事故工况下壁面油污和锈斑对钢制安全壳潜在失效影响分析

石兴伟，兰 兵，胡 健，于大鹏，雷 蕾，温丽晶，乔雪冬

(环境保护部核与辐射安全中心, 北京 100082)

事故工况下壁面油污和锈斑对钢制安全壳潜在失效影响分析

石兴伟，兰 兵，胡 健，于大鹏，雷 蕾*，温丽晶，乔雪冬

(环境保护部核与辐射安全中心, 北京 100082)

反应堆事故工况下，钢制安全壳是防止放射性物质向环境释放的重要屏障，因此有必要研究分析事故条件下传热削弱因素(如壁面油污和锈斑)对安全壳完整性的影响，以评估安全壳的潜在失效风险。本文应用非能动安全壳分析程序，建立了大功率非能动反应堆非能动安全壳冷却系统的热工水力模型，并以冷管段双端剪切事故为基准工况，分别研究了壁面油污和锈斑为代表的不利因素对钢制安全壳温度和压力的影响。分析结果表明：事故发生后1000 s内，壁面油污和锈斑的位置和面积对换热的影响甚小，1000 s后油污和锈斑面积对安全壳压力和温度的影响占主导地位；起拱线附近油污或者锈斑面积超过湿区面积的20%时，安全壳均可能面临失效风险。

油污；锈斑；非能动安全壳；双端剪切；安全壳完整性

大功率非能动反应堆为我国第三代核电机组类型，安全壳参考了AP1000非能动安全壳冷却的设计理念。目前国内外对非能动安全壳冷却性能均开展了详细的研究。在国内引进AP1000前，Sutharshan和Schulz对于非能动安全壳冷却系统(Passive containment Cooling System，简称PCS)进行了较为详细的描述，对PCS的机理进行了较深入的研究[1，2]。国内叶成和王国栋等使用WGOTHIC对AP1000非能动安全壳冷却水的注入以及PCS传热传质过程进行了详细研究[3-5]。同时，国内也进行了大量的非能动安全壳自主化软件的开发和实验研究[6-8]。由于非能动安全壳为钢制安全壳，其壁面换热的不利影响因素(如锈斑、油污、灰尘和涂层剥落等)将影响换热阻力，削弱安全壳的换热能力，从而对安全壳形成潜在的失效风险。

通过对安全壳液膜覆盖实验现场观察，发现壳外束状锈斑和油污为安全壳经常面临的问题，但目前针对安全壳外壁面油污和锈斑对安全壳传热影响的研究鲜有报道和研究。因此，本研究以冷管段双端断裂(Double Ended Guillotine，简称DEG)事故为基准工况，以油污和锈斑为例，利用安全壳外表面相对于水的换热因子模拟油污和锈斑在传热过程中的换热因子，整体分析油污及锈斑位置和面积对安全壳完整性的影响，评估安全壳潜在的失效风险。

1 模型机理和安全壳建模

静态工况下，壁面油污主要为机械润滑油滴落在金属表面并与油类产物、粉尘和金属氧化物形成的混合物[9]，如图1所示。油污在金属表面有强烈的附着力以及液体分子之间的内聚力，且油类具有憎水官能团，导致系统阻力增大，传热系数减小，换热性能下降[9-11]。由于异物剐蹭或者涂层脱落而导致暴露的碳钢基体与环境中的水分子长时间发生氧化反应而形成外围为氧化铁的锈斑[12]，如图2所示。锈斑具有一定的亲水性，会增大液体流过其表面的阻力，增加换热过程中换热热阻。安全壳外表面沾染油污和产生锈斑均为机会性事件，核电厂运行后期锈斑出现的几率较大。根据油脂和铁锈的特性，研究利用安全壳外表面相对于水的换热因子(默认值为0.73)模拟油污和锈斑在传热过程中的换热因子，详见文献[13]

图1 油污示意图Fig.1 Diagram of oil pollution

图2 锈斑示意图Fig.2 Diagram of rustiness

非能动安全壳冷却系统主要由一个钢制安全壳、壳内空间、壳外导流板、壳外冷却水系统、喷放管道等组成[14]。本文根据大功率非能动反应堆初步安全分析报告中的系统设计参数[15]建立了大功率非能动反应堆非能动安全壳模型，主要对安全壳壳内隔间和气体空间、壳外上升段气体空间、壳体及壳内热构件、壳外冷却水、蒸汽喷放条件进行了建模。建模的主要参数包括控制体参数、流道参数、热构件参数、传热系数类型参数、壁面传热模型参数、材料类型参数、边界条件、初始条件和程序控制参数等[16]。如图3所示，安全壳冷却系统共划分127个有效控制体和327个流道，控制体之间采用流道连接。安全壳壁面换热模块模拟安全壳钢结构由内向外蒸汽冷凝、内侧液膜导热、钢壳导热、外侧液膜导热、液膜蒸发和不同壁面间辐射传热的过程。安全壳壳体和导流板沿周向分为8个部分，包含4个由壳外冷却水膜覆盖的湿区和4个干区，每部分沿高度方向划分为8块，与控制体沿高度方向的划分相对应，共64块构建成整个壳体和壳外导流板。模型建立后需对模型进行验证，详细建模和验证过程，可参看文献[13]。

