鄭紅亮, 李 聰, 顧國(guó)興, 黃偉清
(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院,上海200233;2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海200240)
為滿足我國(guó)能源持續(xù)增長(zhǎng)的需求,實(shí)現(xiàn)核電的自主化發(fā)展,國(guó)家于2008年批準(zhǔn)《大型先進(jìn)壓水堆核電站重大專項(xiàng)總體實(shí)施方案》,在充分消化吸收AP1000三代非能動(dòng)核電技術(shù)的基礎(chǔ)上,開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型示范核電站[1].由于堆芯功率的增大,設(shè)置了核島關(guān)鍵系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備性能等一系列試驗(yàn),以支持該項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證與安全評(píng)審.這些試驗(yàn)包括非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)性能驗(yàn)證、非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)性能驗(yàn)證、反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)水力模擬試驗(yàn)、堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)試驗(yàn)和蒸汽發(fā)生器及重要部件的性能試驗(yàn)等.
在系統(tǒng)地運(yùn)用AP1000研究中獲得的核心技術(shù)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,通過試驗(yàn)將已證明的理論和結(jié)果拓展到該大型項(xiàng)目的工程和設(shè)備設(shè)計(jì)中.由于試驗(yàn)預(yù)期與實(shí)際結(jié)果可能存在偏差,因此采取哪些措施和手段確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整、有效和準(zhǔn)確是試驗(yàn)承擔(dān)單位和試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用單位始終關(guān)注的問題.
對(duì)于某一特定的大型試驗(yàn)項(xiàng)目,在確定試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、成功準(zhǔn)則和實(shí)施方案等階段,并沒有現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)和 質(zhì) 量 保 證 規(guī) 定 可 供 借 鑒[2].在IAEA-50C-SGCD[3]和ASME NQA 規(guī)范[4]中,要求對(duì)核電工程相關(guān)研發(fā)試驗(yàn)項(xiàng)目按試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的重要性和過程/活動(dòng)的重要程度通過質(zhì)保分級(jí)進(jìn)行控制.同時(shí),ASME NQA 規(guī)定試驗(yàn)設(shè)施的設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試和試驗(yàn)運(yùn)行過程要完全遵守NQA-1適用條款的要求.
試驗(yàn)結(jié)果具有不可事先預(yù)計(jì)的不確定性規(guī)律,不能以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)其過程/活動(dòng)的符合性.筆者在研究國(guó)際上研發(fā)試驗(yàn)相關(guān)的質(zhì)量保證規(guī)范的同時(shí),研究了美國(guó)西屋公司在AP1000技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料中有關(guān)研發(fā)試驗(yàn)過程的控制邏輯、原則和方法,并總結(jié)了20世紀(jì)90年代上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院與日本三菱重工近9年的試驗(yàn)合作經(jīng)驗(yàn),成功完成開發(fā)下一代核電站中非能動(dòng)安注箱和非能動(dòng)硼注箱的2個(gè)試驗(yàn),尤其在對(duì)試驗(yàn)過程控制的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上[5],結(jié)合4年來對(duì)國(guó)家大型壓水堆核電站重大專項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)管理的實(shí)踐與體會(huì),探討核電工程試驗(yàn)的過程控制要素和成功準(zhǔn)則,并通過有效的驗(yàn)證活動(dòng),建立對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)足夠的置信度.
通過研究美國(guó)西屋公司AP600 與AP1000 一系列研發(fā)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和報(bào)告,并結(jié)合筆者與日本三菱重工合作試驗(yàn)研究的經(jīng)歷,認(rèn)為每個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)都滲透了嚴(yán)密的質(zhì)量保證控制要求.概括地說,試驗(yàn)獲得成功最重要的要素是:在有效的管理模式下,嚴(yán)格保證試驗(yàn)?zāi)P偷恼_、參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確和試驗(yàn)工況保障條件的穩(wěn)定可控,如圖1所示.
