AP1000安全殼整體泄漏率試驗探討

于涇緯　左濤

摘要：核電機組在投入運行前，需模擬設(shè)計基準(zhǔn)事故狀態(tài)來測量和計算安全殼的整體泄漏率，以確保安全殼的密封性符合法規(guī)要求。文章在介紹了試驗準(zhǔn)備、試驗方法的基礎(chǔ)上，分析了國內(nèi)首次鋼制安全殼整體泄漏率試驗的特點，探討了試驗的難點和風(fēng)險，以期為國內(nèi)首次試驗執(zhí)行提供參考與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：AP1000鋼制安全殼；整體泄漏率；泄漏率試驗；核電機組；密封性 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TL364 文章編號：1009-2374（2015）16-0038-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.16.018

1 概述

安全殼作為核電站的第三道安全屏障，在正常運行時及失水事故（LOCA）造成的溫度和壓力下，均應(yīng)保證具有規(guī)定的密封性。在機組投入運行前，安全殼要承受一次被稱為預(yù)運行的整體泄漏率試驗（Integrated Leakage Rate Test，ILRT，又稱為A類試驗），主要目的是模擬設(shè)計基準(zhǔn)事故下測量和計算安全殼的泄漏率，以確保安全殼的密封性符合法規(guī)要求。目前國內(nèi)運營核電廠安全殼均為預(yù)應(yīng)力混凝土式結(jié)構(gòu)，鋼制安全殼也是首次運用，對該項試驗的研究尚屬起步階段。本文在初步介紹了試驗要求、試驗方法的基礎(chǔ)上，分析了國內(nèi)首次鋼制安全殼整體泄漏率試驗的特點，探討了試驗的難點和風(fēng)險，以期為國內(nèi)首次試驗執(zhí)行提供參考與指導(dǎo)。

2 AP1000整體泄漏率試驗要求

AP1000安全殼為鋼制結(jié)構(gòu)，除了在事故工況限制裂變產(chǎn)物的釋放外，還與非能動安全殼冷卻系統(tǒng)一起將殼內(nèi)的熱量傳遞給殼外最終熱阱——大氣。

AP1000安全殼參數(shù)如表1所示：

2.1 試驗準(zhǔn)備

ILRT試驗時要向安全殼內(nèi)充壓到設(shè)計壓力0.407MPa（表壓，稱為Pd），安全殼內(nèi)許多儀器設(shè)備無法承受這個壓力，需要進行技術(shù)處理，系統(tǒng)或設(shè)備需要隔離等，因此，執(zhí)行該試驗前需做大量的準(zhǔn)備工作。以下列出了一些重要準(zhǔn)備工作：（1）設(shè)計基準(zhǔn)事故后需暴露在大氣環(huán)境下的工藝系統(tǒng)已按照要求排空并打開對空；（2）一回路主冷卻劑系統(tǒng)液位應(yīng)降到熱段半管液位或更低；（3）安全殼內(nèi)不能承受設(shè)計基準(zhǔn)事故壓力的物項已被移除或者隔離，如儀表盤等；（4）安全殼內(nèi)已清除易燃易爆的物品，對已承壓容器進行降壓或者對空；（5）試驗用儀器儀表已按照要求安裝好；（6）所有安全殼隔離閥已處于關(guān)閉狀態(tài)；（7）安全殼壓力高觸發(fā)的儀控邏輯控制已被閉鎖；（8）已完成試驗前的安全殼檢查，對于發(fā)現(xiàn)的任何影響到安全殼結(jié)構(gòu)完整性或者泄漏密封性的結(jié)構(gòu)退化需在試驗前進行修復(fù)和再確認(rèn)。

2.2 試驗設(shè)備

安全殼臨時空氣供給設(shè)備包：（1）至少包括3臺空氣壓縮機，能提供0.689MPa（表壓）的無油空氣，流量10194m3/hr；（2）一組空氣干燥器，總?cè)萘磕芴幚砩鲜隽髁康目諝饬?；?）空氣過濾機組，總能力能處理上述流量的空氣流。臨時安全殼監(jiān)測儀表數(shù)量和參數(shù)要求如表2所示：

