AP1000堆芯補(bǔ)水箱硼化補(bǔ)水對(duì)平衡管疲勞影響的評(píng)估

莊亞平，戴 翔，李帥帥

(山東核電有限公司，山東海陽(yáng) 265116)

0 引言

管道彎頭、低速流體的水平管段、三通等部位在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)熱沖擊、熱分層、熱振蕩等現(xiàn)象，尤其是如果管道溫度反復(fù)發(fā)生變化，材料會(huì)交替出現(xiàn)膨脹、收縮，導(dǎo)致不同方向熱應(yīng)力交替作用于材料上，從而產(chǎn)生管道熱疲勞現(xiàn)象[1-3]，這是引起核電機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備失效的主要因素之一。因此，核電機(jī)組設(shè)計(jì)階段對(duì)核一級(jí)管道進(jìn)行了疲勞評(píng)價(jià)，普遍做法是對(duì)部件預(yù)期經(jīng)歷的各類預(yù)期瞬態(tài)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和瞬態(tài)組合[4]，論證其在整個(gè)核電站設(shè)計(jì)壽期內(nèi)累積使用因子(CUF)小于1。

AP1000作為第三代非能動(dòng)安全核電機(jī)組，缺少可參考的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的堆芯補(bǔ)水箱(CMT)安注子系統(tǒng)在運(yùn)行期間出現(xiàn)了取樣硼濃度下降，低于技術(shù)規(guī)格書的要求，需要頻繁補(bǔ)高濃度硼水的情況，補(bǔ)水瞬態(tài)引起累積使用因子增加過(guò)快，根據(jù)補(bǔ)水頻率，CMT入口三通將不滿足設(shè)計(jì)壽命要求。WANG等[5]對(duì)硼稀釋的原因進(jìn)行了分析，補(bǔ)水造成CMT內(nèi)低溫水溢出進(jìn)入入口平衡管，產(chǎn)生熱分層現(xiàn)象；陳曉飛等[6]通過(guò)在某核電廠堆芯補(bǔ)水箱補(bǔ)水管周圍加裝溫度傳感器的方法，對(duì)熱分層情況進(jìn)行了調(diào)查。基于運(yùn)行期間的測(cè)試數(shù)據(jù)，核電廠采取了降低取樣口位置的優(yōu)化改進(jìn)措施，本文基于疲勞監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)對(duì)CMT入口管疲勞狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的效果進(jìn)行評(píng)估。

1 堆芯補(bǔ)水箱入口管疲勞設(shè)計(jì)評(píng)估

1.1 布置

CMT是AP1000核電機(jī)組非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，每個(gè)機(jī)組2臺(tái)CMT，每臺(tái)CMT的進(jìn)口管接反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)二環(huán)路的冷段(CL)，出口管接到壓力容器的直接安注接管嘴。CMT為帶有半球形上下封頭的立式圓筒形碳鋼容器，內(nèi)壁堆焊不銹鋼，外部沒(méi)有安裝保溫層，與安全殼環(huán)境溫度一致。CMT位于安全殼內(nèi)稍高于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)環(huán)路標(biāo)高的位置，內(nèi)部貯有高濃度硼水。

圖1 CMT布置示意Fig.1 Layout diagram of CMTs

CMT入口與二環(huán)路冷段相連的管線為壓力平衡管線。平衡管接自冷段上方，垂直上升一段后，一路傾斜向上，接到CMT上方入口接管嘴。CMT入口為一個(gè)三通結(jié)構(gòu)，直通段垂直安裝，一端焊接到CMT入口接管嘴，另一端焊接球形端口并連接排汽管，用于系統(tǒng)排汽；支管通過(guò)焊接與平衡管連接。平衡管中部設(shè)一個(gè)隔離閥，正常運(yùn)行期間隔離閥常開，以維持CMT壓力和RCS壓力一致，防止CMT注射開始時(shí)發(fā)生水錘。閥后設(shè)一個(gè)溫度儀表，溫度表TE001/TE002分別位于A列和B列入口管上，用于監(jiān)測(cè)平衡管的溫度，為主控室提供低溫報(bào)警信號(hào)。壓力平衡管和三通為不銹鋼材質(zhì)，外部設(shè)置保溫層，保持平衡管內(nèi)熱水溫度，以保證與CMT內(nèi)冷水之間形成密度差，從而確保自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力。CMT布置如圖1所示。

