“華龍一號(hào)”管道破裂導(dǎo)致化學(xué)介質(zhì)噴淋設(shè)備的影響分析

李 輝，張雪霜，范 黎

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

根據(jù)HAF 102—2016《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[1]要求，管道斷裂作為核電廠內(nèi)部潛在災(zāi)害之一，應(yīng)對(duì)其斷裂效應(yīng)進(jìn)行全面分析，在必要之處設(shè)置防護(hù)措施，以保護(hù)安全重要物項(xiàng)，從而保證核安全不受影響。管道斷裂后產(chǎn)生的效應(yīng)主要包括：噴射效應(yīng)、管道甩動(dòng)、水淹現(xiàn)象及其他級(jí)聯(lián)效應(yīng)。本文所研究討論的化學(xué)介質(zhì)噴淋實(shí)際屬于噴射效應(yīng)的一種。本文將對(duì)核電廠內(nèi)含有化學(xué)介質(zhì)高能流體的管道破裂后可能造成設(shè)備腐蝕的情況進(jìn)行后果影響分析，并總結(jié)出合適的方法。

1 “華龍一號(hào)”的“化學(xué)介質(zhì)噴淋”現(xiàn)狀

管道破裂引起的噴射效應(yīng)對(duì)靶的影響一般包括：機(jī)械載荷（壓力、撞擊）、熱載荷（溫度，包括適當(dāng)?shù)胤降臒釕?yīng)力和熱沖擊）、流體特性（例如電氣設(shè)備中由于液態(tài)水的導(dǎo)電而導(dǎo)致的可能短路）和化學(xué)作用（特別指噴射流體不是水的情況）。最后一項(xiàng)即指噴射介質(zhì)的酸堿化學(xué)特性可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的影響。

在“華龍一號(hào)”設(shè)計(jì)中，雖然沒有單獨(dú)針對(duì)化學(xué)介質(zhì)噴淋這種效應(yīng)進(jìn)行分析，但在對(duì)管道斷裂這種災(zāi)害的防護(hù)上，依然做了多層次的縱深防御考慮。

第1層次：采用保守性設(shè)計(jì)，盡可能減少可能導(dǎo)致內(nèi)部災(zāi)害的源項(xiàng)。

“華龍一號(hào)”首先對(duì)核電廠中一些安全重要管道采用了“破前漏”（LBB）技術(shù)、超級(jí)管道以及斷裂排除區(qū)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過特殊的制造技術(shù)及嚴(yán)格的在役檢查，從源項(xiàng)上減少了管道破裂的可能性；

第2層次：對(duì)識(shí)別出的需要進(jìn)行保護(hù)的核電廠物項(xiàng)，采用分隔或屏障等方式使其不受可能的內(nèi)部災(zāi)害的所有影響。

“華龍一號(hào)”對(duì)未特殊設(shè)計(jì)的高能管道確定了其斷裂點(diǎn)，并識(shí)別出可能受管道斷裂影響的安全重要物項(xiàng)，根據(jù)第二層次的防御要求，采用設(shè)置防甩擊件、位置或?qū)嶓w隔離、噴射屏障等方式使其不受可能的管道斷裂災(zāi)害影響。

第3層次：必要時(shí)可提升構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件本身的抗災(zāi)害能力。

由于實(shí)施困難或者實(shí)際不可行，則應(yīng)根據(jù)第三層次的防御要求，提高受影響物項(xiàng)自身的抗災(zāi)害能力，比如通過設(shè)備鑒定驗(yàn)證設(shè)備可以承受災(zāi)害的能力，進(jìn)而考慮是否需要更換設(shè)備或材料；或者對(duì)于一些電氣物項(xiàng)采用高IP等級(jí)（IP56/IP66以上的設(shè)備滿足外殼各方向強(qiáng)烈噴水無有害影響）的設(shè)備來提高其抗災(zāi)害的能力。

