LBB和BP在核电厂高能管道上应用的差异性研究

房永刚，王 庆，苏 岩，徐 宇

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

在核电厂的管道设计中，出于保守考虑，普遍假设了高能管道破裂及其产生的动态效应和环境效应，并对这些效应进行了防护，并将主管道和主蒸汽管道的双端剪切断裂(double-end guillotine break ，简称DEGB)作为核电厂的设计基准事故。然而，根据核电厂的长期运行经验反馈，核电厂发生DEGB的概率极低[1-3]。通过不断的发展和认识上的深入，核电设计者逐渐形成了一系列的理论，用以排除管道破裂的相关假设。其中主要包括“破裂前先泄漏(Leak Before Break，以下简称LBB)”和“破裂排除(Break Preclusion，以下简称BP)” 。

LBB应用比较广泛，包括第二代核电机组和第三代AP1000和APWR等机组[4],应用范围包括安全壳内管径大于6英寸的高能管道系统，如主管道、波动管、主蒸汽管道和部分辅助系统管道。在美国，大约三分之二的压水堆核电厂已应用了LBB概念。BP概念应用主要以德国为主[5]。在德国，BP已应用于所有压水堆核电厂的主冷却剂管线[6]，法国将BP概念应用于EPR机组设计。

目前，我国引进了第三代美国AP1000机组和法国EPR机组设计，二者分别应用了LBB和BP概念。

1 高能管道破裂相关要求

在核电厂高能管道设计中，均要求假设高能管道破裂，并要求对管道破裂的动态效应及环境后果进行设防。这些高能管道破口位置通常位于管系端部和中间高应力位置。美国更是以联邦法规10CFR50附录A的形式对管道破裂及其动态效应防护进行了明确要求，德国反应堆安全委员也在RSK导则中第21.1章中对其进行了规定[7、8]。

19世纪80年代，美国核管理委员会(NRC)成立了管道评定委员会，并设立了管道破坏工作组，从事对核电厂采用LBB的评估工作。1984年，管道破坏工作组取得了很大的成就，同年发布了NUREG/CR-1061第三卷，该卷主要描述了LBB应用的评估，证明高能管道发生双端剪切断裂或纵向和斜向断裂的可能性极低[9]。1986年，NRC修订了10CFR50附录A通用设计准则4，以允许使用LBB排除管道双端剪切断裂的动态效应，从而可以移除管道甩击约束件、喷射冲击屏障和为解决压水堆冷却剂系统管道破裂后的动态效应而设计的相关设备[10]。相应的，NRC新发布了标准审查大纲(SRP)3.6.3节，用于LBB应用的指导[11]。

目前，国际上主要核电国家基本沿用了美国和德国关于LBB和BP概念的论证方法和监管要求[8]。LBB和BP概念的应用，不仅降低了电厂建造成本，简化了相关系统设计，同时也提高了在役检查的可达性，减少了在役试验、检查与维修的工作量和辐射防护剂量。

2 LBB和BP概念应用及对比

2.1 LBB概念应用原理

NRC在SRP3.6.3节和技术文件NUREG/CR 1061第三卷中针对LBB应用给出了需要论证的具体内容和要求，其分析流程如图1所示。

图1 LBB分析内容与流程Fig. 1 Flowchart and content of LBB concept

(1)先决条件判断

LBB概念不能应用于服役中易受到水锤、蠕变、腐蚀、侵蚀和疲劳等影响破坏的管道中。因为这些恶化机制将影响LBB应用的接受准则[12]，因此在使用前必须对以上情况加以分析，以证明在管道的服役条件下发生上述情况的可能性极低。这些先决条件通常基于核电厂长期运行经验进行评价。

(2)材料选择

应用LBB分析的管道(包括母材、焊缝、接管和安全端)材料要求为高韧性材料。在断裂力学分析和泄漏率评价中，根据分析方法的不同，需要的材料特性参数通常包括弹性模量(E)、屈服应力(Sy)、强度极限(Su)、材料真实应力-应变(Ramberg-Osgood)方程和反映材料断裂韧性的J-R曲线。这些数据可采用通用数据库材料，也可通过材料试验获得。

