核电设备LOCA试验方法探讨

丁多亮， 郑开云

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

随着我国第三代核电自主化进程的不断推进，大量的安全级核电设备需要实现国产化，为贯彻第三代核电更高的安全性和经济性的路线，对核安全设备鉴定[1-2]提出了更高的要求。设计基准事故(DBA)环境试验是验证在核电厂DBA环境工况(包括核电厂安全壳内冷却剂丧失(LOCA)事故、核电厂安全壳内(外)主蒸汽管道破裂(MSLB)事故，以及其他的高能管道破裂(HELB)事故)期间以及事故后，试验样机暴露在DBA的温度、压力、湿度、喷淋、水淹环境下执行安全功能的能力。DBA环境试验(习惯上统称LOCA试验)通常是设备鉴定中最后一项试验，在此之前样机已经历热老化、辐照、地震等一系列鉴定试验，且老化模拟接近寿命终点。笔者针对我国正在实施的两种型号(文中分别称之为A型机组和B型机组)三代核电设备LOCA试验，介绍了试验的基本要求、试验方法，并对试验实施过程中遇到的技术问题提出了解决方案。

1 基本要求

LOCA试验包括试验前初始阶段(预热)、事故阶段(热冲击)和事故后阶段(保温)三个阶段，其中对于安全壳内的设备有化学喷淋要求，某些安装标高低的设备还需要模拟被地坑水浸没的工况：

(1) 初始阶段：如果试验程序对初始环境无要求，试验仓内温度保持在试验样机正常运行工况时的温度，压力保持在正常大气压，持续足够长的时间使试验样机与环境达到平衡状态。

(2) 事故阶段：试验仓温度在规定的短时间内拉升至峰值温度，同时试验仓压力也要达到要求值，这一热冲击过程的温度和压力曲线应包络试验要求曲线。

(3) 事故后阶段：热冲击过后，对试验样机进行化学喷淋，随后温度开始缓慢下降，压力达到峰值后也缓慢下降，达到试验要求持续时间后冷却至室温。

2 试验方法

2.1 A型机组核电设备

A型机组设备鉴定按美国或IEC标准[3]开展，但是A型机组LOCA试验方法与B型机组LOCA试验方法的基本原则大同小异，试验裕度相同，具体试验参数、要求曲线和化学喷淋要求等有所不同。

A型机组核电设备LOCA试验过程分以下三个阶段：

(1) 初始状态：试验样机就位，确保试验仓完全密封后，使试验仓内温度达到试验样机正常运行工况温度，压力保持在正常大气压下并在容差范围内，保持至少2 h。

(2) 事故阶段：模拟LOCA发生时环境状态急剧变化的瞬态过程，试验仓内温度在第1 s内温度升高到130 ℃以上，18 s时达到峰值温度；试验仓内压力在第1 s内升压至峰值压力一半以上，460 s时达到峰值压力。热冲击过后，温度和压力开始下降。

(3) 事故后阶段：热冲击过后约10 min开始化学喷淋，喷淋体积流量为1.02×10-4m3/s[4]，喷淋液成分及喷淋持续时间应符合试验样机技术规格书的要求。化学喷淋结束后，环境温度和压力缓慢降低，试验样机经受长时间的蒸汽湿热环境的作用，规定试验时间到达后，试验仓冷却至常温常压，打开试验仓后取出试验样机。

2.2 B型机组核电设备

试验样机的安装应模拟核电设备实际运行工况下的安装方式和安装位置，合理布置温度和压力测点，对试验仓进行密封并通过预充压缩空气的方法进行密封性能验证。

根据GB/T 12727—2002 《核电厂安全系统电气设备质量鉴定》的规定，在保持设备功能不变的情况下，对于B型机组核电设备LOCA试验采用下列鉴定裕度：

(1) 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1.0×105Pa。

(2) 压力：10%饱和蒸汽压力(相对压力)，但不大于1.0×105Pa。

(3) 时间：在设计基准事件以后要求设备工作时间延长10%。

对于B型机组核电设备，模拟DBA环境的LOCA试验曲线与以前的二代核电设备LOCA试验曲线相同，但是对于模拟严重事故环境的LOCA试验则有新的要求，可分为以下三个阶段：

