李 輝，張雪霜，范 黎

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

根據(jù)HAF 102—2016《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》[1]要求，管道斷裂作為核電廠內(nèi)部潛在災(zāi)害之一，應(yīng)對其斷裂效應(yīng)進(jìn)行全面分析，在必要之處設(shè)置防護措施，以保護安全重要物項，從而保證核安全不受影響。管道斷裂后產(chǎn)生的效應(yīng)主要包括：噴射效應(yīng)、管道甩動、水淹現(xiàn)象及其他級聯(lián)效應(yīng)。本文所研究討論的化學(xué)介質(zhì)噴淋實際屬于噴射效應(yīng)的一種。本文將對核電廠內(nèi)含有化學(xué)介質(zhì)高能流體的管道破裂后可能造成設(shè)備腐蝕的情況進(jìn)行后果影響分析，并總結(jié)出合適的方法。

1 “華龍一號”的“化學(xué)介質(zhì)噴淋”現(xiàn)狀

管道破裂引起的噴射效應(yīng)對靶的影響一般包括：機械載荷（壓力、撞擊）、熱載荷（溫度，包括適當(dāng)?shù)胤降臒釕?yīng)力和熱沖擊）、流體特性（例如電氣設(shè)備中由于液態(tài)水的導(dǎo)電而導(dǎo)致的可能短路）和化學(xué)作用（特別指噴射流體不是水的情況）。最后一項即指噴射介質(zhì)的酸堿化學(xué)特性可能會對設(shè)備造成一定的影響。

在“華龍一號”設(shè)計中，雖然沒有單獨針對化學(xué)介質(zhì)噴淋這種效應(yīng)進(jìn)行分析，但在對管道斷裂這種災(zāi)害的防護上，依然做了多層次的縱深防御考慮。

第1層次：采用保守性設(shè)計，盡可能減少可能導(dǎo)致內(nèi)部災(zāi)害的源項。

“華龍一號”首先對核電廠中一些安全重要管道采用了“破前漏”（LBB）技術(shù)、超級管道以及斷裂排除區(qū)的設(shè)計，經(jīng)過特殊的制造技術(shù)及嚴(yán)格的在役檢查，從源項上減少了管道破裂的可能性；

第2層次：對識別出的需要進(jìn)行保護的核電廠物項，采用分隔或屏障等方式使其不受可能的內(nèi)部災(zāi)害的所有影響。

“華龍一號”對未特殊設(shè)計的高能管道確定了其斷裂點，并識別出可能受管道斷裂影響的安全重要物項，根據(jù)第二層次的防御要求，采用設(shè)置防甩擊件、位置或?qū)嶓w隔離、噴射屏障等方式使其不受可能的管道斷裂災(zāi)害影響。

第3層次：必要時可提升構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件本身的抗災(zāi)害能力。

由于實施困難或者實際不可行，則應(yīng)根據(jù)第三層次的防御要求，提高受影響物項自身的抗災(zāi)害能力，比如通過設(shè)備鑒定驗證設(shè)備可以承受災(zāi)害的能力，進(jìn)而考慮是否需要更換設(shè)備或材料；或者對于一些電氣物項采用高IP等級（IP56/IP66以上的設(shè)備滿足外殼各方向強烈噴水無有害影響）的設(shè)備來提高其抗災(zāi)害的能力。

通過上述防護措施可見，化學(xué)介質(zhì)噴淋效應(yīng)的相關(guān)防護，很多情況下已經(jīng)通過更上層級的縱深防御設(shè)計措施得以保護。隨著“華龍一號”工程設(shè)計的施工進(jìn)展，在詳細(xì)物項布置時仍會存在少量的安全級設(shè)備（特別是電氣設(shè)備）可能會被管道破裂的酸性、堿性噴射流體所噴淋，且設(shè)備本身并沒有預(yù)期設(shè)置相應(yīng)的防護等級，存在一定概率的失效風(fēng)險。如果對這些設(shè)備均按照上述防護設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，會隨之帶來很多問題，比如：高數(shù)量的設(shè)置防護支架或管道防甩擊件等屏障，或是重新研發(fā)高防護等級設(shè)備以及重新進(jìn)行設(shè)備鑒定，這都將大大提高核電廠的建造成本并可能因此延長工期；且某些管道或設(shè)備由于實際布置及施工情況，增設(shè)屏障或進(jìn)行隔離也存在一定困難。

2 影響分析

2.1 化學(xué)介質(zhì)噴淋分析步驟與分析思路

在設(shè)備是否能夠承受酸堿影響的分析中，本文從內(nèi)部災(zāi)害防護的角度，結(jié)合對現(xiàn)有設(shè)計影響的最小化的考量，對“華龍一號”機組的設(shè)計提出了對于酸堿介質(zhì)噴射的分析思路：

（1） 排除經(jīng)過特殊設(shè)計的管道，篩選出不滿足要求的源項（可能發(fā)生斷裂的含高能酸堿流體管道）。

（2） 篩選出在步驟 1中的管道周圍可能受影響且未設(shè)計隔離、屏障等防護措施而可能受酸堿流體直接噴淋的設(shè)備，進(jìn)行第 3步分析。此步驟中還應(yīng)排除機械設(shè)備，原因為24 h的酸堿介質(zhì)噴淋不會對其造成危害。

