LBB和BP在核電廠高能管道上應(yīng)用的差異性研究

房永剛，王 慶，蘇 巖，徐 宇

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

在核電廠的管道設(shè)計中，出于保守考慮，普遍假設(shè)了高能管道破裂及其產(chǎn)生的動態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，并對這些效應(yīng)進行了防護，并將主管道和主蒸汽管道的雙端剪切斷裂(double-end guillotine break ，簡稱DEGB)作為核電廠的設(shè)計基準(zhǔn)事故。然而，根據(jù)核電廠的長期運行經(jīng)驗反饋，核電廠發(fā)生DEGB的概率極低[1-3]。通過不斷的發(fā)展和認識上的深入，核電設(shè)計者逐漸形成了一系列的理論，用以排除管道破裂的相關(guān)假設(shè)。其中主要包括“破裂前先泄漏(Leak Before Break，以下簡稱LBB)”和“破裂排除(Break Preclusion，以下簡稱BP)” 。

LBB應(yīng)用比較廣泛，包括第二代核電機組和第三代AP1000和APWR等機組[4],應(yīng)用范圍包括安全殼內(nèi)管徑大于6英寸的高能管道系統(tǒng)，如主管道、波動管、主蒸汽管道和部分輔助系統(tǒng)管道。在美國，大約三分之二的壓水堆核電廠已應(yīng)用了LBB概念。BP概念應(yīng)用主要以德國為主[5]。在德國，BP已應(yīng)用于所有壓水堆核電廠的主冷卻劑管線[6]，法國將BP概念應(yīng)用于EPR機組設(shè)計。

目前，我國引進了第三代美國AP1000機組和法國EPR機組設(shè)計，二者分別應(yīng)用了LBB和BP概念。

1 高能管道破裂相關(guān)要求

在核電廠高能管道設(shè)計中，均要求假設(shè)高能管道破裂，并要求對管道破裂的動態(tài)效應(yīng)及環(huán)境后果進行設(shè)防。這些高能管道破口位置通常位于管系端部和中間高應(yīng)力位置。美國更是以聯(lián)邦法規(guī)10CFR50附錄A的形式對管道破裂及其動態(tài)效應(yīng)防護進行了明確要求，德國反應(yīng)堆安全委員也在RSK導(dǎo)則中第21.1章中對其進行了規(guī)定[7、8]。

19世紀80年代，美國核管理委員會(NRC)成立了管道評定委員會，并設(shè)立了管道破壞工作組，從事對核電廠采用LBB的評估工作。1984年，管道破壞工作組取得了很大的成就，同年發(fā)布了NUREG/CR-1061第三卷，該卷主要描述了LBB應(yīng)用的評估，證明高能管道發(fā)生雙端剪切斷裂或縱向和斜向斷裂的可能性極低[9]。1986年，NRC修訂了10CFR50附錄A通用設(shè)計準(zhǔn)則4，以允許使用LBB排除管道雙端剪切斷裂的動態(tài)效應(yīng)，從而可以移除管道甩擊約束件、噴射沖擊屏障和為解決壓水堆冷卻劑系統(tǒng)管道破裂后的動態(tài)效應(yīng)而設(shè)計的相關(guān)設(shè)備[10]。相應(yīng)的，NRC新發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)審查大綱(SRP)3.6.3節(jié)，用于LBB應(yīng)用的指導(dǎo)[11]。

目前，國際上主要核電國家基本沿用了美國和德國關(guān)于LBB和BP概念的論證方法和監(jiān)管要求[8]。LBB和BP概念的應(yīng)用，不僅降低了電廠建造成本，簡化了相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計，同時也提高了在役檢查的可達性，減少了在役試驗、檢查與維修的工作量和輻射防護劑量。

2 LBB和BP概念應(yīng)用及對比

2.1 LBB概念應(yīng)用原理

NRC在SRP3.6.3節(jié)和技術(shù)文件NUREG/CR 1061第三卷中針對LBB應(yīng)用給出了需要論證的具體內(nèi)容和要求，其分析流程如圖1所示。

圖1 LBB分析內(nèi)容與流程Fig. 1 Flowchart and content of LBB concept

(1)先決條件判斷

LBB概念不能應(yīng)用于服役中易受到水錘、蠕變、腐蝕、侵蝕和疲勞等影響破壞的管道中。因為這些惡化機制將影響LBB應(yīng)用的接受準(zhǔn)則[12]，因此在使用前必須對以上情況加以分析，以證明在管道的服役條件下發(fā)生上述情況的可能性極低。這些先決條件通?；诤穗姀S長期運行經(jīng)驗進行評價。

