庞松涛,熊国华,周 舟

(中广核研究院有限公司，广东深圳518124)



“压力阱”控制方案对安注系统影响的评估
——大亚湾核电站防一回路安注管线热疲劳现象改进

庞松涛,熊国华,周 舟

(中广核研究院有限公司，广东深圳518124)

对防一回路安注管线热疲劳现象的“压力阱”功能及其对安注的影响进行了全面分析，提出了3种不同的控制和布置方案。通过查阅大量的相关资料和文献，在事故情况下，对比了3种不同方案的优缺点，确定了最优的系统设计方案。这种论证方法对于核电站专设安全设施的相关改进具有借鉴意义。

FARLEY-TIHANGE现象;专设安全设施;“压力阱”;控制系统

1 背景介绍

1.1 背景

1987年美国的FARLEY 2号机组以及1988年比利时的TIHANGE 1号机组分别发现泄漏流量约1 300 L/h和150 L/h的低温水从冷/热腿安注管线意外进入一回路，导致一回路(RCP)主管道与一回路逆止阀之间的安注系统(RIS)管线出现热疲劳裂纹，这种现象称为FARLEY-TIHANGE现象。

1983年，在法国BUGEY 3号机组的一回路热腿安注逆止阀(RCP120VP)下游发现热疲劳裂纹，随后1996年12月在法国的DAMPIERRE 1号机组发现了流量约160 L/h的低温水从RCP120VP进入一回路，导致在RCP120VP下游的直管段中部产生疲劳裂纹，次年10月对这些新更换的管线焊缝重新进行RT检查时又发现深度达5.7 mm的裂纹。

Farley-Tihange现象产生的根本原因是：化学容积控制系统(RCV)上充泵到高压安注回路的安全壳外隔离阀出现泄漏，导致一回路容积控制箱(RCV002BA)低于50C的冷水进入一回路，在冷腿和热腿安注回路RCP主逆止阀下游的管线上产生冷热水混合，导致热疲劳裂纹的产生。对于大亚湾核电站，可能发生泄漏的RIS隔离阀包括RIS020VP、RIS021VP、RIS023VP和RIS029VP共四个阀门。

1.2 总体方案介绍

由于阀门泄漏是不可避免的，考虑从导出泄漏方面消除FARLEY-TIHANGE现象。综合分析后，系统工艺部分决定采用“压力阱”设计方案：即在高压安注回路的安全壳外隔离阀RIS020VP、RIS021VP和RIS023VP的下游管线上安装卸压管线，并连接至下泄流热交换器(RCV002RF)和下泄流控制阀(RCV013VP)之间的管线上，卸压管线上装有4个气动隔离阀RIS361VP、RIS362VP、RIS363VP和RIS364VP以及压力变送器RIS035MP。研究表明当RCP流向 RIS泄漏量大于10 L/h时，RCP泄漏引入的高温流体会导致“压力阱”和下泄管线上产生热疲劳裂纹。所以需在上述“压力阱”管线上加装“小泄漏量测量装置”,测量泄漏量。系统工艺部分设计方案示意图如图1所示。

图1 系统工艺部分设计方案示意图Fig.1 Schematic of the system process design

“压力阱”的运行方式如下：RIS361VP、RIS362VP和RIS363VP在反应堆功率运行情况下保持开启；RIS364VP在反应堆功率运行情况下保持关闭；RIS035MP可触发一个压力高报警信号，该信号表明RIS隔离阀存在泄漏并要求运行人员在主控室手动开启RIS364VP，防止来自RCV上充泵的低温泄漏水通过安注管线进入一回路；当“压力阱”压力降至一定限值后，重新关闭该阀。

1.3 “压力阱”控制方案对安注系统影响评估的必要性

RIS系统属于专设安全设施，在此系统上的重大改进会对核电厂的核安全产生影响，需要对改进方案进行充分的评估和论证，分析改进方案对RIS系统功能的影响，确保改进方案不影响RIS系统在正常和事故工况下的功能。

本论文的前提是：系统工艺部分的改进方案已经确定，其分析和计算报告也得到批准。

2 设计要求及控制方案

2.1 “压力阱”阀门控制方案的设计要求

新增“压力阱”在机组需要执行安注功能的情况下退出运行，其控制方案设计应考虑如下两个问题：

(1) 任意一列均能执行“压力阱”的隔离；

(2) 上游安注管线AB列之间的隔离。

以上两个隔离应满足单一故障准则的要求。设计方案应尽可能简单可靠，避免过多的联锁逻辑。

2.2 控制方案介绍

新增RIS361～363VP所在管线的上游电动隔离阀分别为RIS020VP、RIS029VP、RIS021VP和RIS023VP，其中RIS020VP、RIS029VP和RIS023VP为B列，RIS021VP为A列。在充分考虑2.1节中的设计要求后，提出了以下控制方案：

