事故環(huán)境試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研究

王運(yùn)生，祝 文

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆工程研究所，四川成都 610213）

引言

核級(jí)設(shè)備事故環(huán)境試驗(yàn)[1]在核級(jí)設(shè)備可靠性中具有重要地位，尤其是在福島核事故后，各方認(rèn)識(shí)到核級(jí)設(shè)備在事故工況中和事故工況后能否正常工作關(guān)系到核動(dòng)力裝置的安危；對(duì)于部分已明確規(guī)定執(zhí)行安全功能的關(guān)鍵設(shè)備必須通過事故環(huán)境評(píng)價(jià)試驗(yàn)，檢驗(yàn)相關(guān)設(shè)備在事故工況中和事故工況后能否正常執(zhí)行安全功能。因此開展核級(jí)設(shè)備事故環(huán)境試驗(yàn)是保證核級(jí)設(shè)備事故環(huán)境下可靠運(yùn)行的保證。

民用核電領(lǐng)域，隨著我國(guó)第三代核電自主化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大量的安全級(jí)核電設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，為貫徹第三代核電更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性的路線，對(duì)核安全設(shè)備鑒定[2-3]更高的要求。我國(guó)自主研發(fā)的“華龍一號(hào)”核電機(jī)組也對(duì)國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備提出了更高的要求，可見事故環(huán)境試驗(yàn)在民用核電設(shè)備開發(fā)及設(shè)備性能評(píng)價(jià)中均具有很重要地位，通過先進(jìn)的裝置設(shè)計(jì)理念和切實(shí)可行的裝置建造工藝，可解決目前事故環(huán)境試驗(yàn)中的大多數(shù)難題。

1 裝置現(xiàn)狀

事故環(huán)境試驗(yàn)裝置屬于熱工試驗(yàn)裝置，不但設(shè)備復(fù)雜并且接口眾多，是集技術(shù)、管理和條件建設(shè)等為一體的龐大的系統(tǒng)工程。通過對(duì)國(guó)內(nèi)多個(gè)試驗(yàn)裝置的調(diào)研[4]，對(duì)目前試驗(yàn)裝置的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和分析，圖1 為電機(jī)試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)圖片，圖2 為傳感器試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖1 事故環(huán)境試驗(yàn)安裝圖片（電機(jī)）

圖2 事故環(huán)境試驗(yàn)安裝圖片（傳感器）

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展與研究的逐步深入，對(duì)試驗(yàn)容器的最高工作壓力與升降溫速率等參數(shù)都提出了更高的要求，比如以前試驗(yàn)壓力在1 MPa 左右，現(xiàn)在有些試驗(yàn)壓力的要求已經(jīng)上升至2 MPa 附近，原有的試驗(yàn)設(shè)備已不能全部滿足；由于核動(dòng)力裝置發(fā)生事故時(shí)，其配套的安全系統(tǒng)中各種設(shè)備應(yīng)立即投入運(yùn)行用于對(duì)核動(dòng)力裝置的保護(hù)，但因設(shè)備振動(dòng)與密封等眾多因素的干擾，目前大多數(shù)試驗(yàn)裝置不具備開展設(shè)備運(yùn)行工況下的事故環(huán)境試驗(yàn)的條件；現(xiàn)階段開展的事故環(huán)境試驗(yàn)件既有較小的閥門和電氣設(shè)備，也有尺寸和體積較大的泵和電氣貫穿件等，涵蓋了大中小尺寸和體積的電氣設(shè)備。當(dāng)前國(guó)內(nèi)多數(shù)試驗(yàn)裝置多是針對(duì)某一個(gè)領(lǐng)域或者某些參數(shù)的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，只能開展部分設(shè)備的事故環(huán)境試驗(yàn)，缺乏全系列的綜合性試驗(yàn)研究裝置，為進(jìn)行全方位的試驗(yàn)研究，相關(guān)的裝置需要改進(jìn)和升級(jí)。

2 問題分析

由于試驗(yàn)裝置本身缺陷或者試驗(yàn)程序不科學(xué)等諸多原因，在開展事故環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到一些具體的技術(shù)難題。比如過熱蒸汽系統(tǒng)與試驗(yàn)容器的體積配比不合理會(huì)造成試驗(yàn)時(shí)蒸汽量不夠，不得不采用較高壓力的蒸汽來代替從而在試驗(yàn)的后半段產(chǎn)生超壓的現(xiàn)象，因有些試驗(yàn)設(shè)備的外殼并不具備很高的耐壓能力，超壓帶來的后果往往會(huì)損傷設(shè)備而造成不良的后果，是需要盡量避免的。解決這種超壓?jiǎn)栴}的方法往往只能從裝置建造本身的能力入手，如果試驗(yàn)裝置已經(jīng)建設(shè)完畢，后期改善的效果大多不是很好；因早期的試驗(yàn)容器對(duì)蒸汽的注入口沒有做過太多的研究，蒸汽注入口較少且缺乏科學(xué)的注氣方式，會(huì)導(dǎo)致在試驗(yàn)開始的短暫時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)容器內(nèi)部的溫度發(fā)生分層的現(xiàn)象，使得各個(gè)位置發(fā)生溫度不均勻的情況大大增加，不利于試驗(yàn)的開展，有時(shí)甚至?xí)_(dá)不到試驗(yàn)曲線中溫度的要求從而導(dǎo)致試驗(yàn)的失敗。針對(duì)這種問題可以從改進(jìn)蒸汽的注入方式著手，科學(xué)的布置進(jìn)氣管道并在試驗(yàn)容器的不同位置設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)用以檢驗(yàn)其溫度的均勻性。