(3) 分析位置

分析位置应选择应力(包括轴向力、弯曲和扭转力矩)最高和材料性能最差的部位。应主要考虑焊缝部位，当受力最大部位和材料性能最差位置不一致时，应分别考虑。往往分析环向和轴向的表面和贯穿裂纹，但在多数情况下环向裂纹更危险，因此LBB分析中更强调研究环向的贯穿裂纹和表面裂纹[13]。

(4) 载荷及载荷组合

载荷主要分为下列三类：压力、温度和机械载荷。泄漏裂纹和临界裂纹计算采用不同的载荷及载荷组合，这主要是为得到较大的泄漏裂纹尺寸和较小的临界裂纹尺寸，以提高LBB应用的保守性。基于行业经验，考虑的载荷见表1。

表1 载荷及载荷组合Table 1 Load and Load combination

(5) 泄漏率和泄漏裂纹的计算

管道中裂纹的泄漏率计算是以热工水力为基础的。流体在压力作用下从裂纹泄漏的量主要取决于管道内部的压力、温度、裂纹形貌以及流动过程中的摩擦阻力。在通过确定的泄漏率计算泄漏裂纹尺寸时，除非能够充分证明泄漏监测系统的监测灵敏度和可靠性，否则对泄漏监测系统要取10倍的安全裕度。

(6) 临界裂纹尺寸计算

裂纹稳定性分析是为了确定裂纹的临界尺寸。在裂纹稳定性分析中，采用运行中可能受到的最严重的载荷组合，通常为正常运行载荷叠加安全停堆地震载荷。最终要通过断裂力学评估证明泄漏裂纹在最大载荷处得到的临界裂纹尺寸与泄漏裂纹尺寸相比要有不小于两倍的安全裕度。

(7) LBB概念对泄漏监测系统的要求

如果裂纹在泄漏前没有达到在役检查设备的灵敏度所能检测的范围，或是在役检查时漏检，经疲劳扩展后发生泄漏，则需依靠在线泄漏监测系统的可靠性保证及时发现问题并停堆。LBB的应用是基于核电厂具有非常可靠的泄漏监测系统，包括泄漏监测的方法、灵敏度和响应时间等的要求。RG1.45“反应堆冷却剂系统泄漏监测与响应导则”对反应堆泄漏监测系统监测方法、监测位置、监测灵敏度、响应时间和冗余度等给出了建议[13]。

2.2 BP概念应用原理

BP概念最初起源于德国。1979年，德国核能安全委员会(RSK)发布了防护管道破裂动态效应的技术导则，并成功应用于德国Konvoi电厂。德国BP管道破裂排除的基本原则如图2所示，德国的BP论证主要内容如图3所示。

图2 德国BP概念的基本原理Fig.2 General concept for break preclusion

德国BP概念实际上类似于LBB概念，它在BP论证过程中也应用了LBB概念的相关理论。德国的BP概念在一定程度上比LBB概念考虑更全面，因为德国BP概念在分析裂纹扩展的同时要求考虑裂纹是否会在贯穿壁厚前沿周向扩展失效，进而判断是否可进入LBB论证程序，而之后的论证内容更类似于LBB概念，且分析中的裕量要求也是一致的。

图3 德国BP的分析主要内容Fig.3 Content of break preclusion

法国在ERP机组中应用的BP概念与德国的BP概念并不完全相同。EPR设计导则中仅给出了一二回路设计中破口假设原则性的论述，没有给出BP概念具体需要论证的内容和明确的验收准则，即到底论证达到什么程度可以满足破裂排除要求。

2.3 LBB与BP概念异同点分析

考虑到我国引进了第三代美国AP1000堆型和法国EPR堆型，其中分别应用了LBB和BP概念。因此，针对美国LBB概念和法国BP概念作一对比分析是必要的。

LBB与BP概念均有破裂排除的意思，LBB认为管道破裂前会首先发生泄漏，也就是允许泄漏，但通过分析证明管道不会断裂，同时依靠可靠的泄漏监测系统发现泄漏并及时停堆。BP主要是通过电厂设计、材料选择、制造、检查、以及后期运行监督和在役检查等方面提高要求，进而排除管道发生泄漏的可能性[14]。这里通过对比LBB和BP概念分别在AP1000机组和EPR机组的应用情况，总结了应用上的主要异同点，如表2-表4所述。