图3 非能动安全壳控制体划分示意图Fig.3 Diagram of passive containme ntnodalization

2 基准工况和计算工况

2.1 基准工况选取

基准事故工况为假想冷管段DEG，事故工况下冷却剂能量始发如图4、图5所示。钢制安全壳液膜覆盖在事故发生后380 s建立。如图6、图7所示，模型计算结果在事故最初期出现微小峰值，随着安全壳内热阱对热量的吸收，安全壳压力下降； 145 s左右，压力重新开始上升，由于DEG事故喷放的冷却剂以及ADS4阀门释放的蒸汽携带了大量的能量，在380 s液膜建立后并没有出现压力的下降。通过与设计值对比表明：模型安全壳压力峰值出现在1603 s左右，约0.395 MPa；设计报告安全壳压力峰值出现在1673 s左右，约0.4 MPa；模型计算值小于设计值0.005 MPa，相对偏差1.25%；安全壳温度相差约4℃。安全壳内部压力总体趋势、峰值出现时间、峰值数值与设计值相吻合。

2.2 计算工况制定

壁面油污和锈斑计算均选取两大类工况：第一类工况分为3小类工况，根据油污可能出现的位置分别在安全壳上、中、下位置即标高12.65 m、35.13 m、55.25 m处出现不同面积的油污和锈斑；由于安全壳起拱线附近的液膜覆盖率对安全壳换热影响较为重要，所以第二类工况的3小类工况集中在起拱线附近，即标高分别为35.13 m、42.00 m、49.76 m处出现不同面积油污和锈斑，见表1。

图4 两相能量喷放Fig.4 Energy release of two-phase

图5 蒸汽能量喷放Fig.5 Energy release of steam

图6 安全壳内部压力对比Fig.6 Comparison of pressure in containment

图7 安全壳内部温度对比Fig.7 Comparison of temperature in containment

标高/m工况油污面积/m2(占湿区百分比%)工况锈斑面积/m2(占湿区百分比%)第一类55.25G16420(4.16%)G76420(4.16%)35.13G29428(6.11%)G89428(6.11%)12.65G36064(3.93%)G96064(3.93%)第二类49.76G415144(9.81%)G1015429(10%)42.00G525404(16.46%)G1123144(15%)35.13G634460(22.33%)G1230858.4(20%)

3 壁面油污和锈斑影响分析

3.1 壁面油污对安全壳失效风险分析

选取具有代表性的21号控制体(操作平台上部)研究安全壳的温度和压力变化。如图8、图9所示，破口两相和蒸汽的喷放集中在前1200 s，安全壳内部压力和温度在前1000 s随工况的变化并不明显。G2工况压力稍高于G1和G3工况，这是由于G2工况的壁面油污面积较大，油污位置的影响较小；G3工况的温度在1000 s后高于G1和G2工况，表明筒体侧面中端的油污对换热的影响比较重要。G4、G5和G6的标高依次降低，壁面油污的面积逐渐增大，所占湿区的面积比例也逐渐增大。油污面积的增大导致壁面换热恶化，压力峰值也随着增大，峰值出现时刻往后推移。随着喷淋水对壁面的不断冷却，以及内部温度的传导，安全壳内空间温度逐渐均匀。

图8 安全壳内压力Fig.8 Pressure in containment

图9 安全壳内温度Fig.9 Temperature in containment

根据事故工况下安全壳内压力峰值不能高于设计压力和SRP6.2.1.1.A中“安全壳压力应当在假想事故后24 h内降低到低于设计基准失水事故计算的最高计算压力的50%”的要求[7]，工况G6安全壳内部压力在24 h后超过最高计算压力的50%(即46.82 Psia)。按照设计要求，G6工况下安全壳视为失效。考虑存在一定的失效裕度，油污面积超过湿区面积的20%，换热恶化加剧，存在安全壳失效风险。

3.2 锈斑对安全壳失效风险分析

如图10、图11所示，工况G8安全壳压力和温度几乎与工况G7和G9重合，安全壳内部压力和温度变化并不明显，表明筒体锈斑区域能够快速导出安全壳内部的热量，对换热的影响比较弱。第二大类工况G10、G11和G12的标高依次降低，壁面锈斑的面积逐渐增大，所占湿区的面积也逐渐增大，分别为10%、15%、20%。前1000 s，安全壳内部空间压力和温度随工况的变化并不明显。随着壁面锈斑面积的增大，壁面换热恶化，安全壳内压力峰值也随着增大，峰值出现时刻往后推移。

