一回路冷態(tài)水壓試驗(yàn)探討

劉正春

【摘 要】壓水堆核電廠正常運(yùn)行時一回路壓力為15.4MPa，組成一回路壓力邊界的主要設(shè)備為壓水反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑泵、穩(wěn)壓器等部件組成，通過一回路壓力邊界內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行將反應(yīng)堆堆芯中核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳送到蒸汽發(fā)生器，從而冷卻堆芯，防止燃料元件燒毀，而蒸汽發(fā)生器供給汽輪發(fā)電機(jī)組（二回路）所必需的蒸汽。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)組成的一回路壓力邊界內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行對于保證反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。正常運(yùn)行時，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)維持168噸溫度為310℃、壓力為15.4MPa的欠飽和水，這些冷卻劑在主冷卻劑泵的驅(qū)動下，循環(huán)流動，流經(jīng)反應(yīng)堆堆芯，帶出裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，在蒸汽發(fā)生器中，將這些熱量傳遞到二回路給水，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。當(dāng)一回路壓力邊界失效，將無法維持穩(wěn)定的一回路壓力，一回路壓力下降，將使得溫度為310℃的過冷水變?yōu)轱柡退?，從而產(chǎn)生大量的蒸汽，進(jìn)入堆芯的冷卻劑將變?yōu)槠簝上嗔骰蜻^熱蒸汽，傳熱效果大大下降，同時產(chǎn)生大量的蒸汽，流經(jīng)主冷卻劑泵，將導(dǎo)致主冷卻劑泵葉輪發(fā)生汽蝕，流量下降，進(jìn)一步惡化的反應(yīng)堆堆芯的冷卻。堆芯核裂變或核燃料衰變產(chǎn)生的大量熱量如果不能及時導(dǎo)出，將可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果甚至堆芯融化，從而造成重大的核安全事故。

【關(guān)鍵詞】一回路壓力邊界；冷卻劑；主冷卻劑泵

一回路水壓試驗(yàn)的目的是使反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)經(jīng)過承受高于正常運(yùn)行壓力的一個合適的水壓試驗(yàn)壓力，來證明在本次試驗(yàn)結(jié)束到下次試驗(yàn)實(shí)施之前的這段時間里反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)在正常運(yùn)行和設(shè)計的事故工況下是安全的，是滿足核安全法規(guī)的。壓水堆核電廠水壓試驗(yàn)遵照RSEM（1997年版）規(guī)范執(zhí)行。按照規(guī)范，第一次重復(fù)水壓試驗(yàn)應(yīng)在初次水壓試驗(yàn)之后的30個月以內(nèi)進(jìn)行。通常核電廠的首次在役水壓試驗(yàn)安排在機(jī)組首次大修期間執(zhí)行。核反應(yīng)堆的一回路水壓試驗(yàn)是核電廠在調(diào)試及運(yùn)行期間一項(xiàng)非常重要的高風(fēng)險試驗(yàn)。

由于水壓試驗(yàn)承受高于一回路設(shè)備的正常承壓范圍。試驗(yàn)過程中突然失壓將導(dǎo)致較為嚴(yán)重的后果。在水壓試驗(yàn)泵投運(yùn)期間，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的上充泵保持小流量運(yùn)行，以便在一回路水壓試驗(yàn)泵意外解列和故障時能穩(wěn)定一回路冷卻的試驗(yàn)壓力。當(dāng)在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在一回路法蘭組裝件、接頭之上的泄漏流量大于試驗(yàn)泵的流量時，一回路必須要卸壓至3.0MPa進(jìn)行重新緊固。注意此時余熱排出系統(tǒng)不能和一回路相連接，原因是余熱排出系統(tǒng)連接后再隔離將作為水壓試驗(yàn)一次結(jié)果判定的記數(shù)。在一回路壓力在17.2MPa再往上升壓之前試驗(yàn)邊界上的閥門已經(jīng)關(guān)閉，并經(jīng)過聯(lián)合檢查加以確認(rèn)。閥門在線不到位，或者壓力邊界的閥門、盲板、人孔門墊片等不在承壓范圍或設(shè)備安裝力矩不在要求范圍，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的一回路失壓或跑水后果。當(dāng)失去壓力指示或通訊聯(lián)系中斷時，停止一回路升壓。