1.2 疲勞分析

機(jī)組正常運(yùn)行期間，CMT與一回路相通，系統(tǒng)設(shè)備承受一回路壓力瞬態(tài)，以及本系統(tǒng)復(fù)雜的熱瞬態(tài)。設(shè)計(jì)瞬態(tài)通常給出機(jī)組正常運(yùn)行或各類假想瞬態(tài)工況下的載荷時(shí)程信息(包括流體溫度、流量、內(nèi)壓等)?；谠O(shè)計(jì)準(zhǔn)則、工程判斷和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)階段識(shí)別出CMT的設(shè)計(jì)瞬態(tài)種類、每種瞬態(tài)保守估計(jì)的發(fā)生次數(shù)，并按照ASME規(guī)范分析評(píng)估出CMT入口管壽期內(nèi)累積使用因子。設(shè)計(jì)瞬態(tài)清單中識(shí)別了CMT或與其連接的閥門可能出現(xiàn)泄漏，預(yù)期壽期內(nèi)少于30次。然而，沒(méi)有將補(bǔ)水考慮在瞬態(tài)內(nèi)，因而累積疲勞使用因子中未包括補(bǔ)水對(duì)疲勞的貢獻(xiàn)。

2 考慮補(bǔ)水瞬態(tài)的設(shè)計(jì)瞬態(tài)評(píng)估

2.1 硼稀釋現(xiàn)象

根據(jù)運(yùn)行規(guī)程，為保證并監(jiān)測(cè)CMT的硼濃度始終保持在技術(shù)規(guī)格書要求的范圍內(nèi)，至少每7天就要對(duì)CMT 補(bǔ)水箱硼濃度進(jìn)行取樣化驗(yàn)，確認(rèn)每個(gè)CMT的硼濃度在3.4×10-3～3.7×10-3之間。每個(gè)CMT有上下兩個(gè)取樣口，設(shè)計(jì)上僅使用上部取樣數(shù)據(jù)保守代表整個(gè)CMT的硼濃度，一旦數(shù)據(jù)存在不確定性，則采用下部取樣數(shù)據(jù)對(duì)CMT平均硼濃度進(jìn)行確認(rèn)。某機(jī)組商運(yùn)后發(fā)現(xiàn)，CMT取樣值低于要求值的間隔短，曾連續(xù)14天對(duì)CMT取樣，上部取樣點(diǎn)的硼濃度持續(xù)下降，硼濃度變化見圖2。

圖2 取樣數(shù)據(jù)Fig.2 Sampling data

2.2 熱分層

熱分層現(xiàn)象的發(fā)生取決于浮力與流體慣性力的比值，其主要條件：有一段水平或近似水平的管段；流體有顯著的溫差；流體流動(dòng)速度應(yīng)足夠低[7]。

主管道內(nèi)流體的流速很高,平衡管接管嘴處存在較強(qiáng)的渦流,致使部分流體因流向發(fā)生改變進(jìn)入平衡管。研究表明，渦流只作用在該豎直管段內(nèi)[8]，豎直段內(nèi)管道軸向出現(xiàn)明顯的溫度梯度，彎管至CMT入口三通管道溫度梯度很小，并且管道內(nèi)沒(méi)有明顯的熱分層現(xiàn)象。CMT的溫度與安全殼環(huán)境溫度一致，三通至CMT入口接管的豎直管段有明顯的軸向分層，但不會(huì)產(chǎn)生不利的總體彎曲載荷。補(bǔ)水開始后，當(dāng)冷流體到達(dá)三通支管高度時(shí)，涌入支管和水平段平衡管。由于補(bǔ)水的速度低，冷熱流體間缺少攪動(dòng)，冷流體溫度低、密度大，占據(jù)水平段管道截面的下部，平衡管內(nèi)原來(lái)的流體因溫度高占據(jù)上部，因此，三通處是補(bǔ)水時(shí)產(chǎn)生熱分層現(xiàn)象最嚴(yán)重的部位。

圖3 臨時(shí)儀表位置示意Fig.3 Location diagram of temporary instrument

圖4 平衡管上下部溫差變化曲線Fig.4 Temperature change curve of top and bottomof the balance line

