美国压水堆核电厂蒸汽发生器传热管完整性要求探析

向群，官益豪，涂智雄，刘江龙

（三门核电有限公司，浙江 三门 317112）

1 介绍

蒸汽发生器是压水堆核电厂，反应堆冷却剂压力边界的重要组成部分，其传热面积可占反应堆冷却剂压边界总面积的50%以上。因此，蒸汽发生器传热管是防止放射性裂变产物释放到环境中的主要屏障。其完整性对反应堆的运行安全及环境安全至关重要。在美国，传热管完整性要求是基于性能制定的，它包含在每个机组的技术规格书中。尽管近年来蒸汽发生器的设计和运行相关要求有所提高，但传热管完整性问题仍然存在。本文总结了针对蒸汽发生器传热管完整性的监管机制。

2 背景

美国核电厂蒸汽发生器传热管材料根据材质和热处理方式有三种类型：Alloy600MA、Alloy600TT和Alloy690TT。早期的蒸汽发生器传热管通常使用Alloy600MA，将传热管在熔炉内进行退火，以增强材料的耐腐蚀性。第二代蒸汽发生器传热管使用Alloy600TT，热处理工艺进一步提高了传热管的耐腐蚀性。第三代传热管采用Alloy690TT。这种材料被认为比其他材料更耐腐蚀，是目前美国蒸汽发生器传热管的首选材料。

3 法规要求

根据美国联邦法规，所有核电厂都须严格遵守技术规格书，在美国，所有压水堆电厂技术规格书中涉及蒸汽发生器传热管完整性的要求都是类似的。技术规格书要求制定蒸汽发生器大纲，以确保核电厂蒸发器传热管在两次检查之间的运行间隔内是完整的。技术规格书通过建立性能准则定义了构成传热管完整性的要素，同时要求监测一次侧至二次侧的泄漏率，定期对传热管进行检查，根据性能准则评估传热管的状况，并建立传热管堵管准则。技术规格书中的要求制定基础主要以性能为依据。

3.1 性能准则

技术规格书的要求基于设备性能，它规定了确保传热管具有足够完整性的性能准则，而没有规定如何达到这些准则的细节。蒸汽发生器有三个性能准则：结构完整性、事故引起泄漏和运行泄漏。当满足上述三个准则时，就认为蒸汽发生器传热管的完整性得到保证，且只有在传热管完整性得到保证时，蒸汽发生器才能继续运行。结构完整性和事故引起的泄漏性能准则是基于电厂的设计要求和许可证制定。美国核管理委员会（NRC）的运行泄漏性能准则是建立在工程判断的基础上，考虑到避免不必要的电厂停堆，同时考虑到超过结构完整性性能准则的概率。

（1）结构完整性性能准则。结构完整性性能准则要求为，在电厂正常运行、瞬态和设计基准事故（包括事故组合）期间，应保持防止传热管爆破和坍塌的裕度。美国核管理委员会根据美国机械工程师学会（ASME）等设计规范制定了这些准则。具体要求如下。所有在役蒸汽发生器传热管，应在所有正常运行条件范围内保持结构完整性，包括启动、功率运行、热备用和冷却以及设计规格书中包含的所有预期瞬态和设计基准事故。即在正常稳态满功率运行的一次侧与二次侧压差下，保持3.0的防止爆破安全系数，以及在设计基准事故的一次侧与二次侧压差下，保持1.4的防止爆破安全系数。除上述要求外，还应评估与设计基准事故相关的附加荷载条件，或根据设计和许可证基础事故组合，以确定相关荷载是否对爆破或坍塌有显著贡献。

