事故工況下壁面油污和銹斑對鋼制安全殼潛在失效影響分析

石興偉，蘭 兵，胡 健，于大鵬，雷 蕾，溫麗晶，喬雪冬

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心, 北京 100082)

事故工況下壁面油污和銹斑對鋼制安全殼潛在失效影響分析

石興偉，蘭 兵，胡 健，于大鵬，雷 蕾*，溫麗晶，喬雪冬

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心, 北京 100082)

反應堆事故工況下，鋼制安全殼是防止放射性物質向環(huán)境釋放的重要屏障，因此有必要研究分析事故條件下傳熱削弱因素(如壁面油污和銹斑)對安全殼完整性的影響，以評估安全殼的潛在失效風險。本文應用非能動安全殼分析程序，建立了大功率非能動反應堆非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的熱工水力模型，并以冷管段雙端剪切事故為基準工況，分別研究了壁面油污和銹斑為代表的不利因素對鋼制安全殼溫度和壓力的影響。分析結果表明：事故發(fā)生后1000 s內，壁面油污和銹斑的位置和面積對換熱的影響甚小，1000 s后油污和銹斑面積對安全殼壓力和溫度的影響占主導地位；起拱線附近油污或者銹斑面積超過濕區(qū)面積的20%時，安全殼均可能面臨失效風險。

油污；銹斑；非能動安全殼；雙端剪切；安全殼完整性

大功率非能動反應堆為我國第三代核電機組類型，安全殼參考了AP1000非能動安全殼冷卻的設計理念。目前國內外對非能動安全殼冷卻性能均開展了詳細的研究。在國內引進AP1000前，Sutharshan和Schulz對于非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(Passive containment Cooling System，簡稱PCS)進行了較為詳細的描述，對PCS的機理進行了較深入的研究[1，2]。國內葉成和王國棟等使用WGOTHIC對AP1000非能動安全殼冷卻水的注入以及PCS傳熱傳質過程進行了詳細研究[3-5]。同時，國內也進行了大量的非能動安全殼自主化軟件的開發(fā)和實驗研究[6-8]。由于非能動安全殼為鋼制安全殼，其壁面換熱的不利影響因素(如銹斑、油污、灰塵和涂層剝落等)將影響換熱阻力，削弱安全殼的換熱能力，從而對安全殼形成潛在的失效風險。

通過對安全殼液膜覆蓋實驗現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)殼外束狀銹斑和油污為安全殼經(jīng)常面臨的問題，但目前針對安全殼外壁面油污和銹斑對安全殼傳熱影響的研究鮮有報道和研究。因此，本研究以冷管段雙端斷裂(Double Ended Guillotine，簡稱DEG)事故為基準工況，以油污和銹斑為例，利用安全殼外表面相對于水的換熱因子模擬油污和銹斑在傳熱過程中的換熱因子，整體分析油污及銹斑位置和面積對安全殼完整性的影響，評估安全殼潛在的失效風險。

1 模型機理和安全殼建模

靜態(tài)工況下，壁面油污主要為機械潤滑油滴落在金屬表面并與油類產物、粉塵和金屬氧化物形成的混合物[9]，如圖1所示。油污在金屬表面有強烈的附著力以及液體分子之間的內聚力，且油類具有憎水官能團，導致系統(tǒng)阻力增大，傳熱系數(shù)減小，換熱性能下降[9-11]。由于異物剮蹭或者涂層脫落而導致暴露的碳鋼基體與環(huán)境中的水分子長時間發(fā)生氧化反應而形成外圍為氧化鐵的銹斑[12]，如圖2所示。銹斑具有一定的親水性，會增大液體流過其表面的阻力，增加換熱過程中換熱熱阻。安全殼外表面沾染油污和產生銹斑均為機會性事件，核電廠運行后期銹斑出現(xiàn)的幾率較大。根據(jù)油脂和鐵銹的特性，研究利用安全殼外表面相對于水的換熱因子(默認值為0.73)模擬油污和銹斑在傳熱過程中的換熱因子，詳見文獻[13]

