压水堆核电站高能管道破裂动态效应消除方法及应用

徐 宇，张 敏，盛朝阳，凌礼恭，*

（1.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2.深圳中广核工程设计有限公司，深圳 621900）

在压水堆核电站设计中，一般将管道中介质温度超过100℃或者压力超过2 MPa的管道定义为高能管道。这些高能管道均为重要系统对应的管道，如反应堆冷却剂系统对应的管道，与电站的安全性紧密相关。根据相关法规和标准的规定，除非能够证明管道的断裂概率非常低，否则需要在设计中考虑这些管道断裂带来的动态效应［1-5］。管道破裂的动态效应主要分为三类：水力效应、流体喷射效应以及管道甩击效应，如图1所示。

图1 管道破裂动态效应示意图Fig.1 Dynamic effects of piping break

管道破裂动态效应会导致一个局部的瞬态动态载荷（破管载荷）作用在与之相连接的管道和设备中。由于这些载荷一般非常大，因此为应对管道破裂动态效应，不仅需要在电站设计中设置防甩件、防爆支架、防喷射装置等，而且还需要加强一些重要设备的结构设计，从而增加了设计的难度。

利用增加硬件设施来应对高能管道破裂动态效应的方法，不仅增加了电站的设计、采购、安装和运行维护的成本，而且增加的硬件设施，往往会减小在役检查的空间，影响在役检查的效果。因此这种方法不仅增加了电站的成本，而且最终会成为影响电站安全的不利因素。

因此，排除动态效应不仅会提升电站的安全性，而且可以简化电站设计，优化在役电站的结构和布置空间，从而提升电站的经济性和安全性。HAD 102/04也明确对于低概率破裂，以及应用破前漏（LBB:Leak Before Break）技术或破裂排除的高能管道，可以不假设破裂［6］。本文介绍几种通过设计消除高能管道破裂动态效应的方法，并对方法的优缺点进行对比和说明，对各种方法的使用，尤其是对在役电站的应用可行性进行了探讨。

1 动态效应消除方法

本节介绍的动态载荷消除方法是指通过提升材料性能、优化材料制造加工工艺、控制应力和疲劳使用因子水平、加强在役检查、增加泄漏监测等实时监测设置中的一种或者几种手段证明该处管道破裂失效的概率非常低，从而消除管道双端剪切断裂动态效应的设计理念。工程中常见的几种方法为破口假定免除、破前漏技术应用［7］、破裂排除（BP:Break Preclusion）概念［8］应用以及高可靠性部件［9］（Incredible of Failure，即IOF）论证。

1.1 破口假定免除

破口假定免除根据其应用的范围可以分为两类：一类适用于所有高能管道，另外一类仅适用于安全壳贯穿区域的高能管道［10］。

1.1.1 破口假定免除通用准则

高能管道破口假定免除对于1级管道和2、3级管道分别有不同的免除准则［11］，见表1。

表1 破口假定免除准则Table 1 Principle of break assumption exclusion

1.1.2 安全壳贯穿区域的高能管道

安全壳贯穿区域通常是指在安全壳内外两个安全壳隔离阀之间连接安全壳贯穿件的管道。对于该部分管道满足表2的准则后，可以消除该部分的管道破裂动态效应［11］。

表2 安全壳贯穿区破口假定免除准则Table 2 Principle of break assumption exclusion in Containment Penetration Area

安全壳贯穿区域的高能管道满足破口假定免除的要求后，可以不用考虑该部分管道破裂导致的动态效应。与1.1.1节不同的是，端点破裂的动态效应也可以不用考虑。实施安全壳贯穿区域的破口假定免除后的高能管道，不仅可以消除该管道上的破裂动态效应，而且还可以减小在环境鉴定中破口面积的假设。规范中规定在主蒸汽隔离阀等设备的鉴定中，考虑的主蒸汽破口面积为1平方英尺［12］，远小于主蒸汽管道的流通面积。

1.2 破前漏技术

破前漏的设计理念认为：管道不会发生快速断裂，而是先出现穿壁裂纹，发生泄漏，泄漏可以通过泄漏监测系统监测到，然后采取措施避免管道出现双端剪切断裂［13，14］。应用破前漏技术的流程主要如图2所示。