（2）事故引起的泄漏准则。事故引起的泄漏性能准则要求将设计基准事故（传热管破裂除外）期间可能发生的一次侧至二次侧泄漏量限值，作为机组许可证基础的一部分进行评估。因此，要证明符合事故引起的泄漏性能准则，需要计算各种设计基准事故期间的预期泄漏量。计算的泄漏量必须小于事故分析中假设的泄漏量。制定这些特定的许可证基础依据是在发生设计基准事故后，相关的辐射后果符合（1）联邦法规10 CFR Part100“反应堆场址准则”中的“场外剂量”，和（2）10 CFR Part50附录A“核电厂的一般设计标准”中的“国内生产和使用设施的许可”，通用设计准则19中“主控室”的限值。要求如下。除蒸汽发生器传热管破裂外，任何设计基准事故引发的一次侧至二次侧泄漏率不得超过最终分析报告事故分析中假设的所有蒸汽发生器总泄漏率和单个蒸汽发生器泄漏率限值。每台蒸汽发生器的泄漏率不得超过1加仑/分钟（1gpm）。

（3）运行泄漏准则。运行泄漏性能准则要求每个蒸汽发生器的泄漏量限制为每天150加仑。尽管该准则不能确保传热管的完整性，但它在限制传热管破裂概率和间接提供传热管结构完整性和事故引起的泄漏完整性的指标方面是有效的。

3.2 泄漏监测

技术规格书要求许可证持有人在电厂运行期间监测一次侧至二次侧的泄漏。技术规格书是基于性能的，因为它没有规定如何监测这种泄漏。相关要求是，许可证持有人必须至少每72h监测一次泄漏。

3.3 传热管检查

技术规格书中的蒸汽发生器检查要求包含基于性能的和规定性的要求。从基于性能的角度来看，许可证持有人需要评估传热管可能发生的缺陷类型和位置，确定的检查方法、范围和检查间隔，必须足以确保在下次检查之前保持传热管完整性。要求如下。

检查传热管的数量和部位以及检查方法，应旨在检测沿传热管长度方向，从传热管入口与管板焊缝至传热管出口与管板焊缝之间，可能存在的任何类型的缺陷（例如，体积缺陷、轴向和周向裂纹）。传热管与管板的焊缝不是传热管的一部分。除满足以下（1）、（2）和（3）的要求外，检查范围、检查方法和检查间隔应确保蒸汽发生器管的完整性保持到下一次蒸汽发生器检查时。应进行降质分析，以确定传热管可能产生的缺陷类型和部位，并根据分析结果确定需要采用的检查方法和检查部位。

除了基于性能的检查要求外，还有规定性的检查要求。NRC制定的这些规定性要求，是确保对传热管状况进行充分监督。这些要求反映了蒸汽发生器传热管材料性能的改善。此外，还考虑了定性的工程经验。技术规范中的要求如下：

（1）在更换蒸汽发生器后的第一个换料大修期间，对每个蒸汽发生器的传热管进行100%检查。

（2）对采用Alloy600MA合金传热管的电厂：在每60个连续等效满功率月周期内，对传热管进行一次100%检查。第一个连续周期应在蒸汽发生器首次在役检查后开始。未经检查，任何蒸汽发生器不得运行超过24个等效满功率月或一次换料大修（以较小者为准）。

对于采用Alloy600TT合金传热管的电厂：在120、90和每60个连续等效满功率月周期内，对传热管进行一次100%检查。第一个连续周期应在蒸汽发生器首次在役检查后开始。此外，在最接近周期中点的换料大修前检查50%的管子，在最接近周期结束的换料大修前检查其余50%的管子。未经检查，蒸汽发生器不得运行超过48个等效满功率月或两次换料大修（以较小者为准）。

对于采用Alloy690TT合金传热管的电厂：在144、108、72以及此后每60个连续等效满功率月周期内，对传热管进行一次100%检查。第一个连续周期应在蒸汽发生器首次在役检查后开始。此外，在最接近周期中点的换料大修前检查50%的管子，在最接近周期结束的换料大修前检查其余50%的管子。未经检查，蒸汽发生器不得运行超过72个有效满功率月或三次换料停机（以较小者为准）。

