安全相关泵组小流量定期试验验收准则的改进研究

王树强，孙开宝，张 钊,，*，罗定国，唐博文，张 勇，李 根

(1.大亚湾核电运营管理有限责任公司 运行部，广东 深圳，518124；2.苏州热工研究院有限公司 核安全与运行技术中心，广东 深圳 518000；3.阳江核电有限公司 运行二部，广东 阳江 529941；4.西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

辅助给水系统(ASG)、安全壳喷淋系统(EAS)、安全注入系统(RIS)等是中国改进型三回路压水堆(CPR1000)核电机组的专设安全系统，在事故工况下其泵组投入使用并执行安全功能，以控制或缓解事故后果。这些安全功能的可靠有效需要实施定期试验进行验证。定期试验规定为在电站整个寿期按固定的周期和方法，对核电机组安全重要功能及可用性相关的系统和设备进行的周期性检查。目的是确定所指设施随时间推移在某些运行性能上是否变化，设计时确定的保护和专设安全系统的安全标准是否一直得到遵守，包含在保护和专设安全系统内的设备可用性标准本身是否得到遵守[1]。

辅助给水泵、安全壳喷淋泵和低压安注泵，均为离心泵，设置有小流量再循环管线，管线上设置有孔板。在电厂正常运行或者换料大修期间，电厂会定期用小流量管线对这些安全相关泵组泵进行试验，试验过程中监视并记录泵主要性能参数和振动参数，并判断是否满足验收准则。但作为监视参数之一的轴承温度，需泵小流量运行较长时间才能满足稳定判据，给泵的运行安全及可用性带来风险。目前国内外文献中，未见对该类定期试验问题的分析及改进研究。

本文分析安全相关泵组小流量定期试验设计原理和持续时间的选择，指出目前泵稳定判据存在的问题；参照ASME-OM标准和机组运行实践，提出该定期试验的解决方法和改进方案。以CPR1000机组ASG电动辅助给水泵小流量定期试验为例，给出改进方法和方案。

1 安全相关泵组小流量定期试验

为检验由反应堆保护系统(RPR)未闭锁信号启动的装置或执行机构的完好可用性，机组设计有T3定期试验，由运行试验人员在主控室RPR 定期试验画面上触发，机组人员配合实施。对每一个试验专门设计一个试验授权钥匙，从而保证在任何时候只能执行一组试验。T3试验是校核反应堆保护系统安全保护回路的最后阶段，包括安全触发逻辑和其有关执行机构的实际运行等[2]。验证ASG/EAS/RIS等安全相关泵组启动功能的定期试验是T3定期试验的一部分。

1.1 定期试验原理

做好定期试验前的系统在线，阀门状态核对后，运行定期试验人员首先在主控室操纵员站定期试验画面上分别点击相关控件，如：用 ASG055 KG 启动ASG 电动泵001PO，用RPA604 KC进行安全注入逻辑试验，用RPA621 KC进行安全壳喷淋信号逻辑试验，然后监测记录安全相关泵组(ASG辅助给水泵、EAS喷淋泵和RIS低压安注泵)的主要参数，核对相关阀门的及时准确动作等。

以辅助给水系统电动泵小流量定期试验为例，启动ASG001PO或002PO后，此时再循环管线投入，系统以小流量运行，其原理如图1所示。定期试验的主要操作如图2所示[3]。运行人员完成定期试验前的准备工作(包括试验涉及的所有系统和设备)后，在主控室发出启泵指令，在现场的性能试验人员和现场运行人员检查泵的启动状况，主控室运行人员观察定期试验画面上的泵主要参数，并于半小时后，记录这些主要参数。泵运行半小时后，主控室的运行人员借助定期试验画面的数据记录，判断10 min 内泵轴承温度变化，若小于 1 ℃，则认为泵温度稳定，记录轴承温度、振动等参数后，停泵结束试验；若大于 1 ℃，则泵继续运转，直到满足温度稳定准则后结束试验。

图1 ASG电动泵小流量定期试验原理图Fig.1 Flow diagram for minimum flow periodic test of ASG motor pump

图2 ASG电动泵小流量定期试验流程Fig.2 Process diagram for minimum flow periodic test of ASG motor pump