圖1 試驗(yàn)成功的關(guān)鍵要素Fig.1 Key factors of test success
(1)模型正確.對(duì)于全尺寸的原型試驗(yàn)(如關(guān)鍵部件和設(shè)備的合格鑒定試驗(yàn)),以實(shí)機(jī)作為研究對(duì)象,不存在模型失真問題.但多數(shù)工程研發(fā)試驗(yàn)是縮小尺寸系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn),試驗(yàn)?zāi)P褪前幢壤s小的系統(tǒng)和設(shè)備,以重現(xiàn)原型主要物理現(xiàn)象和變化過程.根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定試驗(yàn)規(guī)模后,按照相似理論進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)分析,對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別、對(duì)重要程度進(jìn)行排序并完成現(xiàn)象識(shí)別分級(jí)表(PIRT),以重現(xiàn)預(yù)期的重要物理現(xiàn)象為原則,確保正確的比例分析中表征主要現(xiàn)象的失真度合理.所謂模型正確是指模型關(guān)鍵物理現(xiàn)象的無量綱組合π值與原型關(guān)鍵物理現(xiàn)象的無量綱組合π值之比接近1.0.圖2為某型號(hào)核電站非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架的系統(tǒng)和設(shè)備模型,是幾何尺寸按原型1/3縮小的系統(tǒng)模型.
圖2 某大型核電站非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)Fig.2 Passive core cooling system of a large nuclear power plant
(2)測(cè)量準(zhǔn)確.數(shù)據(jù)是試驗(yàn)的產(chǎn)品,依賴于測(cè)量的準(zhǔn)確性,主要和關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)完整、有效和準(zhǔn)確.首先測(cè)量應(yīng)足以揭示重要現(xiàn)象的發(fā)生與演變的全部且真實(shí)的信息,同時(shí)應(yīng)識(shí)別與評(píng)價(jià)所有的誤差來源,組合精度滿足試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的要求才可用來驗(yàn)證或修正計(jì)算機(jī)模型.
(3)工況穩(wěn)定可控.整個(gè)試驗(yàn)裝置應(yīng)確保試驗(yàn)?zāi)P头€(wěn)定地重現(xiàn)預(yù)期物理現(xiàn)象所需的工況條件和動(dòng)作,主要包括試驗(yàn)工況參數(shù)可控且穩(wěn)定地全覆蓋預(yù)期范圍,可重復(fù)并正確執(zhí)行設(shè)定的邏輯動(dòng)作.
試驗(yàn)成功的三要素貫穿于試驗(yàn)的方案確立、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、臺(tái)架建造、調(diào)試與試驗(yàn)實(shí)施的全過程,每個(gè)過程應(yīng)緊扣核心目標(biāo),專注試驗(yàn)成功的關(guān)鍵數(shù)據(jù),主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面滿足預(yù)期要求.
(1)模型特征量正確.根據(jù)正確的相似準(zhǔn)則確定試驗(yàn)?zāi)P椭邢到y(tǒng)或部件的設(shè)計(jì)參數(shù),可從制造和安裝的竣工檢驗(yàn)記錄或檢驗(yàn)與測(cè)定中獲得,與之相關(guān)聯(lián)的模型失真度應(yīng)滿足預(yù)期要求.如在上述非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目中,選用原型電站幾何尺寸1/3線性縮小的比例.試驗(yàn)?zāi)P偷呐_(tái)架本體系統(tǒng)包括反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)(RCS)和非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)的全部設(shè)備,這些系統(tǒng)和設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)須經(jīng)過嚴(yán)格的比例分析得到.只有在設(shè)計(jì)和竣工狀態(tài)下保證了關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)值,系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的事故模擬試驗(yàn)功能,輸入計(jì)算機(jī)程序中的模型特征量參數(shù)才能正確無誤.如PXS 和自動(dòng)卸壓系統(tǒng)(ADS)中的流動(dòng)阻力就是其中的關(guān)鍵模型特征量,流動(dòng)阻力與其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)壓頭構(gòu)成一對(duì)決定非能動(dòng)系統(tǒng)流動(dòng)性能的關(guān)鍵參數(shù)群.
(2)工況保障條件穩(wěn)定.保證模型出現(xiàn)預(yù)期現(xiàn)象的工況參數(shù)(如流量、溫度、壓力和加熱功率等)穩(wěn)定可靠,并正確執(zhí)行設(shè)定的動(dòng)作邏輯,可通過如同常規(guī)工程的調(diào)試與驗(yàn)收,但須特別關(guān)注調(diào)試順序與穩(wěn)定狀態(tài)的可重復(fù)性以及在低參數(shù)工況下的可控與穩(wěn)定性.如上述非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)中,要確保初始條件(如溫度波動(dòng)在±2K 以內(nèi))和試驗(yàn)過程中PXS與ADS模擬事故系列的動(dòng)作準(zhǔn)確無誤.