（3）如果在任何一台蒸汽发生器传热管中发现裂纹显示，则下一次对每台蒸汽发生器导致裂纹显示的退化机理进行检查的间隔，不得超过24个等效满功率月或一次换料大修（以较小者为准）。如果有确定的信息，如拔管、无损检测判断或工程评估表明裂纹状显示与裂纹无关，则无需将该显示视为裂纹。

3.4 状态监测

为确保性能要求的有效性，许可证持有人必须定期验证蒸发器是否满足性能准则。许可证持有人必须在每次大修期间进行该评估。要求如下。

状态监测评估是指根据结构完整性和事故引发泄漏的性能准则，对传热管的“现状”进行评估。“现状”是指大修期间检查的蒸汽发生器传热管状态，在传热管堵管（或维理）之前，根据在役检查结果或通过其他方式确定。应在每次大修期间进行状态监测评估，在此期间检查、堵管(或修理)蒸汽发生器传热管，以确认满足性能准则。定期评估检查结果是基于性能策略的一个关键要素。它要求许可证持有人评估传热管在检查之前的运行间隔期间，是否有足够的结构和泄漏完整性。如果未保持传热管完整性，则表明需要采取纠正措施。

3.5 运行评估

为了确定应堵塞(或修理)的蒸发器有缺陷传热管是否完整，必须进行评估，证明在下一次传热管检查之前，蒸发器能够满足性能准则要求。具体要求如下：

如果运行评估确定有缺陷的传热管在下一次检查之前能够保持完整性，则可以允许电厂继续运行直到下一个检查间隔。否则在电厂进入模式4之前，必须将有缺陷的传热管堵塞（或修理）。

3.6 维修标准（也称为“堵管限值”）

蒸汽发生器（SG）的维修标准定义了允许SG传热管缺陷在下次检查之前虽然扩展，但仍然保证满足SG的性能准则的降质极限。

技术规格中的维修标准（历史上称为传热管“堵管限值”）是规定性的。所有电厂都有一个基于缺陷深度的传热管维修标准，要求缺陷超过特定限值的传热管退出服役。该标准与性能准则是相一致的；然而，有缺陷的传热管也可能在超过维修标准之前将其退出服役。这种可能是非常必要的，因为该标准是在对缺陷方向、下一个运行间隔期间缺陷增长的速率以及缺陷测量尺寸的不确定度进行特定假设的情况下制定的。如果预计燃料循环长度更长（比基于深度的维修标准制定中的假设长度更长），缺陷的增长率高于假设，并且缺陷测量尺寸的不确定度更大，则可能需要在传热管超过堵管限值之前对其进行堵管。具体要求如下。

在役检查发现的含有深度等于或超过标称管壁厚度40%缺陷的传热管，应进行堵管（或修理）。

3.7 技术规格书的修改

美国核行业界组建了SG技术规格书工作组（TSTF），根据运行经验和最新的研究成果对技术规格书中的要求进行不断优化，在提交NRC并获得批准后，各核电厂可以自主选择是否采用TSTF的内容，修改其技术规格书。

4 结语

NRC采取一种风险指引和基于性能的方法来管理蒸汽发生器。这种方法为核电厂运行提供了灵活性，同时确保了核电厂的安全。与任何基于性能的方法一样，对大纲绩效的监督并适时采取适当的纠正措施对核电厂安全至关重要。NRC采取这种基于性能的方法，以确保其许可证持有者保持传热管完整性并确保核电厂的安全。在过去几十年中，由于检查和监督的改进，以及蒸汽发生器抵抗降质能力的改进，核电厂蒸汽发生器性能得到提高。尽管如此，蒸汽发生器问题仍然需要关注。目前的运行问题包括支撑板降质、ALloy600传热管裂纹、更换蒸汽发生器的磨损以及沉积物堆积对蒸汽发生器性能的影响。鉴于蒸汽发生器传热管完整性对核电厂安全运行的重要性，及时解决蒸汽发生器的重大安全问题非常重要。