美國壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管完整性要求探析

向群，官益豪，涂智雄，劉江龍

（三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

1 介紹

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠，反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的重要組成部分，其傳熱面積可占反應(yīng)堆冷卻劑壓邊界總面積的50%以上。因此，蒸汽發(fā)生器傳熱管是防止放射性裂變產(chǎn)物釋放到環(huán)境中的主要屏障。其完整性對(duì)反應(yīng)堆的運(yùn)行安全及環(huán)境安全至關(guān)重要。在美國，傳熱管完整性要求是基于性能制定的，它包含在每個(gè)機(jī)組的技術(shù)規(guī)格書中。盡管近年來蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行相關(guān)要求有所提高，但傳熱管完整性問題仍然存在。本文總結(jié)了針對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管完整性的監(jiān)管機(jī)制。

2 背景

美國核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管材料根據(jù)材質(zhì)和熱處理方式有三種類型：Alloy600MA、Alloy600TT和Alloy690TT。早期的蒸汽發(fā)生器傳熱管通常使用Alloy600MA，將傳熱管在熔爐內(nèi)進(jìn)行退火，以增強(qiáng)材料的耐腐蝕性。第二代蒸汽發(fā)生器傳熱管使用Alloy600TT，熱處理工藝進(jìn)一步提高了傳熱管的耐腐蝕性。第三代傳熱管采用Alloy690TT。這種材料被認(rèn)為比其他材料更耐腐蝕，是目前美國蒸汽發(fā)生器傳熱管的首選材料。

3 法規(guī)要求

根據(jù)美國聯(lián)邦法規(guī)，所有核電廠都須嚴(yán)格遵守技術(shù)規(guī)格書，在美國，所有壓水堆電廠技術(shù)規(guī)格書中涉及蒸汽發(fā)生器傳熱管完整性的要求都是類似的。技術(shù)規(guī)格書要求制定蒸汽發(fā)生器大綱，以確保核電廠蒸發(fā)器傳熱管在兩次檢查之間的運(yùn)行間隔內(nèi)是完整的。技術(shù)規(guī)格書通過建立性能準(zhǔn)則定義了構(gòu)成傳熱管完整性的要素，同時(shí)要求監(jiān)測(cè)一次側(cè)至二次側(cè)的泄漏率，定期對(duì)傳熱管進(jìn)行檢查，根據(jù)性能準(zhǔn)則評(píng)估傳熱管的狀況，并建立傳熱管堵管準(zhǔn)則。技術(shù)規(guī)格書中的要求制定基礎(chǔ)主要以性能為依據(jù)。

3.1 性能準(zhǔn)則

技術(shù)規(guī)格書的要求基于設(shè)備性能，它規(guī)定了確保傳熱管具有足夠完整性的性能準(zhǔn)則，而沒有規(guī)定如何達(dá)到這些準(zhǔn)則的細(xì)節(jié)。蒸汽發(fā)生器有三個(gè)性能準(zhǔn)則：結(jié)構(gòu)完整性、事故引起泄漏和運(yùn)行泄漏。當(dāng)滿足上述三個(gè)準(zhǔn)則時(shí)，就認(rèn)為蒸汽發(fā)生器傳熱管的完整性得到保證，且只有在傳熱管完整性得到保證時(shí)，蒸汽發(fā)生器才能繼續(xù)運(yùn)行。結(jié)構(gòu)完整性和事故引起的泄漏性能準(zhǔn)則是基于電廠的設(shè)計(jì)要求和許可證制定。美國核管理委員會(huì)（NRC）的運(yùn)行泄漏性能準(zhǔn)則是建立在工程判斷的基礎(chǔ)上，考慮到避免不必要的電廠停堆，同時(shí)考慮到超過結(jié)構(gòu)完整性性能準(zhǔn)則的概率。