(1) 初始阶段：试验样机就位，确保试验仓完全密封后，使试验仓内温度达到试验样机正常运行工况下的温度，压力保持在正常大气压力下并在容差范围内，保持至少24 h。

(2) 事故阶段：在0.5 min内使试验仓内温度达到峰值温度，压力达到峰值压力，然后保持12 h。

(3) 事故后阶段：启动化学喷淋[4](喷淋液pH为9.26(20 ℃)；硼酸的质量分数为1.5%；NaOH的质量分数为0.6%；喷淋体积流量为1.02×10-4m3/s(容器水平面)，化学喷淋持续时间为96 h；同时从12 h开始至24 h，试验仓内压力和温度降至要求值，并保持此状态至规定时间。达到试验时间后，试验仓冷却至室温，打开试验仓取出试验样机。

2.3 LOCA试验过程中试验样机执行动作的方法

试验样机在初始阶段、事故阶段和事故后阶段都应该进行功能试验，以验证其在DBA过程中的可操作性满足相关安全功能的要求。

以阀门执行机构为例[5]，如果试验样机的安全功能只包含一种动作，试验样机应在峰值条件下的主要方向和输入条件下执行动作；如果试验样机的安全功能包含一个或多个方向的多重动作或试验样机应用于多种工况，应根据以下原则验证其在最严苛工况下的可操作性：

(1) 当试验仓内温度达到峰值温度时，试验样机应在最严苛温度条件和输入条件下在主要方向执行一次安全功能(对于气动执行机构，最严重工况可能在热冲击的初始阶段，而对于电动或液压执行机构则在试验仓内热平衡建立以后)。

(2) 当试验仓内压力达到峰值压力，试验样机应在最严苛压力条件和输入条件下在主要方向执行一次安全功能。

(3) 当进行化学喷淋或水喷淋期间，试验样机应在最严苛压力条件和输入条件下执行一次安全功能。

(4) 如果鉴定要求规定整个过程都需要进行功能验证，那么试验样机需要在额定输入条件下执行多重动作，此外在最大输入条件和最小输入条件下应至少执行一次动作。在试验开始的24 h内，每隔一定时间执行一次动作，24 h以后每天执行一次动作。

2.4 水淹试验方法

对于A型机组核电设备，安全壳内某些安装标高低的设备还需要模拟被地坑水浸没的工况，即水淹试验。试验样机应按适当的方式安装在密闭的试验装置内。安装应使试验样机直接曝露于水淹环境中。试验样机上所带电缆应通过适当的方式(如贯穿件)从试验容器内穿出。所有连接应具有可靠的电气和密封完整性。试验样机应完全浸没于水淹介质液面以下。

以阀门执行机构为例，水淹试验分为两个阶段：第一阶段是降温降压阶段，试验介质初始温度即为峰值温度，液位上方气压即为峰值压力，在规定的时间内，温度和压力降至要求值；第二阶段是保温保压阶段，试验介质温度和压力保持在第一阶段结束时的状态直至试验结束。试验期间，试验样机应按要求执行动作。

3 相关技术问题

三代核电LOCA试验要求高、过程复杂，所以LOCA试验实施过程中会遇到一系列技术问题。

(1) 试验样机的安装。LOCA试验过程中要求试验样机执行功能试验需要有电缆线和信号线等穿出试验仓，为保证LOCA试验的顺利进行，电缆线和信号线等必须很好地密封。经常遇到一些厂家自带的电缆格兰头在LOCA试验中漏气或电缆格兰头密封过程中损坏电缆线，导致试验样机无法动作或信号无法监测而中止试验。为此笔者在试验实践中不断摸索，并设计了专门用于LOCA试验的电缆格兰头(见图1)。

1—本体;2—硅胶垫;3—锁紧螺母;4—电缆;5—试验仓法兰;6—试验仓。

图 1 LOCA试验用电缆格兰头

电缆格兰头有两种类型：第一种由本体、硅胶垫、金属垫片、T形对轴器和锁紧螺母组成，依次安装在试验仓法兰上通过内螺纹锁紧螺母挤压硅胶垫实现密封；第二种由本体、硅胶垫、锁紧螺母组成，依次安装在试验仓法兰上，通过外螺纹锁紧螺母挤压硅胶垫实现密封。两种格兰头都能基本保证LOCA试验高温高压环境下电缆的密封性能。