通過上述防護(hù)措施可見，化學(xué)介質(zhì)噴淋效應(yīng)的相關(guān)防護(hù)，很多情況下已經(jīng)通過更上層級(jí)的縱深防御設(shè)計(jì)措施得以保護(hù)。隨著“華龍一號(hào)”工程設(shè)計(jì)的施工進(jìn)展，在詳細(xì)物項(xiàng)布置時(shí)仍會(huì)存在少量的安全級(jí)設(shè)備（特別是電氣設(shè)備）可能會(huì)被管道破裂的酸性、堿性噴射流體所噴淋，且設(shè)備本身并沒有預(yù)期設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)等級(jí)，存在一定概率的失效風(fēng)險(xiǎn)。如果對(duì)這些設(shè)備均按照上述防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，會(huì)隨之帶來很多問題，比如：高數(shù)量的設(shè)置防護(hù)支架或管道防甩擊件等屏障，或是重新研發(fā)高防護(hù)等級(jí)設(shè)備以及重新進(jìn)行設(shè)備鑒定，這都將大大提高核電廠的建造成本并可能因此延長(zhǎng)工期；且某些管道或設(shè)備由于實(shí)際布置及施工情況，增設(shè)屏障或進(jìn)行隔離也存在一定困難。

2 影響分析

2.1 化學(xué)介質(zhì)噴淋分析步驟與分析思路

在設(shè)備是否能夠承受酸堿影響的分析中，本文從內(nèi)部災(zāi)害防護(hù)的角度，結(jié)合對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)影響的最小化的考量，對(duì)“華龍一號(hào)”機(jī)組的設(shè)計(jì)提出了對(duì)于酸堿介質(zhì)噴射的分析思路：

（1） 排除經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的管道，篩選出不滿足要求的源項(xiàng)（可能發(fā)生斷裂的含高能酸堿流體管道）。

（2） 篩選出在步驟 1中的管道周圍可能受影響且未設(shè)計(jì)隔離、屏障等防護(hù)措施而可能受酸堿流體直接噴淋的設(shè)備，進(jìn)行第 3步分析。此步驟中還應(yīng)排除機(jī)械設(shè)備，原因?yàn)?4 h的酸堿介質(zhì)噴淋不會(huì)對(duì)其造成危害。

（3） 篩選出步驟 2中本身不具抗災(zāi)害能力的受影響設(shè)備?？s小范圍后，進(jìn)行第4步分析。

（4） 根據(jù)內(nèi)部災(zāi)害驗(yàn)收準(zhǔn)則，保守分析可能被噴淋到的設(shè)備失效（功能失效、誤信號(hào)、故障模式等）是否會(huì)影響對(duì)該管道破裂事故的緩解進(jìn)程，甚至是否會(huì)引發(fā)其他事故工況。進(jìn)而判斷是否增設(shè)防護(hù)措施。

本研究的重點(diǎn)就在于上述第4步的分析，即縱深防御三層依然沒有防住，且可能導(dǎo)致安全級(jí)設(shè)備失效的后果分析。按照CP03T0045《內(nèi)部災(zāi)害防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[2]的驗(yàn)收準(zhǔn)則要求，認(rèn)可設(shè)備失效評(píng)價(jià)可退防到第三個(gè)縱深防御層次。當(dāng)安全級(jí)物項(xiàng)失效時(shí)，結(jié)合該災(zāi)害引發(fā)的具體工況及相應(yīng)投入的緩解措施，并結(jié)合單一故障準(zhǔn)則來判斷，該設(shè)備的失效后果是否可以接受。如果滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則的相關(guān)要求，認(rèn)可該設(shè)備允許失效，則不需要增設(shè)相應(yīng)的防護(hù)措施。這樣一來，可以僅針對(duì)少量不允許失效設(shè)備的具體布置及設(shè)計(jì)情況，選擇一種最合適的防護(hù)手段進(jìn)行增設(shè)即可，從而能夠大大降低額外的設(shè)備升級(jí)采購(gòu)或防護(hù)設(shè)施設(shè)置成本。

2.2 受管道破裂或斷裂影響的安全重要設(shè)備清單梳理

首先，從布置上對(duì)核電廠的安全重要物項(xiàng)進(jìn)行了梳理，形成了安全重要物項(xiàng)清單，其中包含 570多個(gè)設(shè)備。結(jié)合三維模型輸出判斷包含酸堿介質(zhì)的管道所經(jīng)過的房間是否存在安全重要物項(xiàng)，得出了酸堿介質(zhì)管道穿行房間的安全重要物項(xiàng)清單，其中包含250多個(gè)安全重要物項(xiàng)。后根據(jù)力學(xué)專業(yè)提供的管道裂紋點(diǎn)和破裂點(diǎn)的位置，對(duì)上述250多個(gè)物項(xiàng)進(jìn)行逐一篩選，確定管道破裂點(diǎn)周圍是否存在安全重要物項(xiàng)，最終得到在酸堿介質(zhì)管道破裂點(diǎn)的噴射范圍內(nèi)存在98個(gè)安全重要物項(xiàng)。通過鑒定、查證IP等級(jí)等措施，排除了61個(gè)設(shè)備。最終整理出37個(gè)設(shè)備沒有有效的防護(hù)措施、受酸堿介質(zhì)噴射影響的安全重要物項(xiàng)清單。

