LBB和BP在核電站管道設(shè)計(jì)中的異同性分析

劉 永

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518172)

在傳統(tǒng)壓水堆核電站中，高能管道雙端斷裂一直作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況來考慮，考慮管道雙端斷裂甩擊和射流沖擊載荷等給核電站的設(shè)計(jì)帶來了復(fù)雜性。隨著人們對(duì)高能管道破裂行為認(rèn)識(shí)的加深，認(rèn)為通過高質(zhì)量的設(shè)計(jì)和制造，管道在雙端斷裂前會(huì)形成穩(wěn)定的亞臨界裂紋，并在裂紋發(fā)展到失穩(wěn)尺度前，可通過泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)探測(cè)到裂紋泄漏狀況，即認(rèn)為管道是破前漏的。通過泄漏監(jiān)測(cè)及相應(yīng)的降溫、降壓等操作，可使雙端斷裂行為的預(yù)防和排除成為可能。基于此，世界范圍內(nèi)對(duì)破前漏行為進(jìn)行了廣泛研究，并發(fā)展形成了相應(yīng)的工程技術(shù)方法，其中最為突出的是以美國(guó)為主形成的LBB(破前漏)理念[1-3]和以德國(guó)為主形成的BP(破裂排除)理念[1,4]。這兩種理念在核電站設(shè)計(jì)實(shí)踐中均得到了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)先后引入的AP1000和EPR兩種三代壓水堆型中，也分別采用了LBB和BP理念。

LBB和BP之間有著較深的淵源，但又屬于兩種不同的范疇。了解LBB和BP兩者之間的異同性，對(duì)于更準(zhǔn)確地理解這兩種理念，以及更好地應(yīng)用和發(fā)展這兩種技術(shù)具有重要意義。

本工作將根據(jù)LBB和BP在我國(guó)三代核電站管道設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)兩者的異同性進(jìn)行分析。

1 高能管道設(shè)計(jì)理念含義和應(yīng)用比較

表1列出了兩種理念的定義和所屬類型。從表1的對(duì)比可知，LBB和BP兩種理念的目的相同，均是為了防止裂紋失穩(wěn)和管道斷裂行為。但兩者在實(shí)現(xiàn)方式上有所差別，LBB理念注重運(yùn)行階段的泄漏監(jiān)測(cè)措施和泄漏處理措施[3]；而BP理念除注重運(yùn)行階段的監(jiān)測(cè)措施及泄漏處理措施外，還對(duì)設(shè)計(jì)建造階段的管道材料和制造質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求，具備“全周期技術(shù)控制”的特點(diǎn)[1]。

表1 LBB和BP的定義和所屬類型

另外，LBB和BP兩種理念所屬的層次也不同。LBB是一種設(shè)計(jì)和運(yùn)行理念，而BP則屬于一種安全理念。BP理念是在綜合考慮德國(guó)KTA規(guī)范和德國(guó)核能安全委員會(huì)RSK相關(guān)導(dǎo)則要求的基礎(chǔ)上，形成的一種縱深防御的安全理論，它的內(nèi)容包括縱深防御的4個(gè)級(jí)別[4]，如圖1所示。

圖1 BP的縱深防御級(jí)別示意圖

目前LBB在核電站管道中的應(yīng)用極為廣泛，除主冷卻劑管道和主蒸汽管道外，還基本涵蓋了安全殼內(nèi)所有DN≥150 mm的重要高能輔助管道[3]。而BP理念目前只在主冷卻劑管道和主蒸汽管道上有所應(yīng)用。

