核電廠首次主回路水壓試驗(yàn)最高試驗(yàn)壓力選擇

張翔

【摘 要】核電廠在建設(shè)期間，均要對(duì)封閉主回路執(zhí)行一次超壓水壓試驗(yàn)，以檢查主回路及相關(guān)輔助系統(tǒng)的安裝質(zhì)量。本文主要通過對(duì)不同設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于核電廠首次主回路水壓試驗(yàn)最高試驗(yàn)壓力的不同規(guī)定，分析出其差異性，希望為核電廠主回路水壓試驗(yàn)最高壓力選擇提供參考。

【關(guān)鍵詞】主回路水壓試驗(yàn)；最高試驗(yàn)壓力；保壓時(shí)間

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）33-0165-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.074

【Abstract】During the construction of the nuclear power plant，an overpressure hydrostatic test is carried out on the closed main circuit to check the installation quality of the main circuit and related auxiliary systems. In this paper， the difference of the maximum test pressure for the first main circuit hydraulic test of the nuclear power plant is analyzed by different specifications， and it is hoped to provide a reference for the selection of the maximum pressure of the water pressure test in the main circuit of the nuclear power plant.

【Key words】Main circuit hydraulic test；Highest test pressure；Dwell time

0 引言

核電廠主回路壓力邊界是保證放射性不外泄的三道安全屏障之一，其完整性對(duì)于核電廠安全運(yùn)行意義重大。主回路首次水壓試驗(yàn)，是核電廠主回路及相關(guān)輔助系統(tǒng)安裝質(zhì)量的全面檢驗(yàn)。主系統(tǒng)水壓試驗(yàn)的目的是以一個(gè)合適的試驗(yàn)壓力，對(duì)主系統(tǒng)及其有關(guān)輔助系統(tǒng)的高壓部分進(jìn)行強(qiáng)度性水壓試驗(yàn)，以檢查一回路系統(tǒng)的設(shè)備、管道的密封和焊接質(zhì)量，驗(yàn)證其承壓運(yùn)行時(shí)的密封性和安全性。從而證明從本次試驗(yàn)結(jié)束到下次試驗(yàn)實(shí)施之前的這段時(shí)間里反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)在正常運(yùn)行和設(shè)計(jì)的事故工況下是安全的，并滿足核安全法規(guī)的。

國(guó)內(nèi)主流壓水堆為法系的M310及后續(xù)改進(jìn)型，美系A(chǔ)系列，其主要執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)范為分別為RCCM或ASME，我國(guó)自主三代華龍一號(hào)主回路設(shè)計(jì)主要依據(jù)我國(guó)GB16702核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范（該標(biāo)準(zhǔn)參照RCCM編制，國(guó)內(nèi)目前是1996年發(fā)布，目前新版本的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正在編制中），同時(shí)綜合參考RCCM及ASME。不同堆型參照的設(shè)計(jì)規(guī)范不同，而關(guān)于首次主回路水壓試驗(yàn)試驗(yàn)最高試驗(yàn)壓力規(guī)定也有所差異。

1 執(zhí)行水壓試驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)

水壓試驗(yàn)是一種超壓試驗(yàn)（超過工作壓力或設(shè)計(jì)壓力），是對(duì)部件或系統(tǒng)的強(qiáng)度考核試驗(yàn)。而為什么要執(zhí)行該試驗(yàn)，主要是基于以下三個(gè)方面進(jìn)行考慮的：

（1）使殘余應(yīng)力發(fā)生重新分布，降低峰值應(yīng)力

設(shè)備在制造過程中和系統(tǒng)在安裝過程中，以及在運(yùn)行使用過程中設(shè)備和系統(tǒng)的維修、改造和更換，都會(huì)由于裝配、焊接等作業(yè)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力迭加會(huì)使設(shè)備和系統(tǒng)的局部區(qū)域形成高應(yīng)力而給設(shè)備和系統(tǒng)帶來危害。目前在加工和安裝過程中有兩種方法來消除或降低殘余應(yīng)力。一種是通過熱處理的方法，另一種就是借助超壓的水壓試驗(yàn)，使設(shè)備和系統(tǒng)的高應(yīng)力區(qū)的材料達(dá)到局部屈服，使殘余應(yīng)力得到消除和減弱，從而降低峰值應(yīng)力。