(2)材料選擇

應(yīng)用LBB分析的管道(包括母材、焊縫、接管和安全端)材料要求為高韌性材料。在斷裂力學(xué)分析和泄漏率評價中，根據(jù)分析方法的不同，需要的材料特性參數(shù)通常包括彈性模量(E)、屈服應(yīng)力(Sy)、強度極限(Su)、材料真實應(yīng)力-應(yīng)變(Ramberg-Osgood)方程和反映材料斷裂韌性的J-R曲線。這些數(shù)據(jù)可采用通用數(shù)據(jù)庫材料，也可通過材料試驗獲得。

(3) 分析位置

分析位置應(yīng)選擇應(yīng)力(包括軸向力、彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩)最高和材料性能最差的部位。應(yīng)主要考慮焊縫部位，當(dāng)受力最大部位和材料性能最差位置不一致時，應(yīng)分別考慮。往往分析環(huán)向和軸向的表面和貫穿裂紋，但在多數(shù)情況下環(huán)向裂紋更危險，因此LBB分析中更強調(diào)研究環(huán)向的貫穿裂紋和表面裂紋[13]。

(4) 載荷及載荷組合

載荷主要分為下列三類：壓力、溫度和機械載荷。泄漏裂紋和臨界裂紋計算采用不同的載荷及載荷組合，這主要是為得到較大的泄漏裂紋尺寸和較小的臨界裂紋尺寸，以提高LBB應(yīng)用的保守性?；谛袠I(yè)經(jīng)驗，考慮的載荷見表1。

表1 載荷及載荷組合Table 1 Load and Load combination

(5) 泄漏率和泄漏裂紋的計算

管道中裂紋的泄漏率計算是以熱工水力為基礎(chǔ)的。流體在壓力作用下從裂紋泄漏的量主要取決于管道內(nèi)部的壓力、溫度、裂紋形貌以及流動過程中的摩擦阻力。在通過確定的泄漏率計算泄漏裂紋尺寸時，除非能夠充分證明泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測靈敏度和可靠性，否則對泄漏監(jiān)測系統(tǒng)要取10倍的安全裕度。

(6) 臨界裂紋尺寸計算

裂紋穩(wěn)定性分析是為了確定裂紋的臨界尺寸。在裂紋穩(wěn)定性分析中，采用運行中可能受到的最嚴重的載荷組合，通常為正常運行載荷疊加安全停堆地震載荷。最終要通過斷裂力學(xué)評估證明泄漏裂紋在最大載荷處得到的臨界裂紋尺寸與泄漏裂紋尺寸相比要有不小于兩倍的安全裕度。

(7) LBB概念對泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的要求

如果裂紋在泄漏前沒有達到在役檢查設(shè)備的靈敏度所能檢測的范圍，或是在役檢查時漏檢，經(jīng)疲勞擴展后發(fā)生泄漏，則需依靠在線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性保證及時發(fā)現(xiàn)問題并停堆。LBB的應(yīng)用是基于核電廠具有非?？煽康男孤┍O(jiān)測系統(tǒng)，包括泄漏監(jiān)測的方法、靈敏度和響應(yīng)時間等的要求。RG1.45“反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)泄漏監(jiān)測與響應(yīng)導(dǎo)則”對反應(yīng)堆泄漏監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測方法、監(jiān)測位置、監(jiān)測靈敏度、響應(yīng)時間和冗余度等給出了建議[13]。

2.2 BP概念應(yīng)用原理

BP概念最初起源于德國。1979年，德國核能安全委員會(RSK)發(fā)布了防護管道破裂動態(tài)效應(yīng)的技術(shù)導(dǎo)則，并成功應(yīng)用于德國Konvoi電廠。德國BP管道破裂排除的基本原則如圖2所示，德國的BP論證主要內(nèi)容如圖3所示。

圖2 德國BP概念的基本原理Fig.2 General concept for break preclusion

德國BP概念實際上類似于LBB概念，它在BP論證過程中也應(yīng)用了LBB概念的相關(guān)理論。德國的BP概念在一定程度上比LBB概念考慮更全面，因為德國BP概念在分析裂紋擴展的同時要求考慮裂紋是否會在貫穿壁厚前沿周向擴展失效，進而判斷是否可進入LBB論證程序，而之后的論證內(nèi)容更類似于LBB概念，且分析中的裕量要求也是一致的。

