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    EPR与CPR1000核电厂1级部件制造与安装水压试验差异研究

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-22 09:57:04    浏览次数:59    评论:0
    导读

    摘 要:1级部件制造与安装阶段的水压试验是核电机组后续调试与安全运行的重要前提。对比分析了不同版本法国《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》(RCC-M)关于水压试验要求的差异,并结合CPR1000和EPR 2种机组的系统和结构特点,对1级部件在制造、安装阶段水压试验的试验压力和试验边界等差异进行了论述,并探讨了EPR机组1

    摘 要:1级部件制造与安装阶段的水压试验是核电机组后续调试与安全运行的重要前提。对比分析了不同版本法国《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》(RCC-M)关于水压试验要求的差异,并结合CPR1000和EPR 2种机组的系统和结构特点,对1级部件在制造、安装阶段水压试验的试验压力和试验边界等差异进行了论述,并探讨了EPR机组1级部件在制造与安装阶段水压试验的压力选取方法,所得结果可为EPR机组制造与安装阶段的水压试验工作提供重要参考。

    关键词:核电机组;EPR;CPR1000;水压试验;试验压力;试验边界

    0 引言

    核电厂1级部件主要包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、主泵、主管道等,其完整性和可靠性是电厂安全运行的重要保证。在机组商运前,1级部件需要实施制造、安装阶段的水压试验,以证明部件制造和安装的质量,确保部件和系统在正常运行和所设计的事故工况下是安全的。

    法系核电厂1级部件制造、安装阶段的水压试验,是RCC-M要求的强制性试验项目,能够验证设备和系统在持续承压状态下的完整性和密封性。CPR1000是在引进法国M310反应堆的基础上改良的 “二代加”核电技术;EPR属于三代核电技术,吸收了欧洲多年的压水堆设计、建造和运行经验,在传统二代反应堆基础上逐步改进而成[1]。由于所遵循的规范版本和结构不同,两者1级部件在制造、安装阶段的水压试验存在一定差异。

    本文通过论述EPR机组(以下简称EPR)与CPR1000机组(以下简称CPR1000)1级部件在制造、安装阶段水压试验的要素——试验压力和试验边界等方面的差异,分析了其差异对水压试验的影响,旨在为EPR制造阶段的水压试验及首次一回路水压试验提供参考。

    1 制造阶段单体水压试验的差异

    1级部件制造阶段的单体水压试验应根据RCC-M的要求实施。每台部件应在安装前和装配了必要的盲板和堵塞后进行单独的水压试验。

    水压试验压力、试验用水温度和验收标准等是RCC-M规范中单体水压试验重点关注的内容。CPR1000和EPR的1级部件单体水压试验在试验压力方面有较大的差异,而在试验用水温度和验收标准方面的要求则基本相同。

    1.1 CPR1000部件的试验压力

    CPR1000部件的单体水压试验压力根据RCC-M 2000[2]的要求进行选取。每个部件试验压力不小于设计压力与k值的乘积,此处k=k1·k2。其中对由成形板件或锻件制造的部件,k1=1.25;对全部或部分由铸件制造的部件,k1=1.5。k2为组成部件器壁主要材料在试验温度与设计温度下的屈服强度或抗拉强度的最低保证值之比。

    k值有一最大限值,若k1=1.25且k1·k2>1.5,则取k=1.5;若k1=1.5且k1·k2>1.8,则取k=1.8。因为对于不同类型的承压部件,无论是容器、管道,还是阀门,均可采用该公式计算试验压力,所以选取试验压力时比较简单直观。

    对于阀门部件,除了按上述压力值进行水压试验外,还需要实施阀体的强度试验。按RCC-M B3500设计的任何阀门的阀体,均需要经受阀门磅级对应室温下最大许用压力1.5倍压力的强度试验。

    1.2 EPR部件的试验压力

    EPR的单体水压试验根据RCC-M 2007[3]的要求实施。对于不同类型的承压部件有不同的压力选取方法。

    (1)容器单体水压试验。对于容器的单体水压试验,其试验压力至少等于最大运行压力(设计压力)PS与k的乘积,其中

    式中:Sm(·)为材料的允许应力;下标TEH为试验温度,TS为部件的最大允许温度(设计温度)。

    (2)管道单体水压试验。除设备规格书另有规定,管道单体水压试验按照与容器单体水压试验相同的程序要求实施。

    (3)阀门单体水压试验。阀门的试验压力至少等于室温下允许压力PSRT的1.5倍。可以通过RCC-M 2007中的表B 3531查阅PSRT,或使用计算方法得到。一般对于阀门设备,其允许压力仅对高温t给出,而室温下的允许压力PSRT

    式中:Rp0.2min/RT为根据适当材料标准确定的在室温下发生0.2%应变的屈服强度;Rp0.2min/t为根据适当材料标准在温度t下发生0.2%应变的屈服强度;PSt为温度t下的允许压力。