（2）使裂紋的尖端變鈍，裂紋不易進(jìn)一步擴(kuò)展

設(shè)備和系統(tǒng)中，特別是焊縫中，難免會(huì)存在各種缺陷，在運(yùn)行使用過程中，隨著構(gòu)件的老化，也會(huì)產(chǎn)生裂紋性質(zhì)的缺陷，通過超壓的水壓試驗(yàn)，可以使高應(yīng)力區(qū)的材料達(dá)到局部屈服，特別是在裂紋的尖端，這種屈服現(xiàn)象更為明顯。在屈服狀態(tài)下，裂紋的微小擴(kuò)展會(huì)使裂紋的尖端變鈍，使裂紋在以后的使用中不易發(fā)生進(jìn)一步的擴(kuò)展。

（3）及早暴露隱患，減小破壞后果

水壓試驗(yàn)會(huì)使裂紋類的缺陷發(fā)生擴(kuò)展，對(duì)于即將貫穿壁厚但未達(dá)到臨界尺寸的裂紋，這種擴(kuò)展會(huì)使其貫通壁厚，導(dǎo)致泄漏發(fā)生，從而及早發(fā)現(xiàn)隱患。對(duì)于已接近發(fā)生脆斷的臨界尺寸的裂紋，這種擴(kuò)展會(huì)引起破壞的發(fā)生，但其破壞是發(fā)生在制造、安裝和試驗(yàn)階段，所造成的后果要比發(fā)生在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的后果小得多。

水壓試驗(yàn)的不利的一面是由于其超壓作用，會(huì)給設(shè)備和系統(tǒng)部件造成一定的損傷，縮短其使用壽命，特別是超壓試驗(yàn)會(huì)引起部件彈性區(qū)域的缺陷的擴(kuò)展。

2 法系RCCM各版本關(guān)于水壓試驗(yàn)最高壓力

RCCM2000+2002補(bǔ)遺B5120水壓試驗(yàn)壓力章節(jié)規(guī)定 “由安裝好及就位在規(guī)定位置的全部部件組成的一回路主系統(tǒng)的試驗(yàn)壓力，至少等于主回路系統(tǒng)任何給定部件的最高設(shè)計(jì)壓力的1.25倍”，同時(shí)在B5112水壓試驗(yàn)通用章節(jié)b）一回路系統(tǒng)的最終試驗(yàn)規(guī)定“系統(tǒng)水壓試驗(yàn)時(shí)只有當(dāng)試驗(yàn)壓力至少達(dá)到一回路系統(tǒng)部件最高設(shè)計(jì)壓力的1.33倍，才允許進(jìn)行輔助管道水壓試驗(yàn)”。因水壓試驗(yàn)也對(duì)部分高壓安注管線進(jìn)行試壓，所以國(guó)內(nèi)建成的法系技術(shù)堆型首次水壓試驗(yàn)的壓力均采用1.33倍的設(shè)計(jì)壓力執(zhí)行水壓試驗(yàn)。

在RCCM2007版B5226章節(jié)組合件的試驗(yàn)壓力規(guī)定，“組件的試驗(yàn)壓力不低于每個(gè)組成腔的最高試驗(yàn)壓力，但不得超過B3237的許用壓力。若任何組件的壓力設(shè)備項(xiàng)超過了此準(zhǔn)則，須減小壓力直至符合要求。只要設(shè)備項(xiàng)進(jìn)行了單獨(dú)試驗(yàn)，組件的試驗(yàn)可在1.3PS壓力進(jìn)行”。

從上文可以看出RCCM2007關(guān)與組合件的的壓力規(guī)定與其之前發(fā)布版本有所不同，同時(shí)對(duì)于單項(xiàng)（單件）水壓試驗(yàn)壓力的規(guī)定也有所不同。