（3） 篩選出步驟 2中本身不具抗災(zāi)害能力的受影響設(shè)備?？s小范圍后，進(jìn)行第4步分析。

（4） 根據(jù)內(nèi)部災(zāi)害驗收準(zhǔn)則，保守分析可能被噴淋到的設(shè)備失效（功能失效、誤信號、故障模式等）是否會影響對該管道破裂事故的緩解進(jìn)程，甚至是否會引發(fā)其他事故工況。進(jìn)而判斷是否增設(shè)防護措施。

本研究的重點就在于上述第4步的分析，即縱深防御三層依然沒有防住，且可能導(dǎo)致安全級設(shè)備失效的后果分析。按照CP03T0045《內(nèi)部災(zāi)害防護設(shè)計準(zhǔn)則》[2]的驗收準(zhǔn)則要求，認(rèn)可設(shè)備失效評價可退防到第三個縱深防御層次。當(dāng)安全級物項失效時，結(jié)合該災(zāi)害引發(fā)的具體工況及相應(yīng)投入的緩解措施，并結(jié)合單一故障準(zhǔn)則來判斷，該設(shè)備的失效后果是否可以接受。如果滿足驗收準(zhǔn)則的相關(guān)要求，認(rèn)可該設(shè)備允許失效，則不需要增設(shè)相應(yīng)的防護措施。這樣一來，可以僅針對少量不允許失效設(shè)備的具體布置及設(shè)計情況，選擇一種最合適的防護手段進(jìn)行增設(shè)即可，從而能夠大大降低額外的設(shè)備升級采購或防護設(shè)施設(shè)置成本。

2.2 受管道破裂或斷裂影響的安全重要設(shè)備清單梳理

首先，從布置上對核電廠的安全重要物項進(jìn)行了梳理，形成了安全重要物項清單，其中包含 570多個設(shè)備。結(jié)合三維模型輸出判斷包含酸堿介質(zhì)的管道所經(jīng)過的房間是否存在安全重要物項，得出了酸堿介質(zhì)管道穿行房間的安全重要物項清單，其中包含250多個安全重要物項。后根據(jù)力學(xué)專業(yè)提供的管道裂紋點和破裂點的位置，對上述250多個物項進(jìn)行逐一篩選，確定管道破裂點周圍是否存在安全重要物項，最終得到在酸堿介質(zhì)管道破裂點的噴射范圍內(nèi)存在98個安全重要物項。通過鑒定、查證IP等級等措施，排除了61個設(shè)備。最終整理出37個設(shè)備沒有有效的防護措施、受酸堿介質(zhì)噴射影響的安全重要物項清單。

2.3 化學(xué)介質(zhì)噴淋設(shè)備是否允許失效分析

根據(jù)2.1節(jié)的方法，針對篩選出的37個防護等級不足的設(shè)備，結(jié)合《內(nèi)部災(zāi)害防護設(shè)計準(zhǔn)則》的要求逐一進(jìn)行了是否允許設(shè)備失效的分析。下面舉例說明在分析中是如何運用驗收準(zhǔn)則對設(shè)備是否允許失效進(jìn)行判斷的。

（1） 被噴淋設(shè)備允許失效

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（WCC）中/5WCC0045-323.8管道為波動箱下游至A列兩臺WCC泵的母管（見圖 1）。可能受其破裂影響的設(shè)備為WCC壓力傳感器001SP，其作用是在運行中的WCC泵出現(xiàn)故障或偶然停運的情況下（出現(xiàn)低壓信號）切換至同系列另一臺泵。若此管道發(fā)生破裂，泄漏量可由波動箱、核島除鹽水分配系統(tǒng)（WND）或核島消防水分配系統(tǒng)（FWD）補水得到補償，WCC的A系列可以維持正常運行。此時不要求 001SP執(zhí)行其安全功能；若001SP產(chǎn)生誤信號，啟動了同系列另一臺泵也不會影響安全功能的實現(xiàn)。如果管道破口不能被補償，則根據(jù)波動箱事故液位信號閉鎖 A/B列之間的切換，由于001SP只用于啟動同系列泵，故其失效與否對事故處理無影響。

圖1 WCC系統(tǒng)管道影響其壓力傳感器Fig.1 WCC system pipeline affecting its pressure sensor

通過事故進(jìn)程的分析，首先 WCC管道破裂本身不構(gòu)成Ⅱ類或以上事故工況，又因系統(tǒng)為 2 × 100%冗余系列配置，切換另一系列能保證系統(tǒng)正常運行，屬于驗收準(zhǔn)則中“獨立于Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ類工況”的內(nèi)部災(zāi)害。且如果造成負(fù)責(zé)同系列切換的壓力傳感器001SP失效，對冗余的安全系列切換不會造成影響，即“不會引發(fā)Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ類工況或設(shè)計擴展工況”。因此根據(jù)內(nèi)部災(zāi)害驗收準(zhǔn)則要求，認(rèn)為此傳感器允許失效，不必進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。