除上述之外，目前最重要的一個(gè)技術(shù)難題就是較高參數(shù)值的拉峰工況實(shí)現(xiàn)較困難，如圖3 所示在1 s內(nèi)溫度需要迅速上升至140 ℃左右，并且隨著行業(yè)不斷發(fā)展對(duì)事故環(huán)境試驗(yàn)初始時(shí)期的升溫速率會(huì)提出更嚴(yán)苛的要求，以往的試驗(yàn)裝置蒸汽參數(shù)較低且進(jìn)試驗(yàn)容器的蒸汽速度相對(duì)較慢，不能適應(yīng)今后發(fā)展的趨勢(shì)?？商岣吒邷卣羝膮?shù)并改造試驗(yàn)回路使得高參數(shù)蒸汽能夠迅速進(jìn)入試驗(yàn)容器內(nèi)，這就需要在裝置設(shè)計(jì)上采用一些創(chuàng)新的理念和科學(xué)的布置，不斷適應(yīng)更嚴(yán)苛更高要求的事故環(huán)境試驗(yàn)條件。除上述技術(shù)難題外，有些裝置還存在試驗(yàn)過程中排氣能力不足，噴淋循環(huán)水利用率不高及高溫?zé)釕B(tài)工況下補(bǔ)水困難等情況。

圖3 AP1000 的LOCA 事故下溫度曲線

3 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

事故環(huán)境試驗(yàn)裝置主要配置包括蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、試驗(yàn)回路系統(tǒng)、測(cè)量控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和鋼平臺(tái)及輔助系統(tǒng)等。蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主要功能是利用穩(wěn)壓器內(nèi)的飽和蒸汽進(jìn)行試驗(yàn)或者將飽和蒸汽噴入設(shè)置內(nèi)置電熱元件的過熱蒸汽容器中加熱至過熱狀態(tài)，以模擬事故蒸汽的高溫環(huán)境，通過設(shè)置閥門的管道使蒸汽快速進(jìn)入試驗(yàn)容器中進(jìn)行事故環(huán)境試驗(yàn)；主回路系統(tǒng)包括主回路管道及試驗(yàn)容器等組成，試驗(yàn)容器為試驗(yàn)提供必須的高溫與高壓空間?？紤]到最高工作壓力和最大溫升速率等試驗(yàn)要求日益嚴(yán)苛，應(yīng)適當(dāng)提高試驗(yàn)容器及主回路管道的壓力與溫度等主要設(shè)計(jì)參數(shù)；針對(duì)實(shí)現(xiàn)較高參數(shù)下溫度拉峰工況困難的情況，應(yīng)靠近試驗(yàn)容器布置響應(yīng)時(shí)間較快的快開閥，使蒸汽通過主回路管道迅速進(jìn)入試驗(yàn)容器中，保證溫度能夠在較短時(shí)間內(nèi)快速上升。

在試驗(yàn)裝置建設(shè)之初，在設(shè)計(jì)方案上要做全方位的創(chuàng)新考量，盡最大可能解決試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的技術(shù)難題?，F(xiàn)采用多個(gè)蒸汽管道注入的方式并適當(dāng)提高參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，示意見圖4 所示，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行RELAP5 數(shù)值建模[5]，節(jié)點(diǎn)劃分見圖5 所示。

圖4 事故環(huán)境試驗(yàn)裝置圖

圖5 事故環(huán)境試驗(yàn)裝置RELAP5 節(jié)點(diǎn)圖

數(shù)值計(jì)算分析中，穩(wěn)壓器、蒸汽過熱器與試驗(yàn)容器分別隔離，穩(wěn)壓器內(nèi)為飽和蒸汽，各容器初始條件設(shè)置見表1。計(jì)算開始后同時(shí)打開各個(gè)快開閥門將3個(gè)容器連通，穩(wěn)壓器中飽和蒸汽經(jīng)過蒸汽過熱器后與過熱蒸汽一起向試驗(yàn)容器內(nèi)供汽，計(jì)算結(jié)果見圖6 所示。

表1 各容器初始條件參數(shù)

