核电站用余热排出泵电机LOCA 试验

赵颖兵，阴冀川，孔静

(1 深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518172;2 环境保护部华北核与辐射安全监督站，北京100029;3 环境保护部核与辐射安全中心，北京100082)

0 引言

核级设备质量鉴定试验是在试验的方式验证规定的运行条件和环境条件下进行的。核电站余热排出泵电机作为余热排出系统主要动力源，运行环境在安全壳内，为核安全级重要电气设备，在核电站正常停堆和事故停堆工况下对反应堆堆芯的余热导出起着关键的作用。

在设备设计阶段为了验证设备能否按规定的准确度和性能是否符合要求，就需要执行一系列质量鉴定试验，该系列鉴定试验一般由基准试验、极限运行条件下的试验、耐久性试验和/或评价设备性能随时间变化的试验等三部分构成。

作为重要试验项目的LOCA 试验，主要模拟发生冷却剂丧失事故时安全壳内的热工和化学环境，考验电机在LOCA 事故期间以及事故后是否能够执行其原有功能。

LOCA(Loss of Coolant Accident)即冷却剂丧失事故，是指压水堆核电站一回路承压边界破坏所引起的冷却剂丧失事故，是压水堆核电站设计的基准事故之一。

针对安全壳内使用的1E 级电气设备，能否通过LOCA 试验的考验，是验证其设计是否可行的标志之一，故其该在核安全级设备鉴定过程中具有重要地位。本文从试验装置构成，试验过程(前期、中期、后期)三个阶段对LOCA 试验要点进行说明。

1 LOCA 试验的相关要求

1.1 试验装置要求

LOCA 试验对试验装置有较高的要求，主要体现在以下四方面:(1)要求试验容器能承受高温高压;(2)要求温升速率和压力升高速率高;(3)试验过程需要进行化学喷淋;(4)保证容器内设备通电。其中电动机等设备在试验过程中需要带载运行，要求容器外还要配备相应模拟负载。

1.2 试验装置组成

LOCA 试验装置一般是以LOCA 容器为中心，由蒸汽系统、化学喷淋系统、压力调节系统、循环水系统、控制系统组成，工艺流程如图1 所示。

图1 LOCA 试验工艺流程示意图

1.3 试验前准备

为确保试验结论的有效性，按照HAF003 要求，应在试验开始前，对LOCA 试验活动涉及的各要素进行确定技术要求，试验开展基本需满足以下条件

(1)试验人员资质:LOCA 试验操作人员、数据采集人员、试验中和试验后性能测试人员具有相应能力，经过相关技能培训并考核后持证上岗。

(2)试验及测量设备:LOCA 试验设备、试验炉配置的压力和温度仪表、数据采集设备等应具备检定标识并配备相符合的检定证书，处于有效备用状态。

(3)电机准备情况:电机已按照鉴定大纲要求的试验顺序完成LOCA 试验前的所有试验，并按照要求进行了处理。

(4)文件准备情况:试验单位应根据技术任务书或其他技术要求编制了试验大纲和试验细则，内容满足相关国家标准和技术任务书要求，且为有效受控最新版本。

(5)环境要求:室内整洁，分区合理，各区域有明确标识。

1.4 试验过程

LOCA 试验过程应严格按照鉴定试验大纲和试验细则的规定实施，试验过程形成的温度和压力曲线应与试验大纲确定曲线基本保持一致。以CPR1000 堆型用余热排出泵电机的LOCA 试验为例，其热力和压力曲线见图2。

图2 LOCA 事故模拟试验曲线

根据曲线，其试验过程可分为9 个阶段，每个阶段应按下列要求实施

阶段0:正常大气条件下，电机在LOCA 炉内安装结束并关闭容器。

阶段1 和阶段2:通过缓慢升温对设备作预调整，稳定容器中的温度至50℃，该阶段持续时间应≥24h。

阶段3:实施第1 个热动力冲击。冲击达到最高温度156℃和最高560kPa 压力的时间应小于30s，该阶段持续时间为12min。

阶段4 和阶段5:自然冷却至50℃，保持24h。

阶段6:该阶段包括三部分:第2 次热动力冲击、化学喷淋和起动电机。

第2 个热动力冲击冲击达到最高温度和压力的时间应小于30s，阶段6 的持续时间为96h。余热排出泵电机的情况特殊，应该参照曲线图3 和图4。

图3 LOCA 试验阶段6 压力曲线

图4 LOCA 试验阶段6 温度曲线

化学喷淋在t=200s 时将化学溶液喷雾到设备上，直至阶段6 结束。化学溶液初始成分见表1。

表1 化学溶液初始成份

起动电机。在阶段6 开始后4 h，将电机在额定电压下带载起动，所带负载与电机所带余热排出泵负载相同，连续运行到阶段7。在此期间，需测量电机的运行参数，其中包括:电源电压、频率、定子温度、泄漏电流、吸收功率、轴承温度、载荷、转矩等。