圖1 油污示意圖Fig.1 Diagram of oil pollution

圖2 銹斑示意圖Fig.2 Diagram of rustiness

非能動安全殼冷卻系統(tǒng)主要由一個鋼制安全殼、殼內空間、殼外導流板、殼外冷卻水系統(tǒng)、噴放管道等組成[14]。本文根據(jù)大功率非能動反應堆初步安全分析報告中的系統(tǒng)設計參數(shù)[15]建立了大功率非能動反應堆非能動安全殼模型，主要對安全殼殼內隔間和氣體空間、殼外上升段氣體空間、殼體及殼內熱構件、殼外冷卻水、蒸汽噴放條件進行了建模。建模的主要參數(shù)包括控制體參數(shù)、流道參數(shù)、熱構件參數(shù)、傳熱系數(shù)類型參數(shù)、壁面?zhèn)鳠崮Ｐ蛥?shù)、材料類型參數(shù)、邊界條件、初始條件和程序控制參數(shù)等[16]。如圖3所示，安全殼冷卻系統(tǒng)共劃分127個有效控制體和327個流道，控制體之間采用流道連接。安全殼壁面換熱模塊模擬安全殼鋼結構由內向外蒸汽冷凝、內側液膜導熱、鋼殼導熱、外側液膜導熱、液膜蒸發(fā)和不同壁面間輻射傳熱的過程。安全殼殼體和導流板沿周向分為8個部分，包含4個由殼外冷卻水膜覆蓋的濕區(qū)和4個干區(qū)，每部分沿高度方向劃分為8塊，與控制體沿高度方向的劃分相對應，共64塊構建成整個殼體和殼外導流板。模型建立后需對模型進行驗證，詳細建模和驗證過程，可參看文獻[13]。

圖3 非能動安全殼控制體劃分示意圖Fig.3 Diagram of passive containme ntnodalization

2 基準工況和計算工況

2.1 基準工況選取

基準事故工況為假想冷管段DEG，事故工況下冷卻劑能量始發(fā)如圖4、圖5所示。鋼制安全殼液膜覆蓋在事故發(fā)生后380 s建立。如圖6、圖7所示，模型計算結果在事故最初期出現(xiàn)微小峰值，隨著安全殼內熱阱對熱量的吸收，安全殼壓力下降； 145 s左右，壓力重新開始上升，由于DEG事故噴放的冷卻劑以及ADS4閥門釋放的蒸汽攜帶了大量的能量，在380 s液膜建立后并沒有出現(xiàn)壓力的下降。通過與設計值對比表明：模型安全殼壓力峰值出現(xiàn)在1603 s左右，約0.395 MPa；設計報告安全殼壓力峰值出現(xiàn)在1673 s左右，約0.4 MPa；模型計算值小于設計值0.005 MPa，相對偏差1.25%；安全殼溫度相差約4℃。安全殼內部壓力總體趨勢、峰值出現(xiàn)時間、峰值數(shù)值與設計值相吻合。

2.2 計算工況制定

壁面油污和銹斑計算均選取兩大類工況：第一類工況分為3小類工況，根據(jù)油污可能出現(xiàn)的位置分別在安全殼上、中、下位置即標高12.65 m、35.13 m、55.25 m處出現(xiàn)不同面積的油污和銹斑；由于安全殼起拱線附近的液膜覆蓋率對安全殼換熱影響較為重要，所以第二類工況的3小類工況集中在起拱線附近，即標高分別為35.13 m、42.00 m、49.76 m處出現(xiàn)不同面積油污和銹斑，見表1。

圖4 兩相能量噴放Fig.4 Energy release of two-phase

圖5 蒸汽能量噴放Fig.5 Energy release of steam

圖6 安全殼內部壓力對比Fig.6 Comparison of pressure in containment

圖7 安全殼內部溫度對比Fig.7 Comparison of temperature in containment

標高/m工況油污面積/m2(占濕區(qū)百分比%)工況銹斑面積/m2(占濕區(qū)百分比%)第一類55.25G16420(4.16%)G76420(4.16%)35.13G29428(6.11%)G89428(6.11%)12.65G36064(3.93%)G96064(3.93%)第二類49.76G415144(9.81%)G1015429(10%)42.00G525404(16.46%)G1123144(15%)35.13G634460(22.33%)G1230858.4(20%)

3 壁面油污和銹斑影響分析

3.1 壁面油污對安全殼失效風險分析

選取具有代表性的21號控制體(操作平臺上部)研究安全殼的溫度和壓力變化。如圖8、圖9所示，破口兩相和蒸汽的噴放集中在前1200 s，安全殼內部壓力和溫度在前1000 s隨工況的變化并不明顯。G2工況壓力稍高于G1和G3工況，這是由于G2工況的壁面油污面積較大，油污位置的影響較小；G3工況的溫度在1000 s后高于G1和G2工況，表明筒體側面中端的油污對換熱的影響比較重要。G4、G5和G6的標高依次降低，壁面油污的面積逐漸增大，所占濕區(qū)的面積比例也逐漸增大。油污面積的增大導致壁面換熱惡化，壓力峰值也隨著增大，峰值出現(xiàn)時刻往后推移。隨著噴淋水對壁面的不斷冷卻，以及內部溫度的傳導，安全殼內空間溫度逐漸均勻。

