VVER机组国产化氢气复合器可靠性分析初探

马援东++王宏庆

摘 要：目前针对氢气复合器在核岛事故工况下的性能分析，国内外均有较细致深入的研究，但是对于氢气复合器本身的可靠性分析，并未引起各方的关注。而氢气复合器自身的可靠性，则对核岛事故情况下的安全有同样重要的影响，因此根据俄方技术规格书中对VVER核电机组氢气复合器的技术要求，我们按照国内的可靠性定性和定量的分析方法，对国产化的氢气复合器的可维修性、可靠运行时间、瞬时可用度、稳态有效度等指标进行了分析，分析结果满足技术规格书的要求。

关键词：氢气复合器 VVER机组 可靠性 分析

中图分类号：TE969 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0006-02

核电厂非能动氢复合器在设计基准事故和超设计基准堆芯熔化事故中，将安全壳内产生大量的氢气在非能动条件下和氧气催化反应生成水蒸汽，从而达到限制和降低安全壳中氢气的浓度以防止达到氢气燃烧限制（设计基准事故）和导致安全壳完整性破坏的临界氢气浓度（超设计基准事故）目的。目前对于氢气复合器在核岛事故工况下如何提高氢气复合器的消氢性能，国内外进行了细致深入的研究，但是对于氢气复合器本身的可靠性分析，并未引起各方的关注。而氢气复合器自身的可靠性，则同样对核岛事故情况下的安全有重要的影响，因此本文根据VVER机组俄方技术规格书中对氢气复合器的技术要求，按照国内的可靠性的定性和定量分析方法，对于氢气复合器的可维修性、可靠性进行了初步分析，分析情况如下。

1 核岛设计方技术规格书中关于可靠性的要求

根据俄罗斯圣彼得堡设计院在田湾核电站3、4号机组氢气复合器技术规格书中提出的要求，需要对氢气复合器本身的可维修性、可靠性、寿命等进行分析，以满足以下指标要求[1]。

（1）非能动氢复

合器应能在原位置处进行维修，同一型号的设备的相同功能部件具有互换性，修复以后仍能保证可用，可维修性至少能保证8～10年。

（2）在40年寿期中可靠运行时间不少于7200 h。

（3）瞬时可用度（Instantaneous Availability Factor）不小于0.999。

（4）稳态有效度（Steady Availability）至少为0.95。

2 氢气复合器的材料耐久性和可维修性分析

针对俄方技术规格书中关于非能动氢复合器可维修性要求，通过对国产化氢气复合器的材料和结构情况进行定性分析，最终得出满足可维修性要求的结论。

田湾核电站国产化氢气复合器主要结构参数如表1所示。

2.1 壳体材料分析

氢气复合器壳体材料为2mm厚0Cr18Ni9不锈钢板，若暴露在沿海环境中，则在中国沿海地区腐蚀速率最高为0.148 mg/（m2·h）[2]，即40年腐蚀量为：0.148×24×365×40=51859.2 mg/m2

减薄量为：51859.2÷（7.93×109）=6.54×10-6m=6.54×10- 3mm

从壳体抗冲击、抗震等力学情况看，上述减薄量完全在计算的安全范围内，因此非能动氢复合器机壳暴露在沿海环境下的寿命不少于40年。而氢气复合器实际上是安装在核岛环境中的，其腐蚀环境较正常沿海空气环境要好，通过已有长期运行业绩的国外氢气复合器来看，德标1.4301材料基本等同于国标材料0Cr18Ni9，可以推断国产化氢气复合器材料在核岛环境下10年不会出现明显锈蚀，因此壳体材料选型和厚度均可以满足40年核岛环境存放和运行的要求。

2.2 支架材料分析

氢复合器安装支架材料采用碳钢Q235A，表面按照核岛内设备要求涂漆， 40年寿命期内需要定期进行防腐检查和维护，以保证整个寿命期的可用性。已有长期运行经验的AREVA的氢气复合器支架也采用类似的槽钢结构和碳钢材料，两者具备可比性，同时经过力学计算，材料的安全系数远远超过实际使用要求，余度较大。（表2）

2.3 催化板材料分析

催化板由基材、催化剂载体以及贵金属催化剂组成，需通过定期检查和再生来保证其性能。催化板在消氢工作时，氢气和氧气在催化板表面发生化学反应，催化剂起催化作用，自身不发生消耗，因此在寿命期不会因催化剂消耗完而丧失其性能。在催化板结构完整的条件下，通过检查和再生是可以保证其使用寿命大于10年的。虽然催化剂化学寿命可通过再生来保证，但是催化剂脱落是不可维修的。当脱落面积超过某个限值后，其消氢速率会达不到设计要求，造成催化板不可修复，必须进行更换以保证其功能。

