格遵守技術規格書，在美國，所有壓水堆電廠技術規格書中涉及蒸汽發生器傳熱管完整性的要求都是類似的。技術規格書要求制定蒸汽發生器大綱，以確保核電廠蒸發器傳熱管在兩次檢查之間的運行間隔內是完整的。技術規格書通過建立性能準則定義了構成傳熱管完整性的要素，同時要求監測一次側至二次側的泄漏率，定期對傳熱管進行檢查，根據性能準則評估傳熱管的狀況，并建立傳熱管堵管準則。技術規格書中的要求制定基礎主要以性能為依據。

3.1 性能準則

技術規格書的要求基于設備性能，它規定了確保傳熱管具有足夠完整性的性能準則，而沒有規定如何達到這些準則的細節。蒸汽發生器有三個性能準則：結構完整性、事故引起泄漏和運行泄漏。當滿足上述三個準則時，就認為蒸汽發生器傳熱管的完整性得到保證，且只有在傳熱管完整性得到保證時，蒸汽發生器才能繼續運行。結構完整性和事故引起的泄漏性能準則是基于電廠的設計要求和許可證制定。美國核管理委員會（NRC）的運行泄漏性能準則是建立在工程判斷的基礎上，考慮到避免不必要的電廠停堆，同時考慮到超過結構完整性性能準則的概率。

（1）結構完整性性能準則。結構完整性性能準則要求為，在電廠正常運行、瞬態和設計基準事故（包括事故組合）期間，應保持防止傳熱管爆破和坍塌的裕度。美國核管理委員會根據美國機械工程師學會（ASME）等設計規范制定了這些準則。具體要求如下。所有在役蒸汽發生器傳熱管，應在所有正常運行條件范圍內保持結構完整性，包括啟動、功率運行、熱備用和冷卻以及設計規格書中包含的所有預期瞬態和設計基準事故。即在正常穩態滿功率運行的一次側與二次側壓差下，保持3.0的防止爆破安全系數，以及在設計基準事故的一次側與二次側壓差下，保持1.4的防止爆破安全系數。除上述要求外，還應評估與設計基準事故相關的附加荷載條件，或根據設計和許可證基礎事故組合，以確定相關荷載是否對爆破或坍塌有顯著貢獻。

（2）事故引起的泄漏準則。事故引起的泄漏性能準則要求將設計基準事故（傳熱管破裂除外）期間可能發生的一次側至二次側泄漏量限值，作為機組許可證基礎的一部分進行評估。因此，要證明符合事故引起的泄漏性能準則，需要計算各種設計基準事故期間的預期泄漏量。計算的泄漏量必須小于事故分析中假設的泄漏量。制定這些特定的許可證基礎依據是在發生設計基準事故后，相關的輻射后果符合（1）聯邦法規10 CFR Part100“反應堆場址準則”中的“場外劑量”，和（2）10 CFR Part50附錄A“核電廠的一般設計標準”中的“國內生產和使用設施的許可”，通用設計準則19中“主控室”的限值。要求如下。除蒸汽發生器傳熱管破裂外，任何設計基準事故引發的一次側至二次側泄漏率不得超過最終分析報告事故分析中假設的所有蒸汽發生器總泄漏率和單個蒸汽發生器泄漏率限值。每臺蒸汽發生器的泄漏率不得超過1加侖/分鐘（1gpm）。

（3）運行泄漏準則。運行泄漏性能準則要求每個蒸汽發生器的泄漏量限制為每天150加侖。盡管該準則不能確保傳熱管的完整性，但它在限制傳熱管破裂概率和間接提供傳熱管結構完整性和事故引起的泄漏完整性的指標方面是有效的。

3.2 泄漏監測

技術規格書要求許可證持有人在電廠運行期間監測一次側至二次側的泄漏。技術規格書是基于性能的，因為它沒有規定如何監測這種泄漏。相關要求是，許可證持有人必須至少每72h監測一次泄漏。

3.3 傳熱管檢查

技術規格書中的蒸汽發生器檢查要求包含基于性能的和規定性的要求。從基于性能的角度來看，許可證持有人需要評估傳熱管可能發生的缺陷類型和位置，確定的檢查方法、范圍和檢查間隔，必須足以確保在下次檢查之前保持傳熱管完整性。要求如下。

檢查傳熱管的數量和部位以及檢查方法，應旨在檢測沿傳熱管長度方向，從傳熱管入口與管板焊縫至傳熱管出口與管板焊縫之間，可能存在的任何類型的缺陷（例如，體積缺陷、軸向和周向裂紋）。傳熱管與管板的焊縫不是傳熱管的一部分。除滿足以下（1）、（2）和（3）的要求外，檢查范圍、檢查方法和檢查間隔應確保蒸汽發生器管的完整性保持到下一次蒸汽發生器檢查時。應進行降質分析，以確定傳熱管可能產生的缺陷類型和部位，并根據分析結果確定需要采用的檢查方法和檢查部位。

除了基于性能的檢查要求外，還有規定性的檢查要求。NRC制定的這些規定性要求，是確保對傳熱管狀況進行充分監督。這些要求反映了蒸汽發生器傳熱管材料性能的改善。此外，還考慮了定性的工程經驗。技術規范中的要求如下：