圖8 安全殼內壓力Fig.8 Pressure in containment

圖9 安全殼內溫度Fig.9 Temperature in containment

根據(jù)事故工況下安全殼內壓力峰值不能高于設計壓力和SRP6.2.1.1.A中“安全殼壓力應當在假想事故后24 h內降低到低于設計基準失水事故計算的最高計算壓力的50%”的要求[7]，工況G6安全殼內部壓力在24 h后超過最高計算壓力的50%(即46.82 Psia)。按照設計要求，G6工況下安全殼視為失效?？紤]存在一定的失效裕度，油污面積超過濕區(qū)面積的20%，換熱惡化加劇，存在安全殼失效風險。

3.2 銹斑對安全殼失效風險分析

如圖10、圖11所示，工況G8安全殼壓力和溫度幾乎與工況G7和G9重合，安全殼內部壓力和溫度變化并不明顯，表明筒體銹斑區(qū)域能夠快速導出安全殼內部的熱量，對換熱的影響比較弱。第二大類工況G10、G11和G12的標高依次降低，壁面銹斑的面積逐漸增大，所占濕區(qū)的面積也逐漸增大，分別為10%、15%、20%。前1000 s，安全殼內部空間壓力和溫度隨工況的變化并不明顯。隨著壁面銹斑面積的增大，壁面換熱惡化，安全殼內壓力峰值也隨著增大，峰值出現(xiàn)時刻往后推移。

圖10 安全殼壓力Fig.10 Pressure in containment

圖11 安全殼溫度Fig.11 Temperature in containment

根據(jù)事故工況下安全殼內壓力峰值不能高于設計壓力和SRP6.2.1.1.A中的設計要求，工況G12安全殼內部壓力在24 h后超過最高計算壓力的50%。按照設計要求，G12工況下安全殼視為失效?？紤]可能存在的失效裕度，銹斑面積超過濕區(qū)面積的20%，存在安全殼失效風險。

4 結論

本文以大功率非能動反應堆鋼制安全殼為研究對象，采用非能動安全殼專用計算程序對PCS進行建模。選取冷管段DEG事故為基準工況，分析了壁面換熱削弱因素(以油污和銹斑為例)對安全殼的失效的影響，結果表明。

(1)針對選取的冷管段DEG工況，安全殼壁面出現(xiàn)油污和銹斑均會影響安全殼的換熱，引起安全殼壓力和溫度上升。

(2)在事故發(fā)生后1000 s內，壁面油污及銹斑的位置和面積對換熱的影響甚??；1000s后油污和銹斑的位置對換熱影響較小，油污和銹斑面積對安全殼壓力和溫度影響占主導地位。

(3)通過對安全殼起拱線附近壁面油污和銹斑面積研究發(fā)現(xiàn)，隨著油污面積和銹斑面積的增大，安全殼壓力峰值逐漸升高，峰值時刻后移；油污面積或者銹斑面積超過濕區(qū)面積的20%時，安全殼均可能面臨失效風險。

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PotentialFailureEffectAnalysisofOilPollutionandRustinessonWallSurfaceforSteelContainmentunderAccidentConditions

SHI Xingwei，LAN Bing，HU Jian，YU Dapeng，LEI Lei*，WEN Lijing，QIAO Xuedong

(Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China)

The steel containment is a significant shielding to protect radioactive fission products under severe accident conditions from being released to the atmosphere. In order to evaluate the potential failure risk under accident conditions, it is necessary to research and analyze the effects of the weakened heat transfer factors (as oil pollution and rustiness on the wall surface) for the containment integrity. The thermal-hydraulic model of passive containment cooling system (PCS) has been built with passive containment analysis code for large power passive reactor. Based on the reference case of double ended guillotine (DEG) on a cold leg, the effluence of unfavorable factors such as oil pollution and rustiness on the pressure and temperature in containment have been carried out, respectively. The analysis results show that:(1) in 1000 s after the accident occurs, the impact of location and area of the oil pollution and rustiness on the wall surface for the heat transfer are quite slight, however, the area effect of oil pollution and rustiness on the pressure and temperature in containment will assume dominant position for a long time; (2) the area of oil pollution and rustiness exceeds 20% of wet region near the springing line of the steel containment, which would face the failure risk.

oil pollution；rustiness；passive containment；DEG；containment integrity

TL364.3

：A

：1672- 5360(2017)02- 0024-05

10. 14173/j. cnki. hnhg. 1983. 01.011.

2017- 04- 14

2017- 06- 02

國家科技重大專項項目，項目編號： 2015ZX06002007

石興偉(1985—)，男，山東菏澤人，博士，現(xiàn)主要從事反應堆事故模擬和安全分析工作