RCCM2007版以前規(guī)定：每個(gè)部件試驗(yàn)壓力不得低于設(shè)計(jì)壓力乘以k，此處k=k1*k2

對(duì)由成形板件或鍛件制造的部件，k1=1.25

對(duì)全部或部分由鑄件制造的部件，k1=1.5

k2為組成部件器壁的主要材料在試驗(yàn)溫度下與設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度的最低保證值之比。若不采用屈服強(qiáng)度之比，則至少應(yīng)采用抗拉強(qiáng)度之比。k2值可以由同類型的幾個(gè)部件記錄到的平均值來確定。

k的最大極限值==k1*k2

若k1=1.25且k1*k2>1.5，則取k=1.5；

若k1=1.5且k1*k2>1.8，則取k=1.80；

而RCCM2007B5221單獨(dú)水壓試驗(yàn)壓力章節(jié)規(guī)定：容器的試驗(yàn)壓力至少須等于最高工作壓力Ps×k，其中k為1.43與1.25Sm·TEH/Sm·TS之大者。

Sm=材料的許用應(yīng)力；

TEH=試驗(yàn)溫度；

TS=設(shè)備最高工作溫度（2）。

3 美系A(chǔ)SME規(guī)范規(guī)定

（1）主回路水壓試驗(yàn)最高壓力最低值

ASME2004以后版本NB-6221章節(jié)對(duì)于系統(tǒng)水壓試驗(yàn)最高試驗(yàn)壓力的最低值規(guī)定：“系統(tǒng)安裝后的水壓試驗(yàn)壓力，應(yīng)不低于超壓保護(hù)裝置所保護(hù)的邊界內(nèi)任何部件的最低設(shè)計(jì)壓力的1.25倍，該超壓保護(hù)裝置是滿足NB-7000的要求”。

（2）主回路水壓試驗(yàn)最高壓力最高值

NB-6222規(guī)定系統(tǒng)水壓允許的最高試驗(yàn)壓力的最高值：

允許的最高試驗(yàn)壓力應(yīng)按NB-3226規(guī)定的應(yīng)力限制來確定。在多腔室部件中，相應(yīng)的相鄰腔室可同時(shí)施加壓力，以滿足這些應(yīng)力限制。

（a）如果在容器中任何點(diǎn)的計(jì)算壓力（包括靜壓頭），超過在NB-6221或NB-6321中規(guī)定試驗(yàn)壓力6%以上時(shí)，計(jì)算應(yīng)力結(jié)果應(yīng)考慮在試驗(yàn)期間可能存在的所有載荷。這種情況的應(yīng)力允許值在下面（b）和（c）中給出。

（b）對(duì)于水壓試驗(yàn)容器，總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm不應(yīng)超過試驗(yàn)溫度下屈服強(qiáng)度Sy的90%。對(duì)于氣壓試驗(yàn)容器，Pm不應(yīng)超過試驗(yàn)溫度下屈服強(qiáng)度Sy的80%。

（c）對(duì)于無論是水壓或氣壓試驗(yàn)容器，一次薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Pb不應(yīng)超過下述（1）或（2）給出的適用限制：

i.對(duì)Pm<0.67Sy，Pm+Pb<1.35Sy

ii.對(duì)0.67Sy

其中Sy是表中所列溫度下的屈服強(qiáng)度。對(duì)于不規(guī)則截面，Pm+Pb對(duì)水壓試驗(yàn)應(yīng)不超過α與0.9Sy的乘積或?qū)鈮涸囼?yàn)不超過α與0.8Sy的乘積，系數(shù)α定義為產(chǎn)生一個(gè)全塑性截面載荷設(shè)定值除以在此截面最外側(cè)產(chǎn)生起始屈服載荷設(shè)定值的比值。

（d）外壓不應(yīng)超過由NB-3133規(guī)則所確定數(shù)值的135%，或者，外部水壓試驗(yàn)的壓力最大可以達(dá)到由分析規(guī)程或試驗(yàn)規(guī)程所確定極限壓力或彈性失穩(wěn)壓力中較小值的80%，并包括允許裕量在內(nèi)。如果進(jìn)行的極限分析，應(yīng)是極限分析的下限，假設(shè)理想彈塑性材料（無應(yīng)變硬化）的屈服強(qiáng)度等于試驗(yàn)溫度下的屈服強(qiáng)度。

另ASME對(duì)于單件水壓試驗(yàn)壓力的規(guī)定同系統(tǒng)整體的要求。

4 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于水壓試驗(yàn)壓力的規(guī)定

核島設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范（GB/T 16703-1996）的規(guī)定與RCCM93、RCCM2000+2002補(bǔ)遺規(guī)定一致。