（1）在更換蒸汽發生器后的第一個換料大修期間，對每個蒸汽發生器的傳熱管進行100%檢查。

（2）對采用Alloy600MA合金傳熱管的電廠：在每60個連續等效滿功率月周期內，對傳熱管進行一次100%檢查。第一個連續周期應在蒸汽發生器首次在役檢查后開始。未經檢查，任何蒸汽發生器不得運行超過24個等效滿功率月或一次換料大修（以較小者為準）。

對于采用Alloy600TT合金傳熱管的電廠：在120、90和每60個連續等效滿功率月周期內，對傳熱管進行一次100%檢查。第一個連續周期應在蒸汽發生器首次在役檢查后開始。此外，在最接近周期中點的換料大修前檢查50%的管子，在最接近周期結束的換料大修前檢查其余50%的管子。未經檢查，蒸汽發生器不得運行超過48個等效滿功率月或兩次換料大修（以較小者為準）。

對于采用Alloy690TT合金傳熱管的電廠：在144、108、72以及此后每60個連續等效滿功率月周期內，對傳熱管進行一次100%檢查。第一個連續周期應在蒸汽發生器首次在役檢查后開始。此外，在最接近周期中點的換料大修前檢查50%的管子，在最接近周期結束的換料大修前檢查其余50%的管子。未經檢查，蒸汽發生器不得運行超過72個有效滿功率月或三次換料停機（以較小者為準）。

（3）如果在任何一臺蒸汽發生器傳熱管中發現裂紋顯示，則下一次對每臺蒸汽發生器導致裂紋顯示的退化機理進行檢查的間隔，不得超過24個等效滿功率月或一次換料大修（以較小者為準）。如果有確定的信息，如拔管、無損檢測判斷或工程評估表明裂紋狀顯示與裂紋無關，則無需將該顯示視為裂紋。

3.4 狀態監測

為確保性能要求的有效性，許可證持有人必須定期驗證蒸發器是否滿足性能準則。許可證持有人必須在每次大修期間進行該評估。要求如下。

狀態監測評估是指根據結構完整性和事故引發泄漏的性能準則，對傳熱管的“現狀”進行評估。“現狀”是指大修期間檢查的蒸汽發生器傳熱管狀態，在傳熱管堵管（或維理）之前，根據在役檢查結果或通過其他方式確定。應在每次大修期間進行狀態監測評估，在此期間檢查、堵管(或修理)蒸汽發生器傳熱管，以確認滿足性能準則。定期評估檢查結果是基于性能策略的一個關鍵要素。它要求許可證持有人評估傳熱管在檢查之前的運行間隔期間，是否有足夠的結構和泄漏完整性。如果未保持傳熱管完整性，則表明需要采取糾正措施。

3.5 運行評估

為了確定應堵塞(或修理)的蒸發器有缺陷傳熱管是否完整，必須進行評估，證明在下一次傳熱管檢查之前，蒸發器能夠滿足性能準則要求。具體要求如下：

如果運行評估確定有缺陷的傳熱管在下一次檢查之前能夠保持完整性，則可以允許電廠繼續運行直到下一個檢查間隔。否則在電廠進入模式4之前，必須將有缺陷的傳熱管堵塞（或修理）。

3.6 維修標準（也稱為“堵管限值”）

蒸汽發生器（SG）的維修標準定義了允許SG傳熱管缺陷在下次檢查之前雖然擴展，但仍然保證滿足SG的性能準則的降質極限。

技術規格中的維修標準（歷史上稱為傳熱管“堵管限值”）是規定性的。所有電廠都有一個基于缺陷深度的傳熱管維修標準，要求缺陷超過特定限值的傳熱管退出服役。該標準與性能準則是相一致的；然而，有缺陷的傳熱管也可能在超過維修標準之前將其退出服役。這種可能是非常必要的，因為該標準是在對缺陷方向、下一個運行間隔期間缺陷增長的速率以及缺陷測量尺寸的不確定度進行特定假設的情況下制定的。如果預計燃料循環長度更長（比基于深度的維修標準制定中的假設長度更長），缺陷的增長率高于假設，并且缺陷測量尺寸的不確定度更大，則可能需要在傳熱管超過堵管限值之前對其進行堵管。具體要求如下。

在役檢查發現的含有深度等于或超過標稱管壁厚度40%缺陷的傳熱管，應進行堵管（或修理）。

3.7 技術規格書的修改

美國核行業界組建了SG技術規格書工作組（TSTF），根據運行經驗和最新的研究成果對技術規格書中的要求進行不斷優化，在提交NRC并獲得批準后，各核電廠可以自主選擇是否采用TSTF的內容，修改其技術規格書。

4 結語

NRC采取一種風險指引和基于性能的方法來管理蒸汽發生器。這種方法為核電廠運行提供了靈活性，同時確保了核電廠的安全。與任何基于性能的方法一樣，對大綱績效的監督并適時采取適當的糾正措施對核電廠安全至關重要。NRC采取這種基于性能的方法，以確保其許可證持有者保持傳熱管完整性并確保核電廠的安全。在過去幾十年中，由于檢查和監督的改進，以及蒸汽發生器抵抗降質能力的改進，核電廠蒸汽發生器性能得到提高。盡管如此，蒸汽發生器問題仍然需要關注。目前的運行問題包括支撐板降質、ALloy600傳熱管裂紋、更換蒸汽發生器的磨損以及沉積物堆積對蒸汽發生器性能的影響。鑒于蒸汽發生器傳熱管完整性對核電廠安全運行的重要性，及時解決蒸汽發生器的重大安全問題非常重要。