（2） 被噴淋設(shè)備不允許失效

在WCC系統(tǒng)中，WCC系統(tǒng)的/5WCC0320-73.0管道位于公用環(huán)路RNS的上游，為核取樣系統(tǒng)（RNS）熱交換器提供冷卻水（見圖2）。可能受其破裂影響的設(shè)備是 WCC的一個壓力控制器 026SP。026SP為探測重要廠用水系統(tǒng)（WES）B列泵出口壓力的開關(guān)，當(dāng)其低壓信號比正常備用時間長時，證明WES的B列喪失，則會自動啟動A列，同時導(dǎo)致相應(yīng)的WCC系統(tǒng)A列自動切換。管道破裂后分兩種情況進(jìn)行分析：

1）若該 WCC管道破裂、泄漏量可由波動箱、WND或 FWD補水得到補償，該列可以維持正常運行。此時，如果造成026SP發(fā)出誤信號，導(dǎo)致WES由B列向A列切換，則WCC相應(yīng)地向A列切換，WCC仍維持正常運行。此時根據(jù)驗收準(zhǔn)則3.1.1節(jié)描述，“獨立于Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ類工況”的內(nèi)部災(zāi)害沒有引發(fā)更嚴(yán)重事故，因此認(rèn)為此壓力控制器可允許失效。

2）若該WCC管道破裂，且泄漏量無法由WND或FWD補償。則在運系列的波動箱會發(fā)出“事故液位”信號，同時保守考慮 WCC管道破裂導(dǎo)致026SP誤信號立即發(fā)出。

圖2 WCC系統(tǒng)管道影響WES系統(tǒng)壓力控制器Fig.2 Influence of WCC system pipeline on WES system pressure controller

如果026SP誤信號的發(fā)出早于波動箱“事故液位”信號，則WCC由B列切換至A列，A列與公用環(huán)路的隔離閥打開（故障列與公用列間隔離閥的關(guān)閉操作由75 s后的報警信號提示，由操縱員在IIC手動操作關(guān)閉），兩個安全列均與公用系列相通，盡管“事故液位”信號隨后發(fā)出，但該信號只自動閉鎖列間切換，并不自動關(guān)閉已經(jīng)打開的列間隔離閥，因此，考慮操縱員手動操作的遲滯（對于內(nèi)部災(zāi)害分析至少 30 min），一旦出現(xiàn)該最不利情況，兩列WCC可能面臨短期全部排空風(fēng)險。

根據(jù)上述分析得知，此管道破裂后，若026SP誤信號發(fā)出早于波動箱“事故液位”信號，則會導(dǎo)致 WCC兩列冗余的安全系列短期全部排空的風(fēng)險。根據(jù)驗收準(zhǔn)則要求，兩列冗余的安全系列均失效是不可接受的，因此，認(rèn)為此壓力控制器不允許失效，需要設(shè)計防護支架對此壓力控制器進(jìn)行保護。

3 結(jié)論

本文遵循以縱深防御原則和內(nèi)部災(zāi)害驗收準(zhǔn)則提出的化學(xué)介質(zhì)噴淋導(dǎo)致設(shè)備失效的分析方法，對受到酸堿腐蝕后可能失效的37個設(shè)備進(jìn)行了失效后果分析。通過后果分析，在37個可能失效的設(shè)備中，有34個是可以允許其失效的（如核島消防系統(tǒng)/核取樣系統(tǒng)/蒸發(fā)器排污系統(tǒng)閥門、柜間通風(fēng)系統(tǒng)儀表、廠用水壓力傳感器等），不需要額外通過防甩件、防護支架、升級設(shè)備防護等級、重新設(shè)計增補K1鑒定等方式來增設(shè)防護措施；僅有的3個不允許失效的電氣設(shè)備，綜合經(jīng)濟性、可實施性等因素考量，通過在破裂點和設(shè)備之間設(shè)置防護支架，用以阻擋噴射流的直接沖擊，在滿足安全要求和保證工程進(jìn)度的條件下減少了設(shè)計變更，提高了經(jīng)濟性。

本文僅結(jié)合含有酸堿介質(zhì)的高能流體系統(tǒng)，并給出了完善的分析流程和有益的分析結(jié)果。而且，鑒于目前在我方設(shè)計的管道破裂防護中，首選斷裂排除、破裂點防甩件等從源項上進(jìn)行防護的設(shè)計方案，但實際上存在很大的優(yōu)化設(shè)計空間，即可以將防御層次后撤，分析其后果是否會影響到安全級物項甚是安全級物項的失效能否接受，從而可能會大大減少防甩件的設(shè)計。由此，通過綜合判斷后采取更合適的防護措施或分析方法，從而能夠進(jìn)一步提高電廠的經(jīng)濟性。

此外，本研究的分析流程和實踐也給核電廠內(nèi)部災(zāi)害的防護設(shè)計提供了一套可實施的方法和參考。比如，在內(nèi)部飛射物造成的物項失效分析中也可采用該思路方法進(jìn)行后續(xù)工作，從而減少飛射物屏障或其他防護的設(shè)計。