為證實(shí)和測(cè)量平衡管熱分層程度，某機(jī)組在CMT平衡管與三通連接的水平管的外壁表面上下部安裝臨時(shí)溫度表(見圖3)，在功率運(yùn)行工況沒(méi)有補(bǔ)水時(shí)，臨時(shí)測(cè)量?jī)x表溫度在190 ℃左右，平衡管上的溫度表TE001/TE002溫度在214 ℃左右；兩次補(bǔ)水過(guò)程中，臨時(shí)溫度表測(cè)量的上下部溫差變化如圖4所示，補(bǔ)水開始后,管外壁的上下部溫差增大，最大約130 ℃，出現(xiàn)在15 min左右，表明平衡管出現(xiàn)顯著的熱分層。

2.3 補(bǔ)水熱疲勞分析

補(bǔ)水過(guò)程中，在平衡管內(nèi)形成冷熱流體分層現(xiàn)象，引發(fā)熱分層和溫度振蕩，增加了管道疲勞使用因子。雖然設(shè)計(jì)階段識(shí)別出CMT可能出現(xiàn)泄漏，但沒(méi)有考慮補(bǔ)水工況并將其列入設(shè)計(jì)瞬態(tài)清單，因而累積使用因子中未包括補(bǔ)水對(duì)疲勞的貢獻(xiàn)。

基于新增加的設(shè)計(jì)瞬態(tài)，更新了CMT入口三通及平衡管疲勞分析。在疲勞評(píng)定時(shí)，首先選取部件設(shè)計(jì)計(jì)算中累計(jì)疲勞利用系數(shù)最大的位置進(jìn)行評(píng)定，而不再評(píng)定原設(shè)計(jì)計(jì)算中已經(jīng)評(píng)定且疲勞利用系數(shù)比較小的點(diǎn)。計(jì)算表明，熱分層溫差150 ℃，可接受300次補(bǔ)水瞬態(tài)。

3 改進(jìn)措施與疲勞評(píng)估

3.1 硼稀釋原因

當(dāng)對(duì)CMT硼濃度取樣后，一回路低硼濃度的水經(jīng)過(guò)平衡管流向CMT補(bǔ)償取樣損失，在CMT上部進(jìn)水管嘴周圍形成低硼濃度區(qū)。隨著反應(yīng)堆的運(yùn)行，一回路的硼濃度將逐漸下降，在壽期末更加明顯。CMT除了與一回路連接的出入口接管外，還有2個(gè)分別位于進(jìn)水口和排水口附近的取樣口、1個(gè)位于CMT中部的補(bǔ)水接口。這些接口管道上的閥門的內(nèi)漏是不能完全避免的，泄漏的溶液也由一回路溶液替代。CMT上部取樣口靠近入口管嘴，由平衡管進(jìn)入的一回路低硼水替代CMT取樣損失，并且由于湍流強(qiáng)度小，在入口管嘴附近形成低硼濃度區(qū)，導(dǎo)致后續(xù)取樣結(jié)果低于CMT整體硼濃度值，頻繁出現(xiàn)不滿足技術(shù)規(guī)格書要求的情況。文獻(xiàn)[5]對(duì)于正常運(yùn)行工況硼稀釋進(jìn)行CFD研究，顯示CMT內(nèi)呈現(xiàn)硼濃度分層現(xiàn)象。

3.2 采取的措施

由于補(bǔ)水瞬態(tài)對(duì)CMT平衡管產(chǎn)生較大的溫度沖擊和不利的熱分層影響，增加了累積疲勞損傷。為緩解補(bǔ)水瞬態(tài)導(dǎo)致平衡管疲勞增加的情況，除采取措施減小系統(tǒng)的泄漏之外，還采取以下措施：(1)將CMT的硼濃度上限提高至4.5×10-3，控制目標(biāo)濃度為3.9×10-3；(2)將上部取樣口的位置降低，使取樣更能代表CMT整體硼濃度，取樣口高度以上的體積占總?cè)莘e25%。

在壽期末，一回路硼濃度接近5×10-6～1.0×10-5，CMT內(nèi)硼濃度梯度作為輸入保守計(jì)算，平均濃度遠(yuǎn)大于3.4×10-3。提高硼濃度后，補(bǔ)水的頻率顯著降低，但一個(gè)燃料循環(huán)內(nèi)仍然需要多次進(jìn)行硼化補(bǔ)水，變更取樣位置后，一個(gè)燃料循環(huán)基本不需要補(bǔ)水。