2.3 化學(xué)介質(zhì)噴淋設(shè)備是否允許失效分析

根據(jù)2.1節(jié)的方法，針對(duì)篩選出的37個(gè)防護(hù)等級(jí)不足的設(shè)備，結(jié)合《內(nèi)部災(zāi)害防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》的要求逐一進(jìn)行了是否允許設(shè)備失效的分析。下面舉例說明在分析中是如何運(yùn)用驗(yàn)收準(zhǔn)則對(duì)設(shè)備是否允許失效進(jìn)行判斷的。

（1） 被噴淋設(shè)備允許失效

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（WCC）中/5WCC0045-323.8管道為波動(dòng)箱下游至A列兩臺(tái)WCC泵的母管（見圖 1）?？赡苁芷淦屏延绊懙脑O(shè)備為WCC壓力傳感器001SP，其作用是在運(yùn)行中的WCC泵出現(xiàn)故障或偶然停運(yùn)的情況下（出現(xiàn)低壓信號(hào)）切換至同系列另一臺(tái)泵。若此管道發(fā)生破裂，泄漏量可由波動(dòng)箱、核島除鹽水分配系統(tǒng)（WND）或核島消防水分配系統(tǒng)（FWD）補(bǔ)水得到補(bǔ)償，WCC的A系列可以維持正常運(yùn)行。此時(shí)不要求 001SP執(zhí)行其安全功能；若001SP產(chǎn)生誤信號(hào)，啟動(dòng)了同系列另一臺(tái)泵也不會(huì)影響安全功能的實(shí)現(xiàn)。如果管道破口不能被補(bǔ)償，則根據(jù)波動(dòng)箱事故液位信號(hào)閉鎖 A/B列之間的切換，由于001SP只用于啟動(dòng)同系列泵，故其失效與否對(duì)事故處理無影響。

圖1 WCC系統(tǒng)管道影響其壓力傳感器Fig.1 WCC system pipeline affecting its pressure sensor

通過事故進(jìn)程的分析，首先 WCC管道破裂本身不構(gòu)成Ⅱ類或以上事故工況，又因系統(tǒng)為 2 × 100%冗余系列配置，切換另一系列能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，屬于驗(yàn)收準(zhǔn)則中“獨(dú)立于Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ類工況”的內(nèi)部災(zāi)害。且如果造成負(fù)責(zé)同系列切換的壓力傳感器001SP失效，對(duì)冗余的安全系列切換不會(huì)造成影響，即“不會(huì)引發(fā)Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ類工況或設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況”。因此根據(jù)內(nèi)部災(zāi)害驗(yàn)收準(zhǔn)則要求，認(rèn)為此傳感器允許失效，不必進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

（2） 被噴淋設(shè)備不允許失效

在WCC系統(tǒng)中，WCC系統(tǒng)的/5WCC0320-73.0管道位于公用環(huán)路RNS的上游，為核取樣系統(tǒng)（RNS）熱交換器提供冷卻水（見圖2）?？赡苁芷淦屏延绊懙脑O(shè)備是 WCC的一個(gè)壓力控制器 026SP。026SP為探測(cè)重要廠用水系統(tǒng)（WES）B列泵出口壓力的開關(guān)，當(dāng)其低壓信號(hào)比正常備用時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，證明WES的B列喪失，則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)A列，同時(shí)導(dǎo)致相應(yīng)的WCC系統(tǒng)A列自動(dòng)切換。管道破裂后分兩種情況進(jìn)行分析：

1）若該 WCC管道破裂、泄漏量可由波動(dòng)箱、WND或 FWD補(bǔ)水得到補(bǔ)償，該列可以維持正常運(yùn)行。此時(shí)，如果造成026SP發(fā)出誤信號(hào)，導(dǎo)致WES由B列向A列切換，則WCC相應(yīng)地向A列切換，WCC仍維持正常運(yùn)行。此時(shí)根據(jù)驗(yàn)收準(zhǔn)則3.1.1節(jié)描述，“獨(dú)立于Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ類工況”的內(nèi)部災(zāi)害沒有引發(fā)更嚴(yán)重事故，因此認(rèn)為此壓力控制器可允許失效。