2.3 其他試驗要求

（1）安全殼結(jié)構(gòu)完整性試驗（Structure Integrality Test，SIT）與整體泄漏率試驗一并進行，先執(zhí)行SIT后執(zhí)行ILRT；（2）安全殼貫穿件泄漏率試驗（B類試驗）和安全殼隔離閥泄漏率試驗（C類試驗）已成功完成；（3）試驗用的數(shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)分析軟件滿足美國10CFR50法規(guī)要求，臨時安全殼監(jiān)測儀表需在ILRT試驗執(zhí)行前最近半年內(nèi)標(biāo)定過；（4）試驗整個過程中，升壓速率不超過2.5psig/h（0.017MPa·g/h），降壓速率不超過10psig/h（0.069MPa·g）。

3 試驗方法和原理

3.1 試驗執(zhí)行

ILRT試驗執(zhí)行階段可分為7個階段：（1）升壓階段。將安全殼內(nèi)空氣加壓到0.455MPa·g（1.1倍Pd）之上，執(zhí)行SIT試驗；（2）檢查階段。將安全殼壓力降至設(shè)計壓力0.407MPa·g，進行SIT試驗的整個安全殼外壁檢查；（3）降壓階段。成功完成SIT試驗后，將安全殼內(nèi)空氣降壓到0.346MPa·g（85%Pa）；（4）穩(wěn)定階段。至少穩(wěn)定24小時，為ILRT試驗執(zhí)行建立好初始狀態(tài)；（5）升壓階段。重新將安全殼內(nèi)空氣加壓到設(shè)計壓力0.407MPa·g（Pd）并維持至少24小時，以相同時間間隔收集至少30組ILRT試驗數(shù)據(jù)；（6）驗證性試驗。A類試驗結(jié)果需進行驗證性試驗來確認(rèn)，驗證性試驗采用ANSI/ANS-56.8中的疊加泄漏法。試驗至少持續(xù)4小時，以相同時間間隔收集至少15組數(shù)據(jù)；（7）降壓階段。降壓安全殼內(nèi)空氣壓力并恢復(fù)到大氣壓力狀態(tài)。

3.2 試驗原理

上述算式表明，每個測量值對泄漏率的計算都有直接影響。因此，繪制每個試驗階段的、、和隨時間變化圖以利于泄漏率的分析和預(yù)測。

這種方法在于測量包容在安全殼內(nèi)空氣的壓力變化和平均溫度的變化，干空氣的壓力等于安全殼內(nèi)總的絕對壓力P減去水蒸汽的分壓力Pv，通過測定局部濕度經(jīng)加權(quán)計算獲得水蒸汽分壓力。安全殼內(nèi)水蒸汽平均分壓計算：Pv=；平均溫度可通過對部分容積測定足夠數(shù)量的局部溫度經(jīng)加權(quán)計算得到：。

下標(biāo)i表示測量期間的第i個采樣周期。

3.3 驗收準(zhǔn)則

4 AP1000鋼制安全殼整體泄漏率試驗的特點

第一，AP1000 ILRT試驗采用美國ANSI/ANS-56.8 1994標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)安全殼泄漏率試驗基本采用法國RCCM標(biāo)準(zhǔn)。試驗采用不同標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致了測量泄漏率的壓力平臺不同。ANSI僅要求在設(shè)計壓力平臺下收集泄漏率數(shù)據(jù)，而法國標(biāo)準(zhǔn)則除了在升壓和降壓的設(shè)計壓力平臺收集數(shù)據(jù)外，還需在低壓力平臺測量參考泄漏率。

第二，AP1000 ILRT在試驗數(shù)據(jù)收集處理后，還需要進行一次驗證試驗以驗證得出的泄漏率是有效并準(zhǔn)確的，驗證試驗是通過疊加已知流量的泄露，在對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不進行任何調(diào)整的前提下，再次進行測量和計算，驗收準(zhǔn)則參考3.3。目前國內(nèi)核電廠的泄漏率驗證，均是采用比對SIT試驗前后的兩次泄漏率測量數(shù)據(jù)，人為的認(rèn)定是否準(zhǔn)確，還缺乏系統(tǒng)的驗證。

第三，目前國內(nèi)核電在ILRT期間使用的空壓機一般為租賃3臺，AP1000 ILRT由于充壓速率快，目前要求使用6臺（5用1備）空壓器，租賃費用較高，占用場地較大，目前設(shè)計擺放在YARD區(qū)域。

第四，AP1000 ILRT試驗過程中不要求人員帶壓進入安全殼內(nèi)進行目視和聽音檢查。如果實在有必要，可以在低于0.0545MPa下派遣有資質(zhì)人員進入。不帶壓進入安全殼降低了人員安全的風(fēng)險，也減少了由此帶來的體檢、救護等方面的支出。