图2 破前漏技术分析流程Fig.2 Procedure of Leak-Before-Break

破前漏技术主要内容包括四个部分：破前漏技术先决条件验证；泄漏监测能力评估；临界裂纹计算（裂纹稳定性分析）；泄漏监测裂纹计算［14］。

其中应用破前漏技术的先决条件验证是为了保证破前漏分析对象发生脆断的概率非常低，确保破前漏分析中考虑的载荷、失效模式、材料性能与核电站实际情况一致或者偏保守。

泄漏监测系统能力评估是为了获得核电站的泄漏监测能力，泄漏监测系统一般应该包括两种定量监测手段，且两种定量监测手段应该使用不同的监测原理，不会导致共因失效，确保泄漏监测系统的可靠性［15］。

泄漏监测裂纹计算是计算核电站正常运行工况下可以被泄漏监测系统监测到的最小裂纹长度，即在电站正常运行时，在该裂纹长度下，对应的泄漏率与核电站的泄漏监测能力（考虑一定安全系数一般为10［14］）相等。

临界裂纹计算是计算考虑正常运行工况载荷与设计基准地震载荷联合作用下，保证管道稳定性的最大裂纹长度，确保在监测到泄漏前，管道不会失稳断裂。一般临界裂纹长度与泄漏监测裂纹长度之间的裕量为2［14］。

应用破前漏技术可以在设计中取消管道破裂的动态效应，对事故分析、设备鉴定环境、安全壳设计等没有影响，仍然按照管道双端剪切断裂来考虑。

1.3 破裂排除概念

破裂排除概念是一种类似破前漏技术的设计理念，最早是德国KTU公司提出的。破裂排除概念主要基于基本安全概念，包括基本安全（设计、材料和制造）和独立冗余（多重检验、最差条件原则、在役检查和断裂力学验证），其要求如图3所示［16］。破裂排除概念在基本安全概念的基础上增加了破前漏的论证，完成德国的破裂排除概念的论证，其实现步骤如图4所示［16］。

图3 基本安全的概念实施Fig.3 Application of basis safety

图4 破裂排除概念的实现步骤Fig.4 Application of basis safety

应用破裂排除概念后不再考虑管道破裂的动态载荷，但是在主设备的支撑设计中还需要额外考虑一个2pA的静载荷（p为管道内压，A为管道横截面积），同时在主管道应用破裂排除概念后，可以将主管道的双端剪切断裂事故假设从设计基准中排除，并将其按照超设计基准来考虑［17］。

1.4 IOF论证

结构完整性论证是确保核设施安全、可靠的重要部分，在英国通用设计审查中也是重点关注的技术领域之一。英国核安全监管中将结构完整性失效会导致严重的堆芯融毁或者大规模放射性泄漏的管道、设备归类为IOF，即高可靠性部件要求，需要确保该结构不会失效或认为失效可能性非常低（低于10-7/堆·年）。在IOF的设计和论证过程中主要内容包括［18］：

（1）采用可靠的经过验证的设计理念；

（2）应该包括运行工况和内外部载荷在内的详细的设计载荷；

（3）考虑潜在运行失效机制；

（4）使用经过验证的材料；

（5）制造过程的高标准要求；

（6）设计、制造、安装、运行全寿期的高标准的质量保证；

（7）役前和在役检查的缺陷控制；

（8）设计合理的失效保护措施；

（9）在役监控（运行瞬态和材料）；

（10）设计验证（实际材料性能与分析假设的一致性、设计功能的可实现性）；

（11）在役维修和优化设计的考虑。

高可靠性部件的论证是一个复杂的过程，其特点主要有以下几个方面：

（1）IOF论证是一个系统的论证过程，需要从多个方面综合考虑；

（2）需要进行大量的独立验证或第三方验证，如役前/在役检查能力验证等；

（3）大量的材料性能试验（断裂韧性试验、冲击功试验、应力应变曲线试验等）；

（4）复杂的断裂力学分析，在断裂力学分析中需要考虑役前/在役检查能力、焊接残余应力，甚至动态载荷对材料韧性性能的影响等因素。

因此要论证管道为IOF部件，不仅需要进行复杂的设计论证工作，还要开展大量的实验、在役检查、运行监控等相关工作。

2 动态载荷消除方法的异同性

上述方法都可以用来将高能管道中的动态载荷消除，但是由于原理不同，应用对象有差异，具体的应用手段也有区别，因此在工程设计中的使用策略也不尽相同。本文从力学分析的角度将以上方法分成两类：一类不考虑管道出现缺陷，通过应力来评估；一类考虑管道裂纹，通过确定论的断裂力学方法来判断。