1 試驗(yàn)壓力

RSEM規(guī)范規(guī)定，試驗(yàn)壓力應(yīng)至少等于壓力容器設(shè)計壓力的1.2倍，并應(yīng)等于構(gòu)成主回路系統(tǒng)的承壓部件的最大設(shè)計壓力。反應(yīng)堆壓力容器的設(shè)計壓力為17.23MPa.a，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)水壓試驗(yàn)的壓力為設(shè)計壓力的1.2倍，即20.676MPa.a近似為20.7MPa.a，用相對壓力表示即為20.6MPa.g。

2 試驗(yàn)溫度

RSEM規(guī)范規(guī)定試驗(yàn)溫度應(yīng)取下列值中的最大值：第一次試驗(yàn)的規(guī)定溫度；反應(yīng)堆壓力容器的RTNDT+30℃.某核電廠3號機(jī)組首次在役冷態(tài)水壓試驗(yàn)的溫度下限為35℃，同時為防止一回路試驗(yàn)回路溫度過高而造成檢查人員燙傷，某核電廠301大修一回路水壓試驗(yàn)溫度范圍確定如下：35℃<試驗(yàn)溫度<80℃。

3 驗(yàn)收準(zhǔn)則

1）對泄漏率的要求。在15.4MPa.g壓力下進(jìn)行泄漏率計算，要求總泄漏率小于2301/h；

2）20.6MPa.g壓力平臺的檢查。試驗(yàn)必須達(dá)到，在設(shè)計壓力的1.2倍時，確認(rèn)焊縫無滲漏，各種密封面的連接處無異常，國家核安全局現(xiàn)場代表對試驗(yàn)及其結(jié)果沒有提出異議。

4 超壓保護(hù)措施

穩(wěn)壓器安全閥先導(dǎo)控制柜上安裝固定卡子；在3.0MPa壓力以下，余熱排出系統(tǒng)處于投運(yùn)狀態(tài)，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的保護(hù)將通過余熱排出系統(tǒng)的SEB工M安全閥來保證；在3.0MPa和15.4MPa之間，超壓保護(hù)是由安全注入系統(tǒng)的試驗(yàn)管線構(gòu)成的（RIS124VP由EHP001/002MP控制）；在15.4MPa和20.6MPa試驗(yàn)壓力之間，超壓保護(hù)由超壓保護(hù)裝置和相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。試壓過程中，最大的風(fēng)險是一回路突然泄壓，由于試驗(yàn)過程中，軸封注入量較小，且有過剩下泄進(jìn)行平衡，不會突然升壓，特別是化容系統(tǒng)的下泄孔板隔離后。某電廠在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時，由于穩(wěn)壓器的安全閥的固定卡子損壞，導(dǎo)致一回路壓力在短時間內(nèi)泄壓到常壓，使得一回路壓力邊界承受較大的應(yīng)力。

5 試驗(yàn)回路的構(gòu)成

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的水壓試驗(yàn)回路由以下構(gòu)成：壓力容器及其頂蓋、壓力容器熱電偶套管的導(dǎo)向管（耐壓管）、壓力容器驅(qū)動機(jī)構(gòu)的套管、一回路主管道，即1，2回路的冷段、過渡段和熱段；蒸汽發(fā)生器的一次側(cè)；承壓情況下主泵的泵殼；穩(wěn)壓器及其波動管線；穩(wěn)壓器安全閥管線；內(nèi)徑大于25mm的輔助管道及相關(guān)的閥門和附件：回路的旁通管線、穩(wěn)壓器和噴淋管線：連接反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)到輔助系統(tǒng)直到第二個隔離機(jī)構(gòu)的管線。鑒于試驗(yàn)操作的理由，承壓邊界擴(kuò)展到超出反應(yīng)堆冷卻劑邊界外的高壓輔助管線的管段，這些系統(tǒng)是：主泵一號軸封的注入管線；直到減壓閥的過剩下泄管線；安全注入系統(tǒng)止回閥的試驗(yàn)管線。

6 試驗(yàn)過程

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)完成充水排氣。需要充水排氣的系統(tǒng)為化學(xué)容積系統(tǒng)、安全注入系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、廢氣廢液處理系統(tǒng)。

反應(yīng)堆冷卻劑回路及輔助系統(tǒng)充水排氣完成后，主系統(tǒng)升壓到2.5MPa壓力，余熱排出系統(tǒng)保持運(yùn)行，啟動兩臺主冷卻劑泵進(jìn)行一回路冷卻劑的加熱，溫度保持在70℃。持續(xù)10小時以上，以保證較厚的一回路設(shè)備及管道溫度均勻，減少溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。并在2.5MPa進(jìn)行一回路冷卻劑的泄露率測量，如果泄露量較大，需要進(jìn)行查漏，防止在高壓情況下失控泄露。