（1）結(jié)構(gòu)完整性性能準(zhǔn)則。結(jié)構(gòu)完整性性能準(zhǔn)則要求為，在電廠正常運(yùn)行、瞬態(tài)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（包括事故組合）期間，應(yīng)保持防止傳熱管爆破和坍塌的裕度。美國核管理委員會(huì)根據(jù)美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）等設(shè)計(jì)規(guī)范制定了這些準(zhǔn)則。具體要求如下。所有在役蒸汽發(fā)生器傳熱管，應(yīng)在所有正常運(yùn)行條件范圍內(nèi)保持結(jié)構(gòu)完整性，包括啟動(dòng)、功率運(yùn)行、熱備用和冷卻以及設(shè)計(jì)規(guī)格書中包含的所有預(yù)期瞬態(tài)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。即在正常穩(wěn)態(tài)滿功率運(yùn)行的一次側(cè)與二次側(cè)壓差下，保持3.0的防止爆破安全系數(shù)，以及在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的一次側(cè)與二次側(cè)壓差下，保持1.4的防止爆破安全系數(shù)。除上述要求外，還應(yīng)評(píng)估與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故相關(guān)的附加荷載條件，或根據(jù)設(shè)計(jì)和許可證基礎(chǔ)事故組合，以確定相關(guān)荷載是否對(duì)爆破或坍塌有顯著貢獻(xiàn)。

（2）事故引起的泄漏準(zhǔn)則。事故引起的泄漏性能準(zhǔn)則要求將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（傳熱管破裂除外）期間可能發(fā)生的一次側(cè)至二次側(cè)泄漏量限值，作為機(jī)組許可證基礎(chǔ)的一部分進(jìn)行評(píng)估。因此，要證明符合事故引起的泄漏性能準(zhǔn)則，需要計(jì)算各種設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故期間的預(yù)期泄漏量。計(jì)算的泄漏量必須小于事故分析中假設(shè)的泄漏量。制定這些特定的許可證基礎(chǔ)依據(jù)是在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后，相關(guān)的輻射后果符合（1）聯(lián)邦法規(guī)10 CFR Part100“反應(yīng)堆場(chǎng)址準(zhǔn)則”中的“場(chǎng)外劑量”，和（2）10 CFR Part50附錄A“核電廠的一般設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”中的“國內(nèi)生產(chǎn)和使用設(shè)施的許可”，通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則19中“主控室”的限值。要求如下。除蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂外，任何設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故引發(fā)的一次側(cè)至二次側(cè)泄漏率不得超過最終分析報(bào)告事故分析中假設(shè)的所有蒸汽發(fā)生器總泄漏率和單個(gè)蒸汽發(fā)生器泄漏率限值。每臺(tái)蒸汽發(fā)生器的泄漏率不得超過1加侖/分鐘（1gpm）。

（3）運(yùn)行泄漏準(zhǔn)則。運(yùn)行泄漏性能準(zhǔn)則要求每個(gè)蒸汽發(fā)生器的泄漏量限制為每天150加侖。盡管該準(zhǔn)則不能確保傳熱管的完整性，但它在限制傳熱管破裂概率和間接提供傳熱管結(jié)構(gòu)完整性和事故引起的泄漏完整性的指標(biāo)方面是有效的。

3.2 泄漏監(jiān)測(cè)

技術(shù)規(guī)格書要求許可證持有人在電廠運(yùn)行期間監(jiān)測(cè)一次側(cè)至二次側(cè)的泄漏。技術(shù)規(guī)格書是基于性能的，因?yàn)樗鼪]有規(guī)定如何監(jiān)測(cè)這種泄漏。相關(guān)要求是，許可證持有人必須至少每72h監(jiān)測(cè)一次泄漏。

3.3 傳熱管檢查

技術(shù)規(guī)格書中的蒸汽發(fā)生器檢查要求包含基于性能的和規(guī)定性的要求。從基于性能的角度來看，許可證持有人需要評(píng)估傳熱管可能發(fā)生的缺陷類型和位置，確定的檢查方法、范圍和檢查間隔，必須足以確保在下次檢查之前保持傳熱管完整性。要求如下。

檢查傳熱管的數(shù)量和部位以及檢查方法，應(yīng)旨在檢測(cè)沿傳熱管長(zhǎng)度方向，從傳熱管入口與管板焊縫至傳熱管出口與管板焊縫之間，可能存在的任何類型的缺陷（例如，體積缺陷、軸向和周向裂紋）。傳熱管與管板的焊縫不是傳熱管的一部分。除滿足以下（1）、（2）和（3）的要求外，檢查范圍、檢查方法和檢查間隔應(yīng)確保蒸汽發(fā)生器管的完整性保持到下一次蒸汽發(fā)生器檢查時(shí)。應(yīng)進(jìn)行降質(zhì)分析，以確定傳熱管可能產(chǎn)生的缺陷類型和部位，并根據(jù)分析結(jié)果確定需要采用的檢查方法和檢查部位。