2 高能管道設(shè)計(jì)理念的異同性分析

2.1 材料和制造比較

LBB和BP的材料和制造要求列于表2。

表2 LBB和BP的材料和制造要求

從表2可看出，BP管道的材料性能除要滿足RCC-M(或KTA)的要求外，在技術(shù)規(guī)格書中還提出了額外的附加要求。在制造方面，BP管道也有著更高的要求，例如，在制造商的資質(zhì)認(rèn)證、制造過程中的質(zhì)量控制及管道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化等方面的要求更為嚴(yán)格。在焊縫設(shè)計(jì)方面，BP除滿足RCC-M(KTA)1級(jí)的要求外，還需對(duì)樣品實(shí)驗(yàn)確定的最小值進(jìn)行焊接能力的評(píng)估。所有這些都是為了滿足BP縱深防御體系中第1級(jí)別的要求：通過高質(zhì)量的設(shè)計(jì)、制造，對(duì)管道失效進(jìn)行預(yù)防。而LBB在材料和制造方面的要求總體上是在ASME規(guī)范的框架內(nèi)。另外在主冷卻劑管道的制造上，BP需采用整體鍛造的方式，而LBB管道并無這方面的特殊要求?？傮w來說，BP在材料和制造方面的要求較LBB的復(fù)雜。

2.2 在役檢查和在役監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)比較

對(duì)管道的在役檢查，LBB遵循ASME Ⅺ的要求，BP遵循RSE-M的要求，兩者的要求基本一致，均要求有能力對(duì)相關(guān)管道的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢查，特別對(duì)所有的焊接接頭和管嘴周圍可能發(fā)生機(jī)械性能退化的點(diǎn)進(jìn)行檢查。

表3列出了LBB和BP管道的在役監(jiān)測(cè)設(shè)置?？傮w來說，BP需監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目較LBB的多。如BP需進(jìn)行疲勞監(jiān)測(cè)，這通過記錄BP管道的瞬態(tài)歷史及應(yīng)力循環(huán)來實(shí)現(xiàn)[1]，而LBB理念認(rèn)為由疲勞造成的管道失效是可排除的[3]，因此它并無這方面的要求。BP還需另外設(shè)置一些專設(shè)儀表以監(jiān)測(cè)其他額外的復(fù)雜情況。

表3 LBB和BP管道的在役監(jiān)測(cè)設(shè)置

LBB和BP管道的在役監(jiān)測(cè)設(shè)置亦有相同之處：兩者均需對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)監(jiān)測(cè)的目的是防止應(yīng)力腐蝕。但在具體振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面，LBB側(cè)重對(duì)主泵等關(guān)鍵部分的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)于BP，除了對(duì)主泵等關(guān)鍵部分的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還會(huì)對(duì)管道支撐件的間隙和振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在役檢查和在役監(jiān)測(cè)屬于BP縱深防御體系中第2級(jí)別的內(nèi)容。BP在這一級(jí)別的要求基本可包絡(luò)LBB，目的是通過高質(zhì)量的運(yùn)行進(jìn)一步對(duì)管道的失效進(jìn)行控制。

2.3 泄漏監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)比較

泄漏監(jiān)測(cè)和裂紋分析均屬于BP縱深防御體系中第3級(jí)別的要求。表4列出了LBB和BP的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

從表4可看出，LBB和BP在泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上基本相同，遵循RG1.45要求，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求具有冗余性和多樣性。不同的是LBB的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于非安全相關(guān)系統(tǒng)，而BP的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則屬于安全相關(guān)重要系統(tǒng)，從這點(diǎn)看，BP對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求更高一些。

表4 LBB和BP的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4 管道裂紋機(jī)理分析比較

LBB和BP管道的裂紋分析方法分別如圖2、3所示。

從兩種分析方法的步驟和所涉及的內(nèi)容看，LBB管道需計(jì)算可監(jiān)測(cè)裂紋尺寸和臨界裂紋尺寸兩項(xiàng)[5]，BP管道除以上兩項(xiàng)外還需計(jì)算初始貫穿裂紋尺寸和出現(xiàn)貫穿裂紋所經(jīng)歷的換料周期數(shù)[1]，通過計(jì)算以證明BP管道在正常工況下運(yùn)行至電站全壽期末不會(huì)出現(xiàn)2倍的初始貫穿裂紋大于臨界裂紋尺寸。LBB和BP在可監(jiān)測(cè)裂紋尺寸上的計(jì)算方法相同，泄漏率計(jì)算均取可探測(cè)泄漏率的10倍；在計(jì)算臨界裂紋尺寸時(shí)均考慮了載荷的安全系數(shù)(≥1.4)；臨界裂紋尺寸和可監(jiān)測(cè)裂紋尺寸之間考慮了2倍的安全余量。