5 國(guó)內(nèi)水壓最高壓力試驗(yàn)實(shí)踐

從上表可以看出，其中1-8項(xiàng)水壓試驗(yàn)均執(zhí)行RCCM2000+2002補(bǔ)遺規(guī)定，其首次水壓試驗(yàn)最高試驗(yàn)壓力為主回路設(shè)計(jì)壓力的1.33倍，第9項(xiàng)臺(tái)山1號(hào)機(jī)組采用法國(guó)三代核電技術(shù)EPR，其首次水壓試驗(yàn)最高試驗(yàn)壓力也采用了主回路設(shè)計(jì)壓力的1.33倍。

關(guān)于美系堆型水壓試驗(yàn)，根據(jù)ASME III NB6221 要求，一回路水壓試驗(yàn)的最高試驗(yàn)壓力為不低于部件設(shè)計(jì)壓力的1.25倍，根據(jù)計(jì)算，最低值17.14MPa*1.25=21.42MPa。水壓試驗(yàn)的壓力應(yīng)比最低值高6%，通過計(jì)算，21.42MPa*1.06=22.70Mpa，所以根據(jù)規(guī)范，主回路水壓試驗(yàn)壓力范圍為21.42MPa—22.70Mpa之間。要保證主回路垂直位置最高處的壓力大于21.42Mpa，同時(shí)最垂直位置的最低處壓力也不能超過22.70MPa，AP1000主回路最高點(diǎn)與最低點(diǎn)位置差引起的壓力變化大概為0.334MPa，同時(shí)考慮儀表精度誤差等因素，主回路水壓試驗(yàn)最高壓力最終確定在21.477MPa-21.650MPa。

福清5號(hào)機(jī)組采用我國(guó)自主化第三代核電技術(shù)華龍一號(hào)，其還沒有執(zhí)行過主回路水壓試驗(yàn)，根據(jù)目前設(shè)計(jì)院出版的文件，按照RCCM2007版的規(guī)定，最高水壓試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.3倍，經(jīng)計(jì)算17.13MPa*1.3=22.3MPa.

6 各規(guī)范關(guān)于主回路最高水壓試驗(yàn)壓力保持時(shí)間的規(guī)定

關(guān)于水壓試驗(yàn)壓力平臺(tái)保持時(shí)間，RCCM系列規(guī)范沒有給出來明確的時(shí)間要求，在RCCM2000+2002補(bǔ)遺B5140及RCCM2007版B5240中規(guī)定，“各種保持壓力的保持時(shí)間（特別是試驗(yàn)壓力）應(yīng)與待檢查設(shè)備相對(duì)應(yīng)”。ASME各版本對(duì)于水壓試驗(yàn)的保持時(shí)間有明確的規(guī)定，ASME2001 IWA-5213試驗(yàn)條件的保持時(shí)間規(guī)定“除在IWA-4540要求的試驗(yàn)中，系統(tǒng)在達(dá)到試驗(yàn)壓力和溫度后，無保溫層的系統(tǒng)或設(shè)備保持10分鐘，或者，保溫的系統(tǒng)或設(shè)備保持4小時(shí)外，系統(tǒng)在達(dá)到試驗(yàn)壓力和溫度后不要求有保持時(shí)間。”ASME2004NB-6223 水壓試驗(yàn)壓力保持時(shí)間規(guī)定“在按NB-6224的要求進(jìn)行檢漏以前，水壓試驗(yàn)壓力至少應(yīng)保持10分鐘”。目前國(guó)內(nèi)一般采用ASME規(guī)范的規(guī)定，在最高壓力平臺(tái)保持10分鐘后，檢查人員開始檢查。

7 結(jié)論

通過本文的分析，RCCM、ASME及國(guó)內(nèi)規(guī)范關(guān)于壓水堆核電廠首次主回路水壓試驗(yàn)最高壓力要求是不一樣的，及時(shí)同系列的標(biāo)準(zhǔn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，不同版次的規(guī)范關(guān)于主回路水壓試驗(yàn)最高壓力的規(guī)定也有所差異。國(guó)內(nèi)可以結(jié)合眾多規(guī)范的長(zhǎng)處，適用性的開展我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。通過本文的分析及研究，希望為后續(xù)核電廠執(zhí)行首次水壓試驗(yàn)選擇最高試驗(yàn)壓力提供參考。

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