除了基于性能的檢查要求外，還有規(guī)定性的檢查要求。NRC制定的這些規(guī)定性要求，是確保對(duì)傳熱管狀況進(jìn)行充分監(jiān)督。這些要求反映了蒸汽發(fā)生器傳熱管材料性能的改善。此外，還考慮了定性的工程經(jīng)驗(yàn)。技術(shù)規(guī)范中的要求如下：

（1）在更換蒸汽發(fā)生器后的第一個(gè)換料大修期間，對(duì)每個(gè)蒸汽發(fā)生器的傳熱管進(jìn)行100%檢查。

（2）對(duì)采用Alloy600MA合金傳熱管的電廠：在每60個(gè)連續(xù)等效滿功率月周期內(nèi)，對(duì)傳熱管進(jìn)行一次100%檢查。第一個(gè)連續(xù)周期應(yīng)在蒸汽發(fā)生器首次在役檢查后開始。未經(jīng)檢查，任何蒸汽發(fā)生器不得運(yùn)行超過24個(gè)等效滿功率月或一次換料大修（以較小者為準(zhǔn)）。

對(duì)于采用Alloy600TT合金傳熱管的電廠：在120、90和每60個(gè)連續(xù)等效滿功率月周期內(nèi)，對(duì)傳熱管進(jìn)行一次100%檢查。第一個(gè)連續(xù)周期應(yīng)在蒸汽發(fā)生器首次在役檢查后開始。此外，在最接近周期中點(diǎn)的換料大修前檢查50%的管子，在最接近周期結(jié)束的換料大修前檢查其余50%的管子。未經(jīng)檢查，蒸汽發(fā)生器不得運(yùn)行超過48個(gè)等效滿功率月或兩次換料大修（以較小者為準(zhǔn)）。

對(duì)于采用Alloy690TT合金傳熱管的電廠：在144、108、72以及此后每60個(gè)連續(xù)等效滿功率月周期內(nèi)，對(duì)傳熱管進(jìn)行一次100%檢查。第一個(gè)連續(xù)周期應(yīng)在蒸汽發(fā)生器首次在役檢查后開始。此外，在最接近周期中點(diǎn)的換料大修前檢查50%的管子，在最接近周期結(jié)束的換料大修前檢查其余50%的管子。未經(jīng)檢查，蒸汽發(fā)生器不得運(yùn)行超過72個(gè)有效滿功率月或三次換料停機(jī)（以較小者為準(zhǔn)）。

（3）如果在任何一臺(tái)蒸汽發(fā)生器傳熱管中發(fā)現(xiàn)裂紋顯示，則下一次對(duì)每臺(tái)蒸汽發(fā)生器導(dǎo)致裂紋顯示的退化機(jī)理進(jìn)行檢查的間隔，不得超過24個(gè)等效滿功率月或一次換料大修（以較小者為準(zhǔn)）。如果有確定的信息，如拔管、無損檢測(cè)判斷或工程評(píng)估表明裂紋狀顯示與裂紋無關(guān)，則無需將該顯示視為裂紋。

3.4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

為確保性能要求的有效性，許可證持有人必須定期驗(yàn)證蒸發(fā)器是否滿足性能準(zhǔn)則。許可證持有人必須在每次大修期間進(jìn)行該評(píng)估。要求如下。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估是指根據(jù)結(jié)構(gòu)完整性和事故引發(fā)泄漏的性能準(zhǔn)則，對(duì)傳熱管的“現(xiàn)狀”進(jìn)行評(píng)估?！艾F(xiàn)狀”是指大修期間檢查的蒸汽發(fā)生器傳熱管狀態(tài)，在傳熱管堵管（或維理）之前，根據(jù)在役檢查結(jié)果或通過其他方式確定。應(yīng)在每次大修期間進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估，在此期間檢查、堵管(或修理)蒸汽發(fā)生器傳熱管，以確認(rèn)滿足性能準(zhǔn)則。定期評(píng)估檢查結(jié)果是基于性能策略的一個(gè)關(guān)鍵要素。它要求許可證持有人評(píng)估傳熱管在檢查之前的運(yùn)行間隔期間，是否有足夠的結(jié)構(gòu)和泄漏完整性。如果未保持傳熱管完整性，則表明需要采取糾正措施。