阶段7:事故后热动力条件下的性能试验，持续10d。相对湿 度＞80%，绝对压力为200±50kPa，试验时间τ 和试验温度θ 的基准值分别为10d 和100±5℃。对于任何不同于100℃的试验温度，试验时间τ(以h 计)需要按下述公式计算

τ 的最小值等于100h。

阶段8:将容器与大气连通，自然冷却。在试验过程中，冲击时间、最高温度和最高压力等试验条件不低于上述试验曲线的要求。

1.5 试验后数据采集及检查

试验结束后，使带载电机逐渐恢复至大气条件，并在此条件下保持带载至少1h。对电机进行以下性能试验。

(1)在1Un 直流电压下，记录1min 内的泄漏电流。

(2)在交流50Hz、1Un 下，测量介质损耗角的正切值，测量局部放电电流。

(3)全部性能试验完毕后对电机解体，进行结构检查。解体后的电机，经检查符合要求，再进行装配，进行起动、运行和停机性能测试。

2 LOCA 试验常见问题

2.1 许可证制度监管

根据《民用核安全设备设计制造安装和无损检验监督管理规定》(HAF601)的要求，申请领取民用核安全设备设计和制造许可证的单位，应当向国家核安全监管部门提交鉴定试验大纲和必要的文件。国务院核安全监管部门要进行技术评审，包括对模拟件制作活动方案、质量计划等材料的审查，以及制作过程中的现场监督见证等。

LOCA 试验作为鉴定试验中最重要试验之一，国家核安全监管部门在技术审查较多选取该试验进行审查。申请单位应按照监管部门的意见，在LOCA 试验准备、热动力冲击过程、试验后的性能试验开展前，书面通知国家监管部门进行现场审查。

2.2 试验过程中不符合项处理

针对LOCA 试验过程中出现的异常情况，一般参照下列的措施处理。当有故障影响到阶段3或阶段6 的实施并使温度和压力低于规定的曲线时。

(1)在阶段3 或阶段6 前12min 内发生的故障，可按情况在阶段2 或阶段5 重新开始试验。

(2)对于在阶段6 的12min 后发生的故障，按以下2 种方法处理。

①如果在规定的最小温度曲线与试验实际曲线之间的面积(等效于温度-时间的积△θ×t)小于20℃·分，而且这两条曲线之间的最大温度差值△θ 小于10℃，则试验继续，并在阶段6 结束时在故障持续期间延长到温度为75±5℃;在相反情况下，则在阶段6 中在对应于故障出现时刻重作试验。

②如果在规定的最小压力曲线与试验实际曲线之间的面积(等效于压力-时间的积△P×t)小于2 巴·分，而且这两条曲线之间的最大压力差值△P 小于1 巴，则试验继续进行;在相反情况下，则在阶段6 中在对应于故障出现时刻重作试验。

当压力和温度参数两者同时低于规定的最小曲线时，则可将两者作为独立的故障进行分析，不必对上面的规定施加任何附加限制。

2.3 关于试验裕度

根据相关标准的要求，并依据具体核电堆型的曲线要求，LOCA 试验可采用以下方法实施:

(1)实施一次热力冲击，留有一定的裕度。(2)连续实施两次冲击，不考虑与理论计算值比较的裕度。

目前CPR1000 堆型的电气设备所有LOCA试验基本参照按照图2 进行两次冲击，但在其他堆型上(如ACP1000 等)可能要求LOCA 试验采用一次冲击，这就要按照标准的要求增加一定裕度。

当没有明确规定时，在保持设备功能不变的情况下，对于试验中的电机工作条件，建议采用下列鉴定裕度

(1)电源电压:额定值的±10%(除非另有规定，可不执行本额定值)。

(2)频率:额定值的±5%(除非另有规定)。

(3)事故条件下的热力特性。

饱和蒸汽温度:选择的裕度应使得试验压力超过最高工作温度对应的饱和蒸汽压力的部分不大于1×105Pa;

压力:饱和蒸汽相对压力的+10%，但不大于1X105Pa;

时间:在设计基准事件以后要求设备继续工作时间的10%;

瞬态:一种环境参数的瞬变(压力或温度)并具有一定的裕度，或两种环境参数的瞬变没有裕度。

(4)累计老化和事故辐照剂量:理论计算值的10%。

也就是如果采用一次冲击，需要在LOCA 试验前的累积老化和事故辐照试验中增加裕度，并在LOCA 试验过程中在温度、压力、时间、瞬态等参数上增加一定裕度，以满足鉴定要求。

3 结语

余热排出泵电机LOCA 试验作为其鉴定试验过程中最为重要的试验之一，持续时间较长，操作过程复杂，一直受到国家核安全监管部门的重点关注。这就要求国内的试验单位严格按照标准去实施，对试验过程进行客观记录。同时也要求核电业主、工程公司提高对鉴定试验的审查力度。以“安全第一，质量第一”的核安全文化理念，共同确保核安全设备质量，为国家核电事业做出贡献。

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［2］ 国家核安全局.HAF003 核电厂质量保证安全规定［S］.北京:国家核安全局，1991.

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［4］ GB/T 12727—2002.核电厂安全系统电气设备质量鉴定［S］.

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