图10 安全壳压力Fig.10 Pressure in containment

图11 安全壳温度Fig.11 Temperature in containment

根据事故工况下安全壳内压力峰值不能高于设计压力和SRP6.2.1.1.A中的设计要求，工况G12安全壳内部压力在24 h后超过最高计算压力的50%。按照设计要求，G12工况下安全壳视为失效。考虑可能存在的失效裕度，锈斑面积超过湿区面积的20%，存在安全壳失效风险。

4 结论

本文以大功率非能动反应堆钢制安全壳为研究对象，采用非能动安全壳专用计算程序对PCS进行建模。选取冷管段DEG事故为基准工况，分析了壁面换热削弱因素(以油污和锈斑为例)对安全壳的失效的影响，结果表明。

(1)针对选取的冷管段DEG工况，安全壳壁面出现油污和锈斑均会影响安全壳的换热，引起安全壳压力和温度上升。

(2)在事故发生后1000 s内，壁面油污及锈斑的位置和面积对换热的影响甚小；1000s后油污和锈斑的位置对换热影响较小，油污和锈斑面积对安全壳压力和温度影响占主导地位。

(3)通过对安全壳起拱线附近壁面油污和锈斑面积研究发现，随着油污面积和锈斑面积的增大，安全壳压力峰值逐渐升高，峰值时刻后移；油污面积或者锈斑面积超过湿区面积的20%时，安全壳均可能面临失效风险。

[1] SUTHARSHAN B，MUTYALA M，VIJUK RP，et al．The AP1000 reactor：Passive safety and modular design[J]. Energy Procedia，2011，1(1)293-302.

[2]SCHULZ TL．Westinghouse AP1000 advanced passive plant[J].Nuclear Eng Des，2006，236(14-16): 1547-1557.

[3]叶成，郑明光，王勇，等．AP1000非能动安全壳冷却水WGOTHIC分析[J].原子能科学技术，2013年12，47(12): 2225-2230.

[4]叶成，郑明光，王勇，等．AP1000安全壳厚度对传热性能的影响[J].原子能科学技术，2014，48(3)：458-461.

[5]王国栋．应用GOTHIC8.0程序分析AP1000核电厂PCS传热传质过程[J].原子能科学技术，2015，49(1)：83-88. [6]俞冀阳，贾宝山，郑成武．非能动安全壳冷却系统的一维分析程序PCCSAC-1D[J].核动力工程，1998，19(6)：551-555.

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[15]国家核电上海核工程研究设计院.国核压水堆示范工程初步安全分析报告[R].上海：国家核电上海核工程研究设计院，2012.

[16]国家核电上海核工程研究设计院.Gothic4.0程序用户手册/CLIME模块使用手册[R].上海：国家核电上海核工程研究设计院.

PotentialFailureEffectAnalysisofOilPollutionandRustinessonWallSurfaceforSteelContainmentunderAccidentConditions

SHI Xingwei，LAN Bing，HU Jian，YU Dapeng，LEI Lei*，WEN Lijing，QIAO Xuedong

(Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China)

The steel containment is a significant shielding to protect radioactive fission products under severe accident conditions from being released to the atmosphere. In order to evaluate the potential failure risk under accident conditions, it is necessary to research and analyze the effects of the weakened heat transfer factors (as oil pollution and rustiness on the wall surface) for the containment integrity. The thermal-hydraulic model of passive containment cooling system (PCS) has been built with passive containment analysis code for large power passive reactor. Based on the reference case of double ended guillotine (DEG) on a cold leg, the effluence of unfavorable factors such as oil pollution and rustiness on the pressure and temperature in containment have been carried out, respectively. The analysis results show that:(1) in 1000 s after the accident occurs, the impact of location and area of the oil pollution and rustiness on the wall surface for the heat transfer are quite slight, however, the area effect of oil pollution and rustiness on the pressure and temperature in containment will assume dominant position for a long time; (2) the area of oil pollution and rustiness exceeds 20% of wet region near the springing line of the steel containment, which would face the failure risk.

oil pollution；rustiness；passive containment；DEG；containment integrity

TL364.3

：A

：1672- 5360(2017)02- 0024-05

10. 14173/j. cnki. hnhg. 1983. 01.011.

2017- 04- 14

2017- 06- 02

国家科技重大专项项目，项目编号： 2015ZX06002007

石兴伟(1985—)，男，山东菏泽人，博士，现主要从事反应堆事故模拟和安全分析工作