3.5 運(yùn)行評(píng)估

為了確定應(yīng)堵塞(或修理)的蒸發(fā)器有缺陷傳熱管是否完整，必須進(jìn)行評(píng)估，證明在下一次傳熱管檢查之前，蒸發(fā)器能夠滿足性能準(zhǔn)則要求。具體要求如下：

如果運(yùn)行評(píng)估確定有缺陷的傳熱管在下一次檢查之前能夠保持完整性，則可以允許電廠繼續(xù)運(yùn)行直到下一個(gè)檢查間隔。否則在電廠進(jìn)入模式4之前，必須將有缺陷的傳熱管堵塞（或修理）。

3.6 維修標(biāo)準(zhǔn)（也稱為“堵管限值”）

蒸汽發(fā)生器（SG）的維修標(biāo)準(zhǔn)定義了允許SG傳熱管缺陷在下次檢查之前雖然擴(kuò)展，但仍然保證滿足SG的性能準(zhǔn)則的降質(zhì)極限。

技術(shù)規(guī)格中的維修標(biāo)準(zhǔn)（歷史上稱為傳熱管“堵管限值”）是規(guī)定性的。所有電廠都有一個(gè)基于缺陷深度的傳熱管維修標(biāo)準(zhǔn)，要求缺陷超過特定限值的傳熱管退出服役。該標(biāo)準(zhǔn)與性能準(zhǔn)則是相一致的；然而，有缺陷的傳熱管也可能在超過維修標(biāo)準(zhǔn)之前將其退出服役。這種可能是非常必要的，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)是在對(duì)缺陷方向、下一個(gè)運(yùn)行間隔期間缺陷增長(zhǎng)的速率以及缺陷測(cè)量尺寸的不確定度進(jìn)行特定假設(shè)的情況下制定的。如果預(yù)計(jì)燃料循環(huán)長(zhǎng)度更長(zhǎng)（比基于深度的維修標(biāo)準(zhǔn)制定中的假設(shè)長(zhǎng)度更長(zhǎng)），缺陷的增長(zhǎng)率高于假設(shè)，并且缺陷測(cè)量尺寸的不確定度更大，則可能需要在傳熱管超過堵管限值之前對(duì)其進(jìn)行堵管。具體要求如下。

在役檢查發(fā)現(xiàn)的含有深度等于或超過標(biāo)稱管壁厚度40%缺陷的傳熱管，應(yīng)進(jìn)行堵管（或修理）。

3.7 技術(shù)規(guī)格書的修改

美國核行業(yè)界組建了SG技術(shù)規(guī)格書工作組（TSTF），根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和最新的研究成果對(duì)技術(shù)規(guī)格書中的要求進(jìn)行不斷優(yōu)化，在提交NRC并獲得批準(zhǔn)后，各核電廠可以自主選擇是否采用TSTF的內(nèi)容，修改其技術(shù)規(guī)格書。

4 結(jié)語

NRC采取一種風(fēng)險(xiǎn)指引和基于性能的方法來管理蒸汽發(fā)生器。這種方法為核電廠運(yùn)行提供了靈活性，同時(shí)確保了核電廠的安全。與任何基于性能的方法一樣，對(duì)大綱績(jī)效的監(jiān)督并適時(shí)采取適當(dāng)?shù)募m正措施對(duì)核電廠安全至關(guān)重要。NRC采取這種基于性能的方法，以確保其許可證持有者保持傳熱管完整性并確保核電廠的安全。在過去幾十年中，由于檢查和監(jiān)督的改進(jìn)，以及蒸汽發(fā)生器抵抗降質(zhì)能力的改進(jìn)，核電廠蒸汽發(fā)生器性能得到提高。盡管如此，蒸汽發(fā)生器問題仍然需要關(guān)注。目前的運(yùn)行問題包括支撐板降質(zhì)、ALloy600傳熱管裂紋、更換蒸汽發(fā)生器的磨損以及沉積物堆積對(duì)蒸汽發(fā)生器性能的影響。鑒于蒸汽發(fā)生器傳熱管完整性對(duì)核電廠安全運(yùn)行的重要性，及時(shí)解決蒸汽發(fā)生器的重大安全問題非常重要。