3.3 疲勞監(jiān)測(cè)評(píng)估

早先設(shè)計(jì)規(guī)范所依據(jù)的材料疲勞試驗(yàn)均在空氣環(huán)境中進(jìn)行，未考慮介質(zhì)對(duì)疲勞失效的影響。大量最新的材料試驗(yàn)結(jié)果表明，冷卻劑環(huán)境因素也削弱部件抗疲勞性能。設(shè)計(jì)階段使用考慮環(huán)境影響的疲勞設(shè)計(jì)曲線將會(huì)過(guò)于保守，導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法滿足ASME規(guī)范中關(guān)于疲勞的限值要求。設(shè)計(jì)瞬態(tài)與真實(shí)瞬態(tài)存在差異，因此很難在設(shè)計(jì)階段得出既準(zhǔn)確又包絡(luò)所有瞬態(tài)的疲勞設(shè)計(jì)曲線。通用的做法是機(jī)組安裝疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)分布式控制系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，對(duì)部件的累積使用因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)水熱分層現(xiàn)象后，根據(jù)熱疲勞產(chǎn)生的原因，在疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)置了CMT平衡管測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的收集、評(píng)估，同時(shí)給出了未考慮水環(huán)境影響的CUF和考慮了水環(huán)境影響的CUF。圖5，6分別示出CMTA，B入口處平衡管的CUF狀態(tài)。

圖5 CMT A入口平衡管CUFFig.5 CUF of balance line at inlet A of CMT

補(bǔ)水口位于CMT中部，補(bǔ)水過(guò)程中CMT中的常溫水被排擠到平衡管內(nèi)，導(dǎo)致平衡管溫度監(jiān)測(cè)儀表TE001/TE002讀數(shù)顯著降低。正常運(yùn)行期間,主回路溫度沒(méi)有降低情況下，TE001/TE002溫度降低標(biāo)志一次補(bǔ)水。第一個(gè)循環(huán)(2018年10月～2020年2月)初期疲勞因子增加顯著，提高硼濃度上限后，增速放緩，但仍有顯著增加，降低取樣口位置后，一個(gè)循環(huán)內(nèi)沒(méi)有補(bǔ)水，疲勞因子幾乎沒(méi)有增加，可見補(bǔ)水瞬態(tài)是正常運(yùn)行下入口管疲勞的主要貢獻(xiàn)因素。同時(shí)，也表明采取的措施是有效的，對(duì)后續(xù)AP系列機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行有指導(dǎo)意義。

圖6 CMT B入口平衡管CUFFig.6 CUF of balance line at inlet B of CMT

對(duì)比圖5,6可以發(fā)現(xiàn)，CMTB的CUF明顯高于CMTA，這是由于兩列平衡管的長(zhǎng)度和布置存在差異，建議后續(xù)機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化B列平衡管布置。

4 結(jié)語(yǔ)

核電機(jī)組設(shè)計(jì)瞬態(tài)及其發(fā)生次數(shù)在很大程度上基于工程判斷和經(jīng)驗(yàn)，采用新理念設(shè)計(jì)的核電機(jī)組在設(shè)計(jì)階段無(wú)法全面考慮可能出現(xiàn)的熱瞬態(tài)，實(shí)際瞬態(tài)工況可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)未涵蓋的瞬態(tài)。核電站管道熱疲勞問(wèn)題主要來(lái)源于設(shè)計(jì)的缺陷，采用疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際瞬態(tài)的監(jiān)測(cè)不只是監(jiān)測(cè)了系統(tǒng)部件的累積疲勞損傷情況，還為核電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及其優(yōu)化提供有指導(dǎo)意義的參考數(shù)據(jù)。

通過(guò)疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，CMT經(jīng)歷了幾十次補(bǔ)水，造成了較大的疲勞損傷。此外，由于兩列CMT平衡管管道布置的差別，補(bǔ)硼水瞬態(tài)對(duì)B列造成更大的影響，因此B列的疲勞值比A列的疲勞值大很多。取樣口位置降低后未出現(xiàn)補(bǔ)水瞬態(tài)，因此對(duì)應(yīng)的CUF增量也已經(jīng)降低，預(yù)計(jì)后續(xù)即使考慮水環(huán)境影響，CUF也不會(huì)超使用限值。