1.2 验收准则

CPR1000机组安全相关泵组一般都是离心泵，其小流量定期试验设计过程中，参照了早期的ASME规范第XI卷《核电厂部件在役检查规则》的IWP分册，其验证参数除泵出口压力、流量、振动外，还包括轴承温度。在IWP分册中对试验持续时间的要求如下所示[4]。

要求测量轴承温度时，应使每台泵运转直至轴承温度达到稳定，然后对规定的变量进行测量、观察和记录。当每隔10分钟一次，相继三次测量的温度读数变化不大于3%时，认为轴承温度稳定。

根据上述要求，泵启动后持续时间至少为半个小时；考虑到泵组润滑油的特性及温度报警值，将温度稳定判据设定为 10 min温度变化不大于 1 ℃。

1979年，ASME第XI卷的泵和阀分组转到ASME核电厂运行和维修委员会(O&M委员会)，经过长期的研究和ASME-OM标准的多次升版，关于离心泵的试验要求发生了较大变化。

2 存在的主要问题及改进方案

CPR1000机组安全相关泵组小流量定期试验过程中存在的主要问题分析及改进方案如下。

2.1 存在的问题

在CPR1000机组安全相关泵组小流量定期试验实施过程中，泵启动后运行0.5 h或1 h后，检查发现泵电机电流、出口压力、再循环流量等主要参数可达到稳定并满足验收准则；但此时轴承温度仍无法满足 10 min温度变化不大于 1 ℃，导致泵较长时间运行，定期试验实施时间较长。

作为T3试验一部分的安全相关泵组小流量定期试验，其试验频度较高，为每两个月一次；并且小流量较长时间运行，可能带来再循环管线振动高、结构完整性破坏而导致泵不可用等问题。

2.2 问题分析

美国压水堆机组的安全相关泵组也存在类似问题，NRC及ASME O&M委员会研究后认为，对于正常运行、冷停堆及换料时连续或定期运行的泵，或者备用系统中除试验外日常不允许的泵，其小流量定期试验提供的泵的状态信息有限，并且可能对泵带来损害。若机组对泵轴承温度进行连续监测，则可以用来判断轴承性能。但是，定期试验期间监测记录泵轴承温度对判断轴承性能的作用不大[5-8]。所以，在ASME OM 标准中，安全相关泵组小流量试验的监督内容已不再包括轴承温度，其试验持续时间的要求修改为在系统允许条件下泵运行尽可能稳定后，记录泵的相关参数。

目前CPR1000机组安全相关泵组小流量定期试验的主要问题是轴承温度是试验监视参数之一，同时轴承温度稳定判据过于严格，导致试验持续时间过长。

而参照上述ASME OM 2004标准要求[9]，轴承温度将不再作为试验监视参数，试验持续时间则综合考虑系统运行条件及启泵后运行情况进行选择。

2.3 小流量定期试验改进方案

通过上述分析，安全相关泵组小流量定期试验改进方案如图3所示，即在定期试验中不再监督并记录轴承温度，同时结合泵组设计、出场测试及机组定期试验结果，选择泵启动后达到稳定运行的时间为T0。

图3 ASG电动泵小流量定期试验改进方案Fig.3 Improvement scheme for minimum flow periodic test of ASG motor pump

3 ASG电动泵组小流量定期试验改进

下面以某CPR1000机组的ASG电动泵组为例，采用基于ASME标准的改进方案，对其小流量定期试验进行改进。改进的核心是试验持续时间T0的确定。下面将综合泵组设计、出场测试及实际定期试验结果来选择试验持续时间。

3.1 最小连续稳定流量

泵在小流量下运行时，泵效率较低；抗汽蚀性能较差；由于二次回流的存在，造成泵压力脉动，振动和噪声增加；同时其轴向力、径向力增加，对结构强度不利[10]。离心泵存在一个最小连续稳定流量(Qlmin)，是由水泵厂家设计并通过试验确定的、泵能够正常工作的最小流量。该CPR1000机组的ASG电动泵的Qlmin= 25 m3/h，而小流量定期试验下的再循环流量为33～36 m3/h，定期试验流量高于最小连续稳定流量最小连续稳定流量，电动泵可以正常工作。