圖3 德國BP的分析主要內(nèi)容Fig.3 Content of break preclusion

法國在ERP機組中應(yīng)用的BP概念與德國的BP概念并不完全相同。EPR設(shè)計導(dǎo)則中僅給出了一二回路設(shè)計中破口假設(shè)原則性的論述，沒有給出BP概念具體需要論證的內(nèi)容和明確的驗收準(zhǔn)則，即到底論證達到什么程度可以滿足破裂排除要求。

2.3 LBB與BP概念異同點分析

考慮到我國引進了第三代美國AP1000堆型和法國EPR堆型，其中分別應(yīng)用了LBB和BP概念。因此，針對美國LBB概念和法國BP概念作一對比分析是必要的。

LBB與BP概念均有破裂排除的意思，LBB認為管道破裂前會首先發(fā)生泄漏，也就是允許泄漏，但通過分析證明管道不會斷裂，同時依靠可靠的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)泄漏并及時停堆。BP主要是通過電廠設(shè)計、材料選擇、制造、檢查、以及后期運行監(jiān)督和在役檢查等方面提高要求，進而排除管道發(fā)生泄漏的可能性[14]。這里通過對比LBB和BP概念分別在AP1000機組和EPR機組的應(yīng)用情況，總結(jié)了應(yīng)用上的主要異同點，如表2-表4所述。

表2 LBB和BP概念設(shè)計要求差異Table 2 the differences between LBB and BP concepts in design

在應(yīng)用范圍上，AP1000機組LBB應(yīng)用范圍均位于安全殼內(nèi)，包括反應(yīng)堆冷卻劑管道及與其相連的管徑大于6英寸的高能管道和主蒸汽管道，EPR機組BP應(yīng)用范圍為反應(yīng)堆冷卻劑管道和安全殼內(nèi)外的主蒸汽管道(包括安全殼內(nèi)從蒸汽發(fā)生器出口管嘴至安全殼貫穿件之間管道和安全殼貫穿件至主蒸汽隔離閥下游固定點之間管道)。在材料選擇上，BP管道材料性能除了滿足RCC-M規(guī)范要求外額外提高了要求，如主蒸汽管道要求按RCC-M核一級管道選材和設(shè)計。在制造方面，BP管道相應(yīng)提高了要求，如主管道要求采用整體鍛造工藝；對于大直徑的管嘴制造，如化學(xué)控制系統(tǒng)(RCV)的管嘴，要求采用拉拔或整體鍛造，而不采用焊接結(jié)構(gòu)，而LBB無以上要求。在斷裂力學(xué)評價方面，AP1000機組在應(yīng)用LBB概念時未要求進行裂紋擴展分析，這主要是基于美國早期電廠開展的相關(guān)分析，其結(jié)果表明，管道初始表面裂紋在貫穿壁厚前，基本不會在環(huán)向方向上發(fā)生失穩(wěn)。EPR機組在應(yīng)用BP概念時，考慮了表面裂紋在貫穿壁厚前可能的環(huán)向失穩(wěn)，并驗證在此過程中，裂紋在長度方向上不會失穩(wěn)。EPR機組未明確要求進行裂紋穩(wěn)定性分析，針對主管道，進行了泄漏裂紋的穩(wěn)定性分析，但未開展主蒸汽管道的裂紋穩(wěn)定性分析。

在役檢查方面，BP概念要求對異種金屬焊縫采用兩種在役體積檢查方式，LBB則無此要求，滿足在役檢查規(guī)范即可。在役監(jiān)測方面，除主泵的振動監(jiān)測外，BP概念應(yīng)用增設(shè)了管道振動和阻尼器間隙的在役監(jiān)測要求，LBB則無此要求。在泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置上，LBB概念認為泄漏監(jiān)測是必須的，主要依賴現(xiàn)有的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。BP概念認為通過上游更嚴格的材料選擇、制造、檢查和在役監(jiān)督等認為管道不會發(fā)生泄漏，并認為單純對核電廠應(yīng)用BP概念來說，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)并不是必須的，只作為縱深防御政策的延伸。

表3 LBB和BP概念運行要求差異Table 3 the differences between LBB and BP concepts in operation

表4 應(yīng)用LBB和BP后的設(shè)計要求差異[15]Table 4 the similarities between LBB and BP concepts