2.1 基于应力评估的方法

破口假定免除是一种典型的基于应力评估的破裂动态效应消除方法。该方法通过在设计中限制管道的应力（1级管道需额外考虑疲劳使用因子），使其结构失效的风险非常低，从而在动态载荷设计和防护中不考虑对应位置的破口。

该方法应用方便，是核工业界广泛采用的一种方法，但是该方法仅限于管道中间节点，不适用于管道边界约束位置，不能彻底消除管道系统上的破裂动态效应。

对于安全壳贯穿区域的高能管道，引入了破口假定免除的应力限值，同时从布置设计、工艺设计以及在役检查等方面加强了要求，从而可以在包括管道约束端点在内的整个安全壳贯穿区域消除高能管道破裂的动态效应。当然1.1.2节的要求，还考虑了安全壳密封以及环境鉴定的破口假设相关的内容，并不完全是破裂动态效应免除的要求。

该方法也是一种基于强度理论的方法，同时还加强了设计以及在役检查的要求，来提高结构的可靠性，从而排除管道破裂动态效应。根据法规标准和电厂的实践，该方法仅适用于安全壳贯穿区域的高能管道。

2.2 基于断裂力学的方法

破前漏技术、破裂排除概念、IOF可以看作是基于断裂力学的动态载荷消除方法。在分析中都考虑了分析对象中假定的裂纹，通过确定论的断裂力学分析方法证明管道失效概率极低。但在具体分析过程中三种方法的侧重有所不同，对于设计、运行等方面的要求也有所不同。

破前漏技术和破裂排除概念理论基础近似。破前漏技术通过先决条件评估确保应用破前漏技术的管线不会发生快速断裂，并在考虑一定安全裕量的情况下，通过断裂力学分析论证假定的一个可以被泄漏监测系统监测到的穿壁裂纹在设计考虑的工况下能够保持稳定，来确保管道不会出现双端剪切断裂。

破裂排除概念在破前漏技术的基础上，通过强调选材、优化加工和制造工艺、增强役前和在役检查以及运行监控等措施加强了对穿壁裂纹的预防，从而降低管道出现缺陷的概率，提升管道抗快速断裂的能力。在断裂力学分析方面，与破前漏技术不同的是，破裂排除概念根据在役检查的能力，假定一个初始缺陷，并对该缺陷做一个全寿期和无限寿期直至贯穿壁厚的疲劳裂纹扩展和裂纹稳定性分析。总体来讲破裂排除概念类似一个更细化版的破前漏技术，更关注在泄漏裂纹出现之前的设计、分析和防护；另外一项差别就是破前漏技术可以应用于在役电站的设计改进，而破裂排除概念技术的应用局限于全新设计的电站。

IOF是英国核安全监管机构提出的一个对重要安全设备在结构完整性方面的分级要求。归类为IOF的部件在结构完整性要求上高于设计规范中的规范1级，被认为在寿期内不会出现结构完整性失效。IOF论证过程是一个复杂的系统工作，包括了设计、制造、在役检查和监控以及运行维护等多方面的内容，论证工作一般通过CAE（Claim-Argument-Evidence）的形式编制安全实例来完成。IOF论证的核心是断裂力学评价，评价对象与破裂排除概念类似，为基于役前或者在役检查的裂纹检出能力而确定的一个表面裂纹。IOF论证中涉及的因素更多，如需要在役检查能力要满足合理可行尽量低的原则；开展在役检查缺陷检出能力验证和第三方独立验证等。裂纹分析中考虑的载荷工况更复杂，要求尽量全面地考虑影响裂纹结构完整性的因素，如需要考虑焊接残余应力影响等。虽然对于满足IOF要求的管道，可以不考虑其管道破裂的动态效应，但是这种方法代价过于高昂，因此可能的使用范围仅局限于主管道、主蒸汽等重要管线。