3.2 出厂试验结果

该CPR1000机组ASG电动泵组的出厂试验中，在不同流量点上共进行了150 h的耐久性试验，期间进行了50 次不同时间间隔的启停试验及50 次大小流量循环，即流量从最小(25 m3/h)调至最大(155 m3/h)再回到最小(25 m3/h)的试验。耐久性试验中最小流量的累积运行时间为50 h。

耐久性试验中，泵轴承温度和泵出口流量随时间的变化规律如图4所示。在最小连续稳定流量下，驱动端轴承温度较低，泵启动后很快就达到稳定；而泵轴承非驱动端轴承温度较高，其达到稳定状态时间较晚，超过1 h才能达到稳定。这是因为泵启动初始阶段，轴向推力指向泵非驱动端，导致非驱动端推力轴承油流间隙小，流动剧烈而发热量高，所以其达到稳定状态时间较长。

图4 耐久性试验中泵轴承温度和流量曲线Fig.4 Pump bearing temperatures and Flow during endurance test

耐久性试验中，泵轴承振动速度和泵出口流量随时间的变化规律如图5所示。在最小连续稳定流量下，泵轴承驱动端水平振动速度、竖直振动速度，非驱动端水平振动速度、竖直振动速度，均大约1个小时达到稳定；整个试验过程中，所有振动测量结果均小于验收准则4.5 mm/s。

图5 耐久性试验中泵轴承振动速度和流量曲线Fig.5 Pump vibration and flow during endurance test

3.3 小流量管线振动

连接在主给水管道的小支管振动过大会导致连接部位的焊缝出现裂纹而导致渗漏事件的发生，对电厂的正常运行和安全相关设备的可用性带来影响[11，12]。

造成小流量管线振动过大的原因有：泵的周期激励；管内流体的湍流激励；节流孔板的过分节流出现汽蚀现象；流量孔板出现汽蚀现象；管道的走向不合理等。经过调试反馈、运行反馈和设计改进，通过合理的管系布置，增加管道支撑或改变管道流量的方法使水力激振避开管道共振区等措施，目前的CPR1000机组安全相关泵组的小流量管线，在定期试验期间振动情况满足相关标准，不会对小流量管线及其连接管线的结构完整性带来影响。

3.4 机组定期试验结果

以该CPR1000机组2020年ASG电动泵小流量定期试验为例，启泵后，在主控DCS画面监视的泵出口压力、出口流量、轴承温度、泵电机电流等主要参数的变化趋势如图6所示。泵启动后，约5 min左右，泵出口压力、泵出口流量就基本不变，达到验收准则，而泵轴承驱动端温度在泵启动1个多小时后，其温度变化仍高于1 ℃/10 min，图中游标值是停泵前十分钟数据对比，其中3ASG010 MT和013 MT不达标准，偏差分别为1.06 ℃/10 min和1.17 ℃/10 min，泵启动后已经运行1小时13分钟。另外，机组多次定期试验过程中，泵组振动均正常。

图6 定期试验结果Fig.6 Results of Minimum Flow Periodic Tests in one certain CPR1000 unit

3.5 试验持续时间的确定

综合上述分析，小流量运行下，非驱动端轴承温度稳定时间长于1 h，根据ASME OM标准，将轴测温度稳定做为稳定判据对定期试验来说意义不大，故将轴承温度监测及记录从定期试验中移除；而泵启动1小时后，泵振动稳定并满足振动验收准则，并且ASG电动泵组小流量管线振动正常，而泵出口压力和流量在启动后5 min左右就达到稳定。

综合上述因素后，取系统允许条件下泵运行稳定时间为1小时，即该定期试验持续时间T0=1 h。

4 结论

针对安全相关泵组泵启动后稳定标准过于严格，轴承温度稳定时间过长导致泵在小流量下较长时间运行的问题，分析其根本原因在于选择泵轴承温度变化速率作为稳定判据，导致试验持续时间过长。根据ASME OM 2004标准和相关研究，在定期试验中不再监视记录泵轴承温度；同时综合泵最小连续流量设计、出厂试验结果，管线振动情况和机组定期试验情况，在系统允许的条件下，选择定期试验持续时间，可实现小流量定期试验持续时间的改进。