2）若該WCC管道破裂，且泄漏量無法由WND或FWD補(bǔ)償。則在運(yùn)系列的波動(dòng)箱會(huì)發(fā)出“事故液位”信號(hào)，同時(shí)保守考慮 WCC管道破裂導(dǎo)致026SP誤信號(hào)立即發(fā)出。

圖2 WCC系統(tǒng)管道影響WES系統(tǒng)壓力控制器Fig.2 Influence of WCC system pipeline on WES system pressure controller

如果026SP誤信號(hào)的發(fā)出早于波動(dòng)箱“事故液位”信號(hào)，則WCC由B列切換至A列，A列與公用環(huán)路的隔離閥打開（故障列與公用列間隔離閥的關(guān)閉操作由75 s后的報(bào)警信號(hào)提示，由操縱員在IIC手動(dòng)操作關(guān)閉），兩個(gè)安全列均與公用系列相通，盡管“事故液位”信號(hào)隨后發(fā)出，但該信號(hào)只自動(dòng)閉鎖列間切換，并不自動(dòng)關(guān)閉已經(jīng)打開的列間隔離閥，因此，考慮操縱員手動(dòng)操作的遲滯（對(duì)于內(nèi)部災(zāi)害分析至少 30 min），一旦出現(xiàn)該最不利情況，兩列WCC可能面臨短期全部排空風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)上述分析得知，此管道破裂后，若026SP誤信號(hào)發(fā)出早于波動(dòng)箱“事故液位”信號(hào)，則會(huì)導(dǎo)致 WCC兩列冗余的安全系列短期全部排空的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)驗(yàn)收準(zhǔn)則要求，兩列冗余的安全系列均失效是不可接受的，因此，認(rèn)為此壓力控制器不允許失效，需要設(shè)計(jì)防護(hù)支架對(duì)此壓力控制器進(jìn)行保護(hù)。

3 結(jié)論

本文遵循以縱深防御原則和內(nèi)部災(zāi)害驗(yàn)收準(zhǔn)則提出的化學(xué)介質(zhì)噴淋導(dǎo)致設(shè)備失效的分析方法，對(duì)受到酸堿腐蝕后可能失效的37個(gè)設(shè)備進(jìn)行了失效后果分析。通過后果分析，在37個(gè)可能失效的設(shè)備中，有34個(gè)是可以允許其失效的（如核島消防系統(tǒng)/核取樣系統(tǒng)/蒸發(fā)器排污系統(tǒng)閥門、柜間通風(fēng)系統(tǒng)儀表、廠用水壓力傳感器等），不需要額外通過防甩件、防護(hù)支架、升級(jí)設(shè)備防護(hù)等級(jí)、重新設(shè)計(jì)增補(bǔ)K1鑒定等方式來增設(shè)防護(hù)措施；僅有的3個(gè)不允許失效的電氣設(shè)備，綜合經(jīng)濟(jì)性、可實(shí)施性等因素考量，通過在破裂點(diǎn)和設(shè)備之間設(shè)置防護(hù)支架，用以阻擋噴射流的直接沖擊，在滿足安全要求和保證工程進(jìn)度的條件下減少了設(shè)計(jì)變更，提高了經(jīng)濟(jì)性。

本文僅結(jié)合含有酸堿介質(zhì)的高能流體系統(tǒng)，并給出了完善的分析流程和有益的分析結(jié)果。而且，鑒于目前在我方設(shè)計(jì)的管道破裂防護(hù)中，首選斷裂排除、破裂點(diǎn)防甩件等從源項(xiàng)上進(jìn)行防護(hù)的設(shè)計(jì)方案，但實(shí)際上存在很大的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間，即可以將防御層次后撤，分析其后果是否會(huì)影響到安全級(jí)物項(xiàng)甚是安全級(jí)物項(xiàng)的失效能否接受，從而可能會(huì)大大減少防甩件的設(shè)計(jì)。由此，通過綜合判斷后采取更合適的防護(hù)措施或分析方法，從而能夠進(jìn)一步提高電廠的經(jīng)濟(jì)性。

此外，本研究的分析流程和實(shí)踐也給核電廠內(nèi)部災(zāi)害的防護(hù)設(shè)計(jì)提供了一套可實(shí)施的方法和參考。比如，在內(nèi)部飛射物造成的物項(xiàng)失效分析中也可采用該思路方法進(jìn)行后續(xù)工作，從而減少飛射物屏障或其他防護(hù)的設(shè)計(jì)。