圖6 試驗(yàn)容器內(nèi)溫度時(shí)程變化

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示：在升溫階段，多條布置的蒸汽供應(yīng)管道使得試驗(yàn)容器內(nèi)部溫度均勻性可滿足要求，試驗(yàn)容器內(nèi)溫度變化結(jié)果能夠滿足AP1000、VVER 等溫度拉升速率要求較高的三代核電堆型的環(huán)境鑒定試驗(yàn)溫升要求。為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，后期還可以采用多個(gè)蒸汽過熱器的設(shè)計(jì)方案，既可以單獨(dú)使用也可以聯(lián)合使用，多個(gè)蒸汽過熱器之間通過不銹鋼管道與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行連通，既兼顧了過熱容器使用的經(jīng)濟(jì)性，又能提供滿足壓力參數(shù)要求的試驗(yàn)蒸汽，減小了試驗(yàn)過程中超壓的風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)容器提供被試驗(yàn)件的高溫、高壓安裝空間，管道系統(tǒng)提供高溫介質(zhì)（蒸汽、水）的通道和控制其流量、啟停。試驗(yàn)容器由壓力容器、電加熱元件、噴淋裝置等部件組成，為保證裝置具備開展系列化事故環(huán)境試驗(yàn)的能力，綜合考慮現(xiàn)有試驗(yàn)條件與試驗(yàn)設(shè)備調(diào)研結(jié)果，同時(shí)達(dá)到合理利用試驗(yàn)資源并盡可能地節(jié)約有限資源，考慮建設(shè)多臺(tái)試驗(yàn)容器系列化配套使用。為更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)容器內(nèi)溫度均勻分布的目的，可在試驗(yàn)容器的不同位置上布置多個(gè)進(jìn)氣管道進(jìn)行模擬計(jì)算，選取均勻性較好的位置作為設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，完全解決溫度分層和初始溫度不均勻的技術(shù)難題。

4 建造工藝

建造大型熱工試驗(yàn)裝置包含土建、安裝、焊接及調(diào)試等各種工藝，大多數(shù)都是比較成熟的，事故環(huán)境試驗(yàn)裝置大多配套建設(shè)鋼平臺(tái)，根據(jù)設(shè)備的不同功能將設(shè)備分別放置在鋼平臺(tái)的不同樓層。除常規(guī)的建造工藝外，事故環(huán)境試驗(yàn)裝置還采用模塊化建設(shè)與設(shè)備減振工藝等新型技術(shù)。

設(shè)置在地面的設(shè)備與回路系統(tǒng)，采用鋪設(shè)地軌的形式進(jìn)行模塊化連接。因設(shè)備的基礎(chǔ)形式不同，須用相應(yīng)的轉(zhuǎn)接方式進(jìn)行安裝，將設(shè)備與地軌組合在一起。采用這種方式可以根據(jù)不同試驗(yàn)的要求對(duì)設(shè)備和回路進(jìn)行替換，不僅可以加快試驗(yàn)調(diào)試的進(jìn)度，而且在提高了場(chǎng)地使用效率的同時(shí)又降低了試驗(yàn)的成本；事故環(huán)境試驗(yàn)屬于熱沖擊試驗(yàn)，在開展高溫蒸汽試驗(yàn)時(shí)難免會(huì)有較大的振動(dòng)，由于試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)都是金屬的剛性連接，對(duì)設(shè)備和鋼平臺(tái)的安全會(huì)造成隱患，通過分析振動(dòng)產(chǎn)生的原理并進(jìn)行力學(xué)計(jì)算后，針對(duì)此情況在設(shè)備附近分散設(shè)置減振系統(tǒng)，大大減少了試驗(yàn)時(shí)熱沖擊對(duì)設(shè)備和試驗(yàn)裝置的振動(dòng)損害。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)試驗(yàn)裝置的現(xiàn)狀調(diào)研總結(jié)出目前國(guó)內(nèi)該類型試驗(yàn)裝置不足的地方，并對(duì)每個(gè)關(guān)鍵的問題從理論到應(yīng)用的角度都進(jìn)行了詳細(xì)的分析。事故環(huán)境試驗(yàn)的設(shè)計(jì)是裝置建設(shè)的核心，通過對(duì)事故環(huán)境試驗(yàn)裝置各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并采用RELAP5 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建模進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，解決了高參數(shù)下拉峰工況困難與初始溫度不均勻的技術(shù)難題；試驗(yàn)設(shè)備的系列化建設(shè)實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備綜合試驗(yàn)研究，不再受限于某種或者某類試驗(yàn)條件的限制；創(chuàng)新的采用模塊化建設(shè)與設(shè)備減振工藝，提高了試驗(yàn)裝置的利用率并減少熱沖擊帶來的振動(dòng)損害。

運(yùn)用上述創(chuàng)新的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)理念與建造工藝，并在建設(shè)過程中進(jìn)行科學(xué)和合理的管控，可保障大型事故環(huán)境試驗(yàn)裝置建設(shè)的成功。