(3)關(guān)鍵測(cè)量通道的精度合適.在正確模型和穩(wěn)定的工況保障條件或相似環(huán)境下,應(yīng)保證策劃和設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置合理、測(cè)量方法與儀表選型合理,應(yīng)驗(yàn)證并確認(rèn)竣工狀態(tài)關(guān)鍵測(cè)量通道具有滿足試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的精度.上述非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)的臺(tái)架測(cè)量參數(shù)近2 000個(gè),其中90多個(gè)為關(guān)鍵測(cè)量參數(shù),必須確保這些測(cè)量參數(shù)的精度滿足預(yù)期要求,特別要關(guān)注試驗(yàn)核心目標(biāo)即AP 型的非能動(dòng)系統(tǒng)在堆芯長(zhǎng)期冷卻階段的冷卻能力,確保被測(cè)量參數(shù)在低量值條件下的測(cè)量精度.
(4)質(zhì)/能平衡測(cè)定合格.在穩(wěn)態(tài)條件下圍繞試驗(yàn)?zāi)P偷闹飨到y(tǒng)進(jìn)行綜合性測(cè)試,驗(yàn)證試驗(yàn)主工藝系統(tǒng)和整體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的可用性和準(zhǔn)確性.驗(yàn)證PCS性能的綜合試驗(yàn)臺(tái)架由試驗(yàn)本體和回路系統(tǒng)組成,試驗(yàn)大綱規(guī)定系統(tǒng)的質(zhì)量平衡和能量平衡測(cè)試偏差應(yīng)分別小于8%和10%.這本是流動(dòng)和傳熱試驗(yàn)的常規(guī),在核電工程試驗(yàn)中利用質(zhì)能平衡測(cè)試來尋找與分析誤差源,驗(yàn)證系統(tǒng)關(guān)鍵測(cè)量方法及儀表的可用性,識(shí)別并獲得修正關(guān)系以減小系統(tǒng)的誤差.質(zhì)能平衡測(cè)試也是保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性最有力的手段.
(5)典型工況試驗(yàn)成功.當(dāng)上述各項(xiàng)均達(dá)到預(yù)期要求后,還需要通過一個(gè)(或幾個(gè))典型工況的(瞬態(tài))試驗(yàn),對(duì)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過有效性準(zhǔn)則判定與分析,使試驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象得到合理解釋,典型工況試驗(yàn)才獲得成功.典型工況的選取原則上應(yīng)使代表試驗(yàn)臺(tái)架能力的參數(shù)(如壓力、溫度和流量等)所能達(dá)到的量值得到考驗(yàn),或選取本研究項(xiàng)目最為重要的工況試驗(yàn).在非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)中,以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故試驗(yàn)作為典型試驗(yàn)工況,它覆蓋了反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)預(yù)期的各種小破口事故系列.
通過上述這5個(gè)緊密相連、不可跨越的過程設(shè)計(jì),驗(yàn)證了作為試驗(yàn)成功的基石——試驗(yàn)設(shè)施(包括測(cè)量)及其運(yùn)行操作滿足試驗(yàn)既定目標(biāo).
根據(jù)IAEA-50C-SG-CD 研發(fā)中的質(zhì)量保證導(dǎo)則Q8,典型試驗(yàn)性研發(fā)項(xiàng)目的基本流程見圖3.
圖3 試驗(yàn)性研發(fā)項(xiàng)目的基本流程Fig.3 Basic procedures for research and development of experimental projects
為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)完整、有效和準(zhǔn)確,對(duì)這些主要過程采用各種有效的質(zhì)量保證活動(dòng),按照試驗(yàn)成功的準(zhǔn)則,對(duì)3大要素——模型正確、測(cè)量準(zhǔn)確、工況保障條件穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行針對(duì)性的控制(見表1).
表1 試驗(yàn)過程三要素的控制Tab.1 Control of the three elements in test process
試驗(yàn)任務(wù)書是以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)總目標(biāo)為原則,將試驗(yàn)分解為各個(gè)組成部分,具有明確的目標(biāo)和試驗(yàn)成功的準(zhǔn)則.任務(wù)書不宜排斥同樣能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的其他技術(shù)方案.