(2) 热冲击过程。事故阶段的热冲击过程，试验仓内温度和压力要在短时间内实现突变，由于采集环境条件变化的传感器需要一定的响应时间，而且受限于目前的设备条件和技术条件，热冲击的初始阶段，试验曲线很难包络要求曲线。因此，对于LOCA试验的热冲击过程，至少要求热冲击结束时的温度和压力达到要求值，而热冲击过程的初始阶段，试验温度压力曲线可以不完全包络要求试验曲线(见图2)。如A型机组的LOCA试验要求第1 s温度由50 ℃达到160 ℃，实际试验实施过程中，只要求第1 s结束时温度达到160 ℃，而从0 s到1 s的中间过程可以不要求试验曲线完全包络，如0.2 s时试验温度为60 ℃，低于72 ℃要求温度，但1 s时，试验温度达到了160 ℃，这个热冲击过程是可以接受的。

图2 LOCA试验热冲击阶段温度曲线

(3) 化学喷淋。化学喷淋会导致试验仓内的温度和压力产生较大的波动，LOCA试验中采用加热喷淋液的方法，将喷淋液预先加热到喷淋开始时试验仓的温度(温度和压力留有足够的裕量)，并及时补充过热蒸汽，保持试验仓内环境稳定，但是仍有可能出现短时间温度和压力低于要求值的现象(见图3)，这属于实际运行工况下的正常现象，但是需要及时调整至正常温度和压力状态。

图3 LOCA试验喷淋阶段温度曲线

(4) 试验样机功能试验。以阀门执行机构为例，根据标准IEEE Std 382(2006)的要求，如果试验样机的安全功能包含一个或多个方向的多重动作或试验样机应用于多种工况，试验样机应在最严苛工况(包括最高温度、最高压力、喷淋等)下执行多重可操作性试验，如果鉴定要求整个过程都需要进行功能验证，试验样机需要在额定输入条件、最大输入条件和最小输入条件下分别执行动作。

实际在LOCA试验实施的过程中，由于试验仓完全密封、试验样机体积较大、执行动作过于复杂、运行状态无法监测、执行动作过程存在安全隐患等种种原因，可能导致要求的功能试验无法全部实现，因此需要与委托方沟通，对试验样机功能试验进行适当的简化，如只进行LOCA试验前后试验样机的可操作性对比，从而判定试验样机是否能在核电站LOCA工况下执行安全功能。

(5) 事故后阶段的温度和压力变化过程。事故后阶段的温度和压力变化过程，由于热量损失(热传导、热辐射等)、制造工艺受限、试验仓不可能完全绝热、也不能完全密封，所以在实际试验过程中，要不断地向试验仓内补充过热蒸汽以维持试验仓内温度和压力等环境条件的稳定。这必定导致实际的温度、压力曲线在一定范围内波动，而不是一条平滑的曲线，而且控制和数据采集系统存在一定的延迟，也有可能在某一段很短的时间内实际值低于要求值(见图4)。因此，LOCA试验曲线只要求整体包络，对于个别短时间的试验值低于要求值的时间段可以忽略。

(6) 随着三代核电技术的引进消化吸收和设备国产化进程的加快，国内核电设备鉴定的标准、规范不断完善，为提高核电站的安全系数，保证核电站寿期内稳定运行，国内一些标准规范对于设备鉴定条件提出了非常严苛的要求。这就导致一些受限于试验装置能力的鉴定试验无法实现。如LOCA试验，有些设计规范规定试验环境的温度和压力在0.5 s内从事故前(50 ℃，0.1 MPa)达到事故发生时的峰值温度和峰值压力(158 ℃，0.517 MPa)，而目前国内最先进的LOCA试验仓也是做不到的。所以在制定核电设备鉴定的标准规范时应充分考虑设备鉴定的可行性、合理性。

图4 LOCA试验事故后阶段温度曲线

4 结语

两种型号的三代核电LOCA试验的原理基本一致，但试验参数和具体要求有所差异，需要在实际试验中注意。试验过程中应采用比较科学的方法解决试验样机安装时电缆的密封、热冲击过程中曲线的包络、化学喷淋时试验仓环境状态的稳定、试验样机功能试验的执行以及事故后阶段试验环境的变化等技术问题，按照保守原则模拟核电厂设计基准事故环境条件，科学、合理地制订试验规程，规范操作并保持充分的记录，确保LOCA试验成功实施。