    (4)其他承压附件单体水压试验。承压附件单体水压试验按照与容器单体水压试验相同的程序要求实施。

    (5)安全附件单体水压试验。安全附件单体水压试验按照与阀门单体水压试验相同的程序要求实施。

    由以上对比可知,EPR与CPR1000部件单体水压试验的压力选取有较大不同。CPR1000的容器、管道和阀门,其单体水压试验压力均为PS× k,只要计算出k值,即可简单直观地选取试验压力,但阀体还需要附加压力值为PSRT×1.5的阀体强度试验。而EPR不同部件有不同的压力选取方法,容器、管道、承压附件采用PS×k的计算方法,而阀门、安全附件则采用PSRT×1.5的计算方法。EPR与CPR1000机组部分阀门部件的试验压力同为PSRT×1.5。

    2 首次一回路水压试验的差异

    各种部件在现场组装完成后,一般要进行系统水压试验。首次一回路水压试验是冷态试验的重要组成部分,是验证一回路部件安装质量的重要综合试验。国内 CPR1000与 EPR分别按照RCC-M 2000与RCC-M 2007的规定实施首次一回路水压试验。两者在试验压力、试验边界方面有较大的差异,而在试验水温、验收标准、泄漏率计算等方面的要求基本相同。

    2.1 CPR1000的首次一回路水压试验

    2.1.1 试验压力

    根据RCC-M 2000的规定,由安装好及就位在规定位置的全部部件组成的一回路主系统的试验压力,至少等于一回路主系统任何给定部件的最高设计压力的1.25倍。在一回路主系统水压试验时应保证这些部件承受到的压力不低于在3类运行工况中达到的最大压力。

    按照上述规定,可以理解为首次水压试验的试验压力至少为一回路系统的设计压力PS×1.25。但RCC-M中另有规定,系统水压试验时只有当试验压力至少达到一回路系统任何部件最高设计压力的1.33倍,才允许进行辅助管道水压试验。由于部分辅助管道如化学与容积控制系统(RCV)上充/下泄管道、 安全注入系统(RIS)安全注入管道要跟随一回路系统进行首次水压试验,所以首次一回路水压试验的试验压力应该为设计压力PS× 1.33。国内CPR1000的首次一回路水压试验压力为22.8 MPa。

    2.1.2 试验边界

    一回路承压边界为直接受核燃料辐照的流体并且无法用可靠措施与核燃料组件之间的流体隔离的承压部件,包括起隔离作用的承压附件和安全附件。根据RSE-M 1997[4]的要求,CPR1000的一回路边界主要包括:反应堆压力容器及其顶盖封头、控制棒驱动机构耐压壳;蒸汽发生器水室封头及管板,传热管;主泵的耐压壳及1号轴封注入系统;稳压器及其安全阀;一回路系统管道及与其连接的辅助管道(名义直径大于25 mm的管线直至第2道隔离装置,名义直径小于等于25 mm的管线直至第1道隔离装置)。

    上述边界为一回路的法定边界,一回路水压试验的目的为验证法定边界的完整性。另外,为了让法定边界内的压力维持动态平衡,需要扩展试验边界,引入维持液体流动的部分管线,如RCV的上充/下泄管线等。

    综上所述,一个完整的试验边界应该由上述2部分组成。CPR1000的试验边界简图如图1所示。

    图1 CPR1000水压试验边界简图
    Fig.1 Boundaries of CPR1000 hydrostatic test

    2.2 EPR首次一回路水压试验

    2.2.1 试验压力

    EPR首次一回路水压试验压力应根据RCC-M 2007 B5000章的规定进行选取。其对整体组件的试验压力规定如下:整体组件试验压力应至少等于组成组件的每个腔室的最高试验压力,不超过B3237章规定的许用应力。如果整体组件中任何一个承压设备超出此准则,该承压设备压力就应该降低直至符合此准则。当所有设备都单独经过试验,整体可在1.3PS下进行水压试验。

    针对上述规定,有观点认为,与主管道相连的辅助管道在供货前已按照采购规格书要求在制造厂进行了单体水压试验。即一回路主设备和辅助管道都进行过单体水压试验,它们通过焊接形成联合试验回路,整体试验压力可选取1.3PS。

    但笔者认为,管道的制造安装应分阶段考虑,一个阶段为工厂的制造,另一个阶段为现场的预制及安装。辅助管线在制造厂进行的水压试验属于采购范围,应根据 RCC-M 2007的 M100到M6000章的规定对管件进行水压试验。其中不同材料、不同用途的管件有不同的规定,大部分均要求根据设备规格书的要求进行水压试验。如1、2级管线的设备规格书中规定,对于奥氏体不锈钢,试验压力为p=2S×a/D,其中S为室温下发生0.2%应变的屈服强度的一半,a为管件的名义厚度,D为管件的名义外径。

    由该设备规格书中的规定可知,在制造厂中实施的水压试验,其试验压力与管件的设计压力没有关系,其验证的仅仅是材料的承压能力。其试验压力与RCC-M B5000章规定的压力相比较小。辅助管线的设备制造范围还包括现场预制及安装,其与设备采购 (工厂制造)阶段所遵循的RCC-M 2007章节不同。根据管线安装技术规格书,预制和安装后1、2级管道应分别根据RCC-M B5000和C5000章的要求进行水压试验,与工厂制造时的水压试验不同,其验证的主要是焊缝的强度和密封性。RCC-M C5000和B5000章的要求相同,所以试验边界内的辅助管道要在安装后根据1.2节的要求选取压力实施水压试验,才算所有设备都单独经过试验,此时一回路试验压力才可选取1.3PS。