2.4 可维修性分析

对于氢气复合器的壳体和支架，通过上述材料分析，不更换的情况下，可满足40年免更换的要求。而对于催化板，则需要通过定期检修来进行保证。即在非能动氢复合器运行时，在每个大修周期抽检8台氢复合器，每台氢复合器抽检9张催化板，以保证安装在核岛内不同位置的44台氢复合器中的催化板在一定寿命周期内均可以得到检查（5.5年核岛内44台氢气复合器均可被检查一遍），以确保所有的氢气复合器均可以处于有效状态，同时氢气复合器的安装位置也能够保证氢气复合器的板片可以被拿下来检验，目前核岛氢气复合器的布置设计也较好的保证了该要求。若检查到氢气复合器板片涂层发生剥落且超过设计允许的范围，则需要扩大检查范围，并对相应的催化板进行更换，通过这一手段和方式保持氢气复合器运行的有效性，从而确保氢气复合器8～10年可维修性和40年寿命的要求。

3 氢气复合器的可靠性分析

3.1 可靠运行时间至少达到7200 h

安全壳发生严重事故至事故后，要求长达300天[1]，即7200 h内非能动氢复合器应能可靠运行，具备消氢的功能。

PARQX系列非能动氢复合器（带催化板）进行按照氢气复合器安装于核岛不同位置四种支撑型式进行了力学分析与评价，力学分析和评价结果表明，在整个寿命期40年内，氢复合器壳体及安装结构均能满足使用要求。在充分力学计算基础上，为保证非能动氢复合器在地震条件下的可靠性，对PARQXF非能动氢复合器进行了整机抗震试验。试验结果表明，非能动氢复合器结构完整，安装支架牢固，无松脱件脱落，催化板在安装槽内稳固，催化剂无脱落，满足抗震1I级要求。上述力学计算以及抗震试验表明，壳体和安装支架地震事故前和事故后均能够在7200内保证结构的完整性。

催化板有效运行指标为催化板在至少7200 h的工作期间应保持完整，催化剂不出现脱落和失效。催化板基材采用耐热不锈钢，使用寿命大于7200 h；催化剂载体为Al2O3，化学性能稳定，使用寿命大于7200 h（三氧化二铝作为稳定催化板载体在汽车三元催化器寿命分析中得到了有效验证）；催化剂为贵金属铂和钯，化学性质稳定，作为催化剂在化工行业广泛使用，其正常连续工作使用寿命时间大于3年[3]；为了验证氢气复合器和催化板的稳定消氢性能，还组织进行了氢气复合器稳定消氢气试验（连续12 h）和催化板长周期稳定消氢气试验（连续72 h和11天），通过这些试验进一步验证了催化板和氢气复合器在工况条件下稳定消氢的性能，通过上述分析和试验，表明非能动氢复合器在设计氢气产生的工况下能够保证可靠运行7200 h。

3.2 瞬时可用度（Instantaneous Availability Factor）不小于0.999。

瞬时可用度是指在某一特定的瞬时，可维修的产品保持正常使用状态或功能的概率。对于非能动氢复合器是指在安全壳工作期内，一旦发生安全事故时，设备能够正常工作的概率。

非能动氢复合器由金属壳体、安装支架和催化板三个功能单元组成。金属壳体与安装支架组成结构单元，催化板为功能单元，可靠性分析模型为串联结构，其失效率均服从指数分布。按照金属壳体和安装支架的寿命40年，催化板的寿命3年，设定计算分析如下：

金属壳体寿命期内失效率：

λ1 ===

=2.85×10-6（1/h）

安装支架寿命期内失效率：

λ2====2.85×10-6（1/h）

催化板使用寿命为3年时失效率：

λ3 ====3.8×10-5（1/h）

非能动氢复合器瞬时可用度：

R（ABC）=R（A）·R（B）·R（C）=（1-λ1）·（1-λ2）·（1-λ3）=0.999956

由于催化板要求的无故障工作时间仅为7200 h，远小于催化板使用寿命3年；同时，催化板是可维修产品，存在预防性维修周期为18个月（大修周期）的情况，其实际可靠度高于R（C），因此，非能动氢复合器瞬时可用度远大于0.999956，满足VVER机组氢气复合器技术规格书要求。

3.3 稳态有效度（Steady Availability）至少为0.95

稳态可用度又叫可工作时间比，是瞬态可用度的极限，即t趋于无穷时，瞬时可用度的极限。金属壳体与安装支架经过力学分析与寿命分析，其寿命远超过40年，稳态可用度为1。催化板为功能部件，其稳态可用度指稳态功能性能可用度，根据同类氢气复合器统计数据分析，在7200 h的工作时间内，消氢性能有偏离的工作时间约为72 h（国外同类氢气复合器的公开数据）。

催化板稳态可用度

=

==0.99

PARQX非能动氢复合器催化板与国外同类板片对比性能试验证明，国内板片不低于国外板片性能，因此基本上述分析，其稳态有效度大于0.95，满足技术规格书的要求。

4 结语

经过分析论证，PARQX非能动氢复合器可靠性、可维护性、寿命满足VVER机组对非能动氢复合器各项可靠性指标要求。

参考文献

[1] TIANWAN NPS Units 3&4 Technical specification for containment hydrogen removal system（LYG-Y-PD86-25-21240097-TS-0001-E 版本：A.

[2] 曹楚南.中国林料的自然环境腐蚀[M].化学工业出版社，2005.

[3] 朱洪法，刘丽芸.石油化工催化剂基础知识[M].中国石化出版社，2010.