综上所述，虽然第1节提到的各种方法都可以达到去除管道破裂动态效应的目的，但是各种方法依据的原理有差异，实施手段和难易程度不同，适用对象也不完全相同，当然达到的效果也各异。各种方法的简单对比见表3。

表3 高能管道破裂动态效应消除方法的要求对比Table 3 Comparison of requirements for methods to eliminate dynamic effects of high energy piping break

3 工程应用情况

合理地考虑高能管道破裂导致的动态效应是压水堆核电站设计的一项重要内容。上文提到的破管动态效应消除方法，均在核电站设计中得到了应用。具体的应用范围和应用特点有差异。

破口假定免除方法，因判定方法简单，实施方便，在不同类型的压水堆电站中均得到了广泛应用。安全壳贯穿区域的破口假定免除多应用在主蒸汽管道中，如传统的M310堆型、CPR1000、U.S.EPR。在三代堆型核电站研发中，该方法得到了更大范围内的应用，如AP1000堆型中该方法使用在了所有安全壳贯穿区域的高能管道中。

破前漏技术也是一种应用较为广泛的管道破裂动态效应消除方法，主要应用在安全壳内，应用对象为规范1、2级管道。该方法广泛应用于在役电站的改造、新电站设计和新堆型的研发中。在CPR 1000堆型和一些传统的“二代电站”中，破前漏技术主要应用在主管道中，在新研发的堆型中，破前漏技术得到广泛应用。在华龙堆型、U.S.EPR堆型中，破前漏技术应用到了主管道、波动管和主蒸汽管道，在AP1000堆型中破前漏技术得到更广泛的应用，应用在了安全壳内除主给水管道外所有6英寸以上的高能管道中。

破裂排除概念与破前漏技术的原理类似，最初主要应用在德国，应用范围相对较小，要求应用对象为规范1级管道，且一般只能应用在新电站的设计和研发阶段。在德国和法国联合设计的EPR堆型中，破裂排除概念得到了应用，应用对象包括主管道和主蒸汽管道。其中主蒸汽管道的范围为蒸汽发生器出口管嘴至主蒸汽隔离阀下游的第一个约束点位置。

IOF是英国核安全监管的特殊要求，因此该设计方法仅应用在英国，一般用在英国电站的设计或者通用设计审查中。不同的堆型中对IOF的称呼也不相同。UK-EPR和UK-HPR 1000中称为高结构完整性部件(HIC：High Integ⁃rity Components)，UK-AP 1000中称为高安全特性 部 件(HSS：Highest Safety Significant Compo⁃nents)，UK-ABWR中称为非常高结构完整性部件(VHI：Very High Integrity Components)。在各堆型中IOF的应用范围、论证方法也各有差异，应用达到的效果也根据与ONR的沟通来落实。

综上所述，对于管道破裂动态效应消除方法，破前漏技术和破口假定免除方法既可以应用于电站的设计和研发阶段，又可以应用于在役电站的改造，应用范围较广，而破裂排除概念和IOF一般只能应用与电站的设计和研发阶段。

4 结论

高能管道破裂的动态效应通常是核电站关键设备设计的重要影响因素。合理地选择管道破裂动态效应的应对方案是核电站设计的一项重要工作。本文介绍了压水堆核电站常用的几种高能管道破裂动态效应消除方法，对各个方法的原理、技术特点、应用效果以及在工程中的应用情况进行了介绍。破口动态效应消除方法都是通过提高设计要求避免缺陷的出现，加强运行监控控制缺陷的扩展，进行必要的或者详细的断裂力学分析证明结构的稳定性这些手段中的一种或者几种的组合完成的。本文提到的方法可以为设计者在管道破裂动态效应防护工作中提供帮助和参考，其中破前漏技术和破口假定免除方法也可以应用于在役电站的设计改造中。