    然而,现场的施工逻辑是先安装主管道,再安装与主管道相连的辅助管道,逐步向外扩展。所以部分辅助管道不能与主管道有效隔离并实施水压试验,首次一回路水压试验的压力无法选用1.3PS。因无法采用该方案,参考主泵静止轴封可承受的最大压力为25.5 MPa,试验压力可选用1.43PS(25.1 MPa)。

    然而,国内核电机组并未使用过高达1.43PS的试验压力进行一回路水压试验。水压试验压力并不是越高越好,它在一定程度上属于损伤性试验,过高的压力可能会对部件造成损伤。考虑到RCC-M 2007版B5000、C5000章对一、二级承压部件水压试验的要求混合了规范本身的要求和法国法规的要求,规范的编制方AFCEN后续出版了修改单,对此进行了区分和澄清。

    表1 CPR1000与EPR的边界差异及影响
    Table 1 Differences between CPR1000 and EPR boundaries and its influence

    CPR1000边界EPR边界差异及影响3环路4环路(边界阀门和管线的增多,会增加水压试验的工作量,加大试验的风险)反应堆压力容器底部有指套管贯穿件 取消底部贯穿件(将减少贯穿件泄漏的风险,减少声发射装置的安装工作量;便于底部温度探头的安装与拆卸)16.5 MPa以上使用RBS(应急硼化系统)泵,从容控箱取水进行打压(相应的边界和阀门发生变化)16.5 MPa以上使用RIS泵,从换料水箱取水进行打压RCV带有过剩下泄管线 取消了过剩下泄管线,只利用RCV下泄管线执行下泄和压力控制的功能(减少了部分边界,同时提高了RCV下泄管线的压力控制要求)没有严重事故泄压管线增加了严重事故泄压管线(整个一回路边界的最高点在严重事故泄压管线上,应注意其压力与水压试验压力表的压力差,使其最高压力达到23.3 MPa;并注意超压保护装置和泄压阀的位置、安全阀结构的不同)RIS安全注入管线有多个阀门需要隔离及拆阀芯连接冷段和热段的RIS逆止阀通过阀门连接,不需要拆阀芯即可打压至第2道逆止阀(边界隔离更简便,利于水压试验实施)

    修改单中区分了法国法规的强制性要求和RCC-M 2007规范的强制性要求,试验情况可分为2类。一类是附录Z中随法国法规而定的强制性要求,该部分要求不适用于中国的核电厂。另一类在B、C、D5000章节里将承压部件和整体组件的试验压力修改为不低于 1.25PS,该要求与ASME BPV 2010规范第Ⅲ卷[5]的要求一致。

    之后的RCC-M版本包括最新的RCC-M 2012版的B5000、C5000、D5000章节都沿用了修改单里的要求。结合国内CPR1000一回路水压试验压力系数的选用情况,EPR在冷态功能试验阶段的试验压力可选取1.33PS(23.3 MPa)。

    2.2.2 试验边界

    EPR的试验边界应该满足RSE-M 2010的规定,其规定与RSE-M 1997基本相同。但其整体结构与CPR1000有不少差异,具体如表1所示。

    由以上分析可知,不同版本的RCC-M对首次一回路水压试验的试验压力要求有所不同,但1.43PS对于 EPR来说风险较大。根据 RCC-M 2007版的修改单及后续RCC-M的要求,并结合以往其他机组的实施情况,EPR的首次一回路水压试验压力可选取为1.33PS。EPR反应堆是在二代反应堆基础上逐步改进而成,其一回路试验边界与CPR1000有较多不同点,水压试验难度更大。

    3 结果对比

    (1)CPR1000的容器、管道和阀门的单体水压试验压力均为PS×k,且阀门需补充压力为PSRT×1.5的阀体强度试验;EPR不同部件要选用不同的试验压力计算方法,计算比前者复杂。EPR与CPR1000机组部分阀门部件的试验压力同为 PSRT×1.5。 (2) 根据 RCC-M 2000要求,CPR1000首次一回路水压试验压力应选取1.33PS;根据 RCC-M 2007及其修改单的要求,结合CPR1000的实施情况,EPR的试验压力可选取1.33PS (23.3MPa)。 (3)EPR的试验边界与CPR1000有较大的差异,在水压试验过程中应充分考虑阀门隔离、上充/下泄路线、打压设备、压力控制方式等方面的差异,提前做好风险预案。(4)2种堆型在试验用水温度、验收标准和泄漏率计算等方面的要求基本相同。

    4 结语

    综上所述,通过对比不同版本RCC-M关于水压试验的要求,以及EPR与CPR1000 2种核电机组的试验边界等,展现出2种机组1级部件制造与安装阶段水压试验的主要差异,所得结果可为后续EPR水压试验工作提供参考。

     
    (文/小编)
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