應(yīng)用LBB概念后，設(shè)計上取消了管道破裂的動態(tài)和靜力載荷，而BP概念仍保守假設(shè)了設(shè)備支撐設(shè)計時的2PA靜態(tài)載荷。應(yīng)用LBB和BP概念后，設(shè)計上均只允許排除管道破裂的動態(tài)效應(yīng)，如管道甩擊、噴射流沖擊和管道卸壓波等，對安全系統(tǒng)和安全殼設(shè)計仍要求考慮管道破裂，設(shè)備鑒定也仍需假設(shè)管道破裂環(huán)境條件，在這些方面，二者的要求是一致的。 由于BP在上游設(shè)計上要求提高，因此BP應(yīng)用需要在電廠設(shè)計之初即確定是否采用，而LBB可應(yīng)用于新建核電廠，也可開展補充論證而應(yīng)用于已運行核電廠的設(shè)計改造。

3 結(jié)論與建議

LBB和BP概念用于核電廠設(shè)計中，可以排除高能管道破口及其管道破裂的動態(tài)效應(yīng)，進而取消管道的防甩擊限制器和實體屏障等防護設(shè)備，這有利于簡化電廠的設(shè)計，提高在役檢查與維修等的可達性，進而降低電廠的建造和運營成本。

LBB概念目前應(yīng)用較為廣泛，德國BP概念也有成功應(yīng)用于本國實踐的案例。法國的BP概念與德國BP概念、美國LBB概念均有一定差異，且沒有專門的技術(shù)導(dǎo)則。相較于LBB概念，BP概念在上游材料選擇、設(shè)計、制造及在役檢查和在役監(jiān)測方面的要求更高，但在縱深防御要求上不明確，尤其是沒有給出泄漏監(jiān)測系統(tǒng)和斷裂力學(xué)評價明確的定位，這給設(shè)計和監(jiān)管工作均帶來了不便。

考慮到核電設(shè)計中的縱深防御要求，法國BP概念應(yīng)充分借鑒德國BP概念或美國LBB概念，強化縱深防御設(shè)計要求，并形成相應(yīng)的技術(shù)導(dǎo)則，以進一步提高BP概念應(yīng)用的安全性。

[1] 段權(quán)，唐欣.LBB(破前漏)技術(shù)研究文獻綜述[R].西安：全國高等學(xué)校過程裝備與控制工程專業(yè)教學(xué)改革與學(xué)科建設(shè)成果校際交流會，2006．

[2]孫造占.LBB對材料性能的要求[J]. 核安全，2006(3)：6-10+16．

[3]馮西橋，何樹延，董鐸. 核反應(yīng)堆管道和壓力容器的LBB分析[J]. 力學(xué)進展，1998，28(2)：198-214．

[4]李承亮,鄧小云,陰志英,等. 核電廠高能管道應(yīng)用破前漏技術(shù)對材料力學(xué)性能的要求[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46(S2):877-880．

[5]李 強，岑 鵬，甄洪棟.核電廠高能管道LBB 分析技術(shù)概述[J]．核動力工程，2011，32(S1)：189-191．

[6]何樹延.反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)用中的幾個問題[J].核動力工程，2001(4):289-293+317.

[7] U.S.NRC. Regulations Title 10, Code of Federal Regulations[R]．Washington DC: U.S.NRC,1986.

[8]IAEA.Applicability of the leak before break concept. International Atomic Energy Agency, IAEA-TECDOC-710[R].Vienna: IAEA, 1993.

[9]U.S.NRC.NUREG-1061, Report of the U.S. Nuclear Regulatory Commission Piping Review Committee[R]. Washington DC: U.S.NRC,1985.

[10] U.S.NRC. Definition of Leak-Before-Break Analysis and its Application to Plant Piping Systems，NRC Inspection Manual EMCB，PART 9900: 10 CFR Guidance[R]. Washington DC: U.S.NRC,1990.

[11]U.S.NRC.NUREG-0800,U.S. Nuclear Regulatory Commission Standard Review Plan, Section 3.6.3, Leak-Before-Break Evaluation Procedure[R]. Washington DC: U.S.NRC, 1987.

[12]房永剛，孫造占，熊冬慶.LBB方法在核電站高能管道中的應(yīng)用[R].哈爾濱：中國力學(xué)大會暨錢學(xué)森誕辰100周年紀念大會，2011．

[13]U.S.NRC. U.S. Nuclear Regulatory Guide 1.45, Guidance on Monitoring and Responding to Reactor Coolant System Leakage[R]. Washington DC: U.S.NRC, 2008.

[14]Westinghouse Company.AP1000 Design Control Document Rev.16 (Public Version)[R/OL]. Pittsburgh: Westinghouse Company ,2007(2007-06-07)[2017-12-13].http://pbadupws.nrc.gov/docs/ML0715/ML071580939.html.

[15]劉永. LBB和BP在核電站管道設(shè)計中的異同性分析[J]. 原子能科學(xué)技術(shù) , 2014 , 48 (10) :1825-1829．