泄露率計算合格后，余熱排出系統(tǒng)推出運(yùn)行，保持核反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)隔離。主冷卻劑泵停運(yùn)，開始一回路冷卻劑的第一階段升壓。同時停運(yùn)反應(yīng)堆安全殼的通風(fēng)系統(tǒng)，減少空氣流動產(chǎn)生的對一回路承壓的管道設(shè)備冷卻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

以0.1MPa/min的速率，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)升壓到7.0MPa。關(guān)閉一個化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的隔離閥及孔板。同時第一次對一回路冷卻劑承壓邊界的設(shè)備、閥門、焊縫進(jìn)行檢查，確認(rèn)完好無泄露。

繼續(xù)以0.1MPa/min的速率，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)升壓到10.0MPa.隔離化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的第二個孔板和閥門。繼續(xù)升壓到15.4MPa的正常運(yùn)行壓力。進(jìn)行一回路壓力邊界的隔離閥門、孔板、承壓部件、焊縫的完整性檢查。啟動主冷卻劑泵，攪混一回路冷卻劑，使得溫度均勻后停運(yùn)主冷卻劑泵。

啟動水壓試驗(yàn)泵，一回路繼續(xù)以0.1MPa/min進(jìn)行升壓到16.5MPa，隔離化學(xué)容積控制系統(tǒng)的第三個孔板，從而實(shí)現(xiàn)下泄的隔離。水壓試驗(yàn)泵啟動后，通過主泵軸封注入和過剩下泄，進(jìn)行一回路冷卻的升壓。

一回路繼續(xù)升壓到17.2MPa，進(jìn)行一回路承壓邊界的閥門、孔板焊縫的檢查，確認(rèn)完整無泄漏后，升壓到最高壓力20.6MPa。

在最高壓力平臺20.6MPa，保壓10分鐘后，開始進(jìn)行最高壓力平臺的檢查工作，對一回路承壓邊界的閥門、孔板、焊縫、盲板等進(jìn)行檢查確認(rèn)，確認(rèn)完整無泄漏異常。國家核安全局監(jiān)督人員認(rèn)可后，開始一回路以0.1MPa/min的速率進(jìn)行降壓2.5MPa。

降壓到2.5MPa后，余熱排出系統(tǒng)和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)連接。

水壓試驗(yàn)結(jié)束。

7 泄漏率計算

在15.4MPa下進(jìn)行的主系統(tǒng)泄漏率計算，在進(jìn)行泄露率試驗(yàn)時，一回路溫度是影響最大的因素。一回路兩臺主泵運(yùn)行攪混后，記錄一環(huán)路冷段溫度、一環(huán)路熱段溫度、二回路冷段溫度、二環(huán)路熱段溫度、容控箱溫度、穩(wěn)壓器液相溫度、穩(wěn)壓器氣相溫度，這些溫度加權(quán)平均等到一回路平均溫度θ0，停運(yùn)兩臺主泵，等待4小時以上。重新啟動兩臺主泵，每分鐘檢查一次溫度并計算權(quán)重平均溫度，當(dāng)計算得到的溫度等于初始的溫度θ0，記錄時間。計算出試驗(yàn)整體用時。泄漏率分為兩種泄露率，可識別的泄露率及不可識別的泄露率?？勺R別的泄露包括，泄壓箱水位變化量、中壓安注箱水位變化量、一回路外漏，但可被收集的泄露、主泵的軸封泄露率等。不可識別的泄露率為一回路的總的泄露率減去可識別的泄露率。閥門或設(shè)備的外漏分別在以下各壓力平臺下分別進(jìn)行了相應(yīng)的檢查，升壓階段，2.7MPa壓力平臺：實(shí)施壓力邊界閥門目視檢查；10.OMPa壓力平臺：實(shí)施壓力邊界閥門目視檢查；15.4MPa壓力平臺：實(shí)施壓力邊界閥門目視檢查：17.2MPa壓力平臺：投入聲發(fā)射檢查系統(tǒng)，開始進(jìn)行聲發(fā)射檢查；20.6MPa壓力平臺：聲發(fā)射檢查CRDM、穩(wěn)壓器接管、RIC指套管焊縫、及其他壓力邊界的目視檢查；降壓階段：17.2MPa壓力平臺：停止進(jìn)行聲發(fā)射檢查；15.4MPa壓力平臺：實(shí)施壓力邊界閥門及管道焊縫的目視檢查。焊縫和聲發(fā)射檢查結(jié)果，大修結(jié)束后，在役檢查報告中將會提交詳細(xì)檢查結(jié)果。

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