第五，升壓和降壓速率遠大于預(yù)應(yīng)力混凝土式安全殼的泄漏率試驗。預(yù)應(yīng)力混凝土式安全殼為保護鋼襯里不與筒身混凝土剝離，加壓速率和降壓速率一般不得超過12kPa/hr，而鋼制安全殼為單層結(jié)構(gòu)，無此擔(dān)憂，故升壓速率可達到34kPa/hr，目前由于為了與SIT試驗升壓速率匹配，降低了升壓速率，要求不超過17kPa/hr；試驗后降壓速率可達到69kPa/hr，極大地縮短了試驗

時間。

第六，安全殼外觀檢查的壓力平臺與國內(nèi)核電廠安全殼外觀檢查的壓力平臺稍微不同。AP1000需進行3次安全殼外觀檢查，分別在SIT試驗中，SIT試驗結(jié)束后且ILRT試驗前，以及ILRT試驗后。而國內(nèi)的外觀檢查也有3次，但分別在試驗前、試驗峰值和試驗后，亦即國內(nèi)帶壓下外觀檢查僅一次。

5 試驗難點和風(fēng)險分析

第一，試驗準(zhǔn)備周期長，一般在試驗前幾個月就開始統(tǒng)計安全殼內(nèi)非耐壓設(shè)備清單，試驗前1個月開始安裝臨時試驗設(shè)備，對非耐壓設(shè)備進行隔離或拆除以及對殼內(nèi)的設(shè)備在線等工作。試驗后安全殼內(nèi)設(shè)備恢復(fù)也需要半周時間。

第二，試驗執(zhí)行直接占據(jù)電廠調(diào)試的關(guān)鍵路徑。ILRT試驗期間，安全殼內(nèi)無法進行其他工作，直接占用試驗人力和花費昂貴，為避免影響調(diào)試主路徑以及節(jié)約成本考慮，要求試驗一次成功且盡可能的縮短試驗

工期。

第三，試驗中安全殼的外觀目視檢查存在一定困難。機組運行后的定期試驗時，安全殼地面10m之上的外觀檢查通過屏蔽廠房地面42m平臺的人員吊籃進行，調(diào)試期間首次試驗也需要借助大量腳手架。由于AP1000中屏蔽廠房與安全殼之間的上部環(huán)形空間設(shè)計狹小，間距僅為1.2m，人員檢查存在困難，也會延長關(guān)鍵路徑上的工作。另外，空間處的正常照明還不足夠，需臨時搭設(shè)大功率照明燈以及使用輔助手電筒方便檢查人員進行外觀檢查。

第四，上部環(huán)形空間處空氣導(dǎo)流板的拆除和安裝工期較長，對調(diào)試進度影響較大。為方便安全殼外觀檢查，需拆除空氣導(dǎo)流板，檢查完后還需恢復(fù)導(dǎo)流板，或試驗前不安裝導(dǎo)流板。由于環(huán)形空間狹小，西屋公司初步分析僅導(dǎo)流板恢復(fù)工期就需2個月。如何在狹小環(huán)形空間方便導(dǎo)流板拆除和恢復(fù)安裝，縮短對調(diào)試工期的影響，需要現(xiàn)場設(shè)計人員就地考慮臨時腳手架的搭設(shè)等

問題。

第五，鋼制安全殼的變形量較大。根據(jù)目前加壓要求使用ANSYS軟件進行有限元分析后，AP1000鋼制安全殼在加壓到設(shè)計壓力時會存在大變形（徑向約50mm，軸向約70mm），如此較大變形帶來的問題，如安全殼附屬結(jié)構(gòu)的保護問題是在準(zhǔn)備期間就需解決的問題。

6 結(jié)語

ILRT試驗為一項涉及到大量臨時試驗設(shè)備以及電廠工藝系統(tǒng)的綜合性試驗，加上試驗人力和花費昂貴，若想試驗一次成功必須做好充分的準(zhǔn)備和高度的計劃性。本文僅初步探討了試驗的流程和試驗難點，以期拋磚引玉為同行研究該項試驗提供參考。

參考文獻

[1] ANSI ANS-56.8-1994，Containment System Leakage Testing Requirements.

[2] 10 CFR Appendix J to Part 50——Primary Reactor Containment Leakage Testing for Water-Cooled Power Reactors.

[3] AP1000 Document APP-CNS-T1-501，Rev.2，Containment System Preoperational Test Specification.

作者簡介：于涇緯（1987-），男，遼寧朝陽人，三門核電有限公司調(diào)試處助理工程師，研究方向：AP1000安全系統(tǒng)調(diào)試。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）