表2 LBB和BP概念设计要求差异Table 2 the differences between LBB and BP concepts in design

在应用范围上，AP1000机组LBB应用范围均位于安全壳内，包括反应堆冷却剂管道及与其相连的管径大于6英寸的高能管道和主蒸汽管道，EPR机组BP应用范围为反应堆冷却剂管道和安全壳内外的主蒸汽管道(包括安全壳内从蒸汽发生器出口管嘴至安全壳贯穿件之间管道和安全壳贯穿件至主蒸汽隔离阀下游固定点之间管道)。在材料选择上，BP管道材料性能除了满足RCC-M规范要求外额外提高了要求，如主蒸汽管道要求按RCC-M核一级管道选材和设计。在制造方面，BP管道相应提高了要求，如主管道要求采用整体锻造工艺；对于大直径的管嘴制造，如化学控制系统(RCV)的管嘴，要求采用拉拔或整体锻造，而不采用焊接结构，而LBB无以上要求。在断裂力学评价方面，AP1000机组在应用LBB概念时未要求进行裂纹扩展分析，这主要是基于美国早期电厂开展的相关分析，其结果表明，管道初始表面裂纹在贯穿壁厚前，基本不会在环向方向上发生失稳。EPR机组在应用BP概念时，考虑了表面裂纹在贯穿壁厚前可能的环向失稳，并验证在此过程中，裂纹在长度方向上不会失稳。EPR机组未明确要求进行裂纹稳定性分析，针对主管道，进行了泄漏裂纹的稳定性分析，但未开展主蒸汽管道的裂纹稳定性分析。

在役检查方面，BP概念要求对异种金属焊缝采用两种在役体积检查方式，LBB则无此要求，满足在役检查规范即可。在役监测方面，除主泵的振动监测外，BP概念应用增设了管道振动和阻尼器间隙的在役监测要求，LBB则无此要求。在泄漏监测系统设置上，LBB概念认为泄漏监测是必须的，主要依赖现有的反应堆冷却剂系统的泄漏监测系统。BP概念认为通过上游更严格的材料选择、制造、检查和在役监督等认为管道不会发生泄漏，并认为单纯对核电厂应用BP概念来说，泄漏监测系统并不是必须的，只作为纵深防御政策的延伸。

表3 LBB和BP概念运行要求差异Table 3 the differences between LBB and BP concepts in operation

表4 应用LBB和BP后的设计要求差异[15]Table 4 the similarities between LBB and BP concepts

应用LBB概念后，设计上取消了管道破裂的动态和静力载荷，而BP概念仍保守假设了设备支撑设计时的2PA静态载荷。应用LBB和BP概念后，设计上均只允许排除管道破裂的动态效应，如管道甩击、喷射流冲击和管道卸压波等，对安全系统和安全壳设计仍要求考虑管道破裂，设备鉴定也仍需假设管道破裂环境条件，在这些方面，二者的要求是一致的。 由于BP在上游设计上要求提高，因此BP应用需要在电厂设计之初即确定是否采用，而LBB可应用于新建核电厂，也可开展补充论证而应用于已运行核电厂的设计改造。

3 结论与建议

LBB和BP概念用于核电厂设计中，可以排除高能管道破口及其管道破裂的动态效应，进而取消管道的防甩击限制器和实体屏障等防护设备，这有利于简化电厂的设计，提高在役检查与维修等的可达性，进而降低电厂的建造和运营成本。

LBB概念目前应用较为广泛，德国BP概念也有成功应用于本国实践的案例。法国的BP概念与德国BP概念、美国LBB概念均有一定差异，且没有专门的技术导则。相较于LBB概念，BP概念在上游材料选择、设计、制造及在役检查和在役监测方面的要求更高，但在纵深防御要求上不明确，尤其是没有给出泄漏监测系统和断裂力学评价明确的定位，这给设计和监管工作均带来了不便。

考虑到核电设计中的纵深防御要求，法国BP概念应充分借鉴德国BP概念或美国LBB概念，强化纵深防御设计要求，并形成相应的技术导则，以进一步提高BP概念应用的安全性。

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[14]Westinghouse Company.AP1000 Design Control Document Rev.16 (Public Version)[R/OL]. Pittsburgh: Westinghouse Company ,2007(2007-06-07)[2017-12-13].http://pbadupws.nrc.gov/docs/ML0715/ML071580939.html.

[15]刘永. LBB和BP在核电站管道设计中的异同性分析[J]. 原子能科学技术 , 2014 , 48 (10) :1825-1829．