試驗(yàn)方案必須完整地響應(yīng)和滿足試驗(yàn)任務(wù)書的各項(xiàng)要求,細(xì)化任務(wù)書中的建議.確保模型失真度最小、關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量正確是試驗(yàn)方案的核心內(nèi)容.模型建立方面應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注PIRT 表以及試驗(yàn)臺(tái)架比例分析的準(zhǔn)確性和失真度合適;測(cè)試方面重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量不確定度的可行性分析,獲得測(cè)試技術(shù)路線的正確性和對(duì)“第一次運(yùn)用的技術(shù)”專題研究的結(jié)果.這兩方面的深度應(yīng)達(dá)到使試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)人員能夠透徹理解試驗(yàn)的目標(biāo)、要求和特點(diǎn),特別是對(duì)于高瞬態(tài)試驗(yàn)設(shè)施的特殊性.任務(wù)書與試驗(yàn)方案應(yīng)通過行之有效的同行專家的獨(dú)立審議.
根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目的重要性、復(fù)雜性和影響試驗(yàn)成功的關(guān)鍵程度來決定試驗(yàn)設(shè)施設(shè)計(jì)的審查深度.
(1)審查設(shè)計(jì)文件與圖紙的完整性、符合性和編制深度.重點(diǎn)審查設(shè)計(jì)范圍和深度滿足試驗(yàn)方案的技術(shù)要求,并與試驗(yàn)任務(wù)關(guān)聯(lián)的過程和活動(dòng)的重要性、復(fù)雜性和成熟程度相匹配,足以支撐下游的工作,特別是解決試驗(yàn)設(shè)施的參數(shù)覆蓋能力和“第一次運(yùn)用技術(shù)”的難題.
(2)試驗(yàn)設(shè)施的施工設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮試驗(yàn)工況條件(如流量、溫度和壓力等)具有足夠的調(diào)節(jié)裕量,回路/模型制造、安裝的特殊要求及難點(diǎn)的對(duì)策,對(duì)關(guān)鍵測(cè)量技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,并考慮全通道標(biāo)定/校正、可用性檢驗(yàn)、冷熱預(yù)試驗(yàn)等的要求和實(shí)施的可行性,以及系統(tǒng)和設(shè)備的檢查、維修和更換的可達(dá)性.
試驗(yàn)設(shè)施的制造和安裝一般均由具備專業(yè)技能的單位完成.該階段的質(zhì)量控制宜通過制訂質(zhì)量計(jì)劃實(shí)施,對(duì)材料采購、加工、運(yùn)輸和安裝等環(huán)節(jié)進(jìn)行如同常規(guī)產(chǎn)品的質(zhì)量控制.除了關(guān)注試驗(yàn)回路和重要焊縫的無損探傷(NDT)、壓力容器與回路的密封性試驗(yàn)外,對(duì)于一些具有“隱蔽”性的模型特征量和關(guān)鍵測(cè)量傳感器的安裝位置等應(yīng)進(jìn)行測(cè)定復(fù)核,另外也要注意試驗(yàn)設(shè)施高瞬態(tài)運(yùn)行下的安全技術(shù)措施.
試驗(yàn)設(shè)施調(diào)試是指在常規(guī)工藝過程的調(diào)試基礎(chǔ)上,針對(duì)試驗(yàn)設(shè)施所進(jìn)行的一系列檢查、調(diào)整或修理、更換和完善,以表明試驗(yàn)?zāi)P途哂蓄A(yù)期的特性,并且試驗(yàn)工況保障系統(tǒng)能安全、穩(wěn)定、可重復(fù)地提供設(shè)定的試驗(yàn)工況條件,測(cè)量系統(tǒng)能獲得真實(shí)和有效的數(shù)據(jù).通過單機(jī)調(diào)試、系統(tǒng)冷熱聯(lián)調(diào)證明試驗(yàn)設(shè)施功能達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定后,進(jìn)行臺(tái)架設(shè)施驗(yàn)收與可用性鑒定.如非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架調(diào)試工作分為冷態(tài)調(diào)試和系統(tǒng)熱態(tài)調(diào)試2個(gè)階段.系統(tǒng)冷態(tài)調(diào)試階段又分為單體調(diào)試階段、分系統(tǒng)冷態(tài)調(diào)試階段和系統(tǒng)冷態(tài)測(cè)試階段.系統(tǒng)熱態(tài)調(diào)試包括啟動(dòng)階段以及模擬典型事故序列預(yù)試驗(yàn)2個(gè)階段.