另外，兩者在裂紋計(jì)算方法上有所不同，以兩者在AP1000和EPR項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用為例進(jìn)行比較(表5)。LBB采用ASME Ⅺ中Paris公式計(jì)算裂紋的擴(kuò)展，BP采用的則是RSE-M附錄中經(jīng)修正的Paris公式；在臨界裂紋尺寸的確定上，LBB采用極限載荷法[3]，BP則采用彈塑性J積分法[1]。

圖2 LBB管道的裂紋分析方法

圖3 BP管道的裂紋分析方法

總體上講，BP管道的裂紋分析方法較LBB管道的更為復(fù)雜，BP的分析內(nèi)容基本可包絡(luò)LBB。

表5 LBB和BP管道的裂紋計(jì)算方法比較

2.5 管道破裂局部效應(yīng)與全局效應(yīng)

管道破裂的影響包括局部效應(yīng)和全局效應(yīng)。其中，局部效應(yīng)是指由于管道破裂引起的甩擊、射流沖擊和隔間水淹、輻射等變化及對(duì)管道鄰近區(qū)域和管道支撐的影響；全局效應(yīng)是指管道破裂引起的安全殼溫度壓力變化、ECCS系統(tǒng)的補(bǔ)償行為等影響[1]。

以主冷卻劑管道為例，在傳統(tǒng)壓水堆中一直將其雙端斷裂定為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，因此設(shè)置了復(fù)雜的防甩設(shè)施和隔離屏障。采用LBB和BP后，對(duì)主冷卻劑管道局部效應(yīng)和全局效應(yīng)的假設(shè)均發(fā)生了變化，表6列出了兩者的比較情況。

表6 主冷卻劑管道采用LBB和BP后的局部效應(yīng)和全局效應(yīng)

注：A為主管道的橫截面積；a為主管道支管的橫截面積；p為主管道壓力

從表6可看出：1) 相比傳統(tǒng)壓水堆，LBB和BP兩者均取消了管道防甩件，節(jié)省了布置空間和建設(shè)費(fèi)用，主設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件的動(dòng)載荷也降低為僅考慮支管斷裂載荷；2) 盡管采用了LBB或BP理論，但兩者在安全殼環(huán)境(如溫度、壓力)、安全殼內(nèi)部構(gòu)件、管道隔間的水淹、輻射情況及ECCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，仍延續(xù)傳統(tǒng)壓水堆中的管道雙端斷裂作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，這是一種基于核安全角度的保守考慮[1,3,6]；3) 在主設(shè)備的支撐設(shè)計(jì)上，BP需假定管道雙端斷裂，并在管道軸向產(chǎn)生一個(gè)2pA的靜載荷[1,6]，這其實(shí)屬于BP縱深防御體系中第4級(jí)別的要求，而LBB對(duì)此則無相關(guān)要求。

3 結(jié)論

1) LBB和BP屬于兩種含義不同的理論，BP對(duì)縱深防御安全理念的貫徹更為全面和深刻。LBB的主體內(nèi)容基本被包含在BP縱深防御第2級(jí)別和第3級(jí)別的要求中，BP的總體要求包絡(luò)LBB。

2) BP管道對(duì)材料和制造質(zhì)量的要求、在役監(jiān)測(cè)的要求、裂紋擴(kuò)展分析的要求及泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求方面更嚴(yán)格，總體來說，相對(duì)于LBB，BP對(duì)管道設(shè)計(jì)的要求更為復(fù)雜。

3) 采用LBB和BP后主冷卻劑管道的局部效應(yīng)和全局效應(yīng)大體相同，僅有細(xì)微差別：在BP中主設(shè)備支撐需考慮管道雙端斷裂產(chǎn)生的2pA靜載荷。

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