試驗(yàn)設(shè)施在竣工條件下以一系列審查、檢查、校核和冷熱預(yù)試驗(yàn)及所形成的相關(guān)文件和數(shù)據(jù)記錄等證實(shí)試驗(yàn)設(shè)施可用性的活動(dòng),來證明試驗(yàn)設(shè)施充分滿足任務(wù)書和試驗(yàn)方案的所有試驗(yàn)條件,可用于正式試驗(yàn).同時(shí),由委托單位參與可用性驗(yàn)證過程,以確認(rèn)過程的有效性.
(1)竣工狀態(tài)的試驗(yàn)?zāi)P湍苤噩F(xiàn)原型相同或相似現(xiàn)象并達(dá)到最小失真度的關(guān)鍵是確保比例模型分析正確,并在竣工狀態(tài)下進(jìn)行尺寸的測(cè)量與核對(duì),矯正設(shè)計(jì)/制造模型的特征量.
(2)重要現(xiàn)象的關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)傳遞并落實(shí)到每個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)中,通過計(jì)量部門的標(biāo)定證明每個(gè)儀表有合適的精度和量程,通過關(guān)鍵測(cè)量通道在竣工條件下的驗(yàn)證和校正以獲得目標(biāo)精度,質(zhì)/能平衡試驗(yàn)與核算證實(shí)試驗(yàn)設(shè)施整體特性和關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量精度.
(3)保障系統(tǒng)提供模型出現(xiàn)預(yù)期現(xiàn)象的工況條件,可重復(fù)建立并維持所需工況,可重復(fù)執(zhí)行設(shè)定的動(dòng)作邏輯.
試驗(yàn)運(yùn)行前表征工況穩(wěn)定和測(cè)量通道狀態(tài)正常的參數(shù)核對(duì).以此確保關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)和工況表征參數(shù)顯示正常并達(dá)到其限值.
試驗(yàn)運(yùn)行中表征工況穩(wěn)定和測(cè)量通道狀態(tài)正常的參數(shù)核對(duì).通過對(duì)試驗(yàn)的起始、中間和結(jié)束3個(gè)階段表征運(yùn)行狀態(tài)正常的參數(shù)(如壓力、溫度、流量和水位等)進(jìn)行核對(duì),確保全部關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)可用.
試驗(yàn)后表征試驗(yàn)工況正常的參數(shù)核對(duì).通過零流量狀態(tài)下的流量、液位和壓差等參數(shù)的測(cè)量值在預(yù)定范圍(表征試驗(yàn)順利運(yùn)行的參數(shù)限值與允差)內(nèi),確保關(guān)鍵測(cè)量通道的輸出正常.
(1)在核電工程試驗(yàn)中,必須對(duì)影響試驗(yàn)成功的重要因素進(jìn)行嚴(yán)格的過程審查、控制和驗(yàn)證.試驗(yàn)設(shè)施設(shè)計(jì)、建造與接受過程的審查、控制和驗(yàn)證必須圍繞確保模型與原型相似,測(cè)量系統(tǒng)完整且準(zhǔn)確,試驗(yàn)的工況保障條件穩(wěn)定可控等三要素.
(2)試驗(yàn)設(shè)施的建造過程具有質(zhì)量保證中“特殊過程”的基本特征,必須運(yùn)用特殊過程控制的方式與方法,即嚴(yán)格實(shí)施試驗(yàn)設(shè)施可用性驗(yàn)證和確認(rèn).
(3)試驗(yàn)成功的判據(jù):試驗(yàn)設(shè)施的設(shè)計(jì)、建造(或改造)滿足試驗(yàn)方案的要求;試驗(yàn)設(shè)施通過可用性驗(yàn)證與確認(rèn);試驗(yàn)的先決條件通過驗(yàn)證;試驗(yàn)中設(shè)置的參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果均滿足可接受準(zhǔn)則值.
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