方案1:将RIS361～363VP定为A列，这3个阀门是安全壳隔离阀，接收A列安全壳隔离A阶段信号(CIA)而关闭。由于RCV管线上RCV002RF的设计压力较小，为保护RCV002RF，故将RIS364VP参考RCV010VP定为B列，并接收B列安注信号(SI)或RCV010VP的“NOT CLOSE”信号而关闭。新增阀门均接受主控室TPL开关的手动控制信号。该方案中，A列和B列的信号均能对 “压力阱”起到隔离作用，满足单一故障准则的要求。

方案2:考虑到各种情况下A/B列管线间的隔离，避免A列管线中的水流到B列管线中的情况，将RIS361～363VP的所属列按照上游阀门的所属列确定，即RIS361VP和RIS363VP为B列，RIS362VP为A列，阀门分别接收A列或B列安全壳隔离A阶段信号(CIA)而关闭。为使A列或B列均能隔离“压力阱”，RIS364VP设计为A/B列同时驱动，接收A列和B列安注信号，以及B列RCV010VP的“NOT CLOSE”信号而关闭。新增阀门均接受主控室TPL开关的手动控制信号。

方案3:考虑到各种情况下A/B列管线间的自动隔离，以及任意一列均能执行“压力阱”的隔离。将RIS361～363VP定为A列，这3个阀门是安全壳隔离阀，接收A列安全壳隔离A阶段信号而关闭。同时RIS361～363VP分别接收上游阀门RIS020VP、RIS021VP和RIS023VP的“NOT CLOSE”信号而关闭。RIS364VP定为B列，接收B列安注信号或RCV010VP的“NOT CLOSE”信号而关闭。新增阀门均接受主控室TPL开关的手动控制信号。

3 设计方案对RIS系统功能的影响分析

3.1 正常工况下的影响分析

正常运行工况下，RIS020VP、RIS021VP、RIS023VP和RIS029VP均关闭，安注功能不启动，没有影响。

3.2 事故工况下的影响分析

考虑一种影响“压力阱”隔离的最极端的事故：在反应堆发生事故情况后，需要启动专设安全设施，此时A/B列均未失电，但A列专设安全设施启动信号未能发出，B列专设安全设施启动信号能发出。这种情况下，RIS361～363VP不能自动关闭(可以手动)，RIS364VP自动关闭。

如果此时“压力阱”上游电动隔离阀全部打开：

• 对于方案1，如果RIS361～363VP没有手动关闭，将导致A列和B列的安注管线联通(见图1)；

• 对于方案2，由于RIS362VP为A列，如果RIS362VP没有手动关闭，同样导致A列和B列的安注管线联通(见图1)；

• 对于方案3，由于RIS361～363VP分别与上游电动隔离阀信号连锁，不会出现A列和B列安注管线联通的情况。

综上，方案1和方案2均可能发生A列和B列的安注管线联通的情况，方案3不会出现此情况。

3.3 设计方案的初步比较

通过初步分析，以上3种设计方案中，①最简单，但①中没有考虑A/B列管线间的自动隔离，而②和③均有考虑，3种方案的优缺点初步对比见表1所示。

优点缺点方案①•方案简单，成本最低。•“压力阱”有RIS361～363VP和RIS364VP两重隔离，满足单一故障准则的要求。•没有考虑A/B列管线间的自动隔离，但是可以手动。方案②•RIS364VP为A/B列同时驱动，“压力阱”隔离满足单一故障准则的要求。•考虑了A/B列管线间的自动隔离。•方案较复杂，A/B列之间的信号需要耦合。•考虑了A/B列管线间的自动隔离，但不能完全避免这种情况。方案③•“压力阱”有RIS361～363VP和RIS364VP两重隔离，满足单一故障准则的要求。•考虑了A/B列管线间的自动隔离。•方案最复杂，联锁逻辑多，A/B列之间的多个信号需要耦合。•由于RIS361～363VP的联锁逻辑多，可能会影响“压力阱”的使用以及管线的充水和排气。

4 新增“压力阱”A/B列管线间自动隔离的必要性分析

考虑大亚湾核电站事故情况下的整个安注流程。

在安注系统启动后，首先进行高压安注，操纵员需要对相关阀门的位置进行核实，此时RIS020VP、RIS029VP、RIS021VP和RIS023VP均处于关闭状态，这时的高压安注有2条注入管线，一是通过浓硼酸注入箱RIS04BA的管线，二是在第一条管线故障后启用的硼注入箱旁路管线，“压力阱”对第一条安注管线没有影响。仅分析“压力阱”对第二条管线的影响。第一条管线有两个并联的隔离阀，其故障模式为两个阀门均不能打开。第二条管线需手动打开RIS020VP，如此时RIS361～363VP没有关闭，将对安注功能产生影响。但在安注开始时，按规程运行人员应核实相关阀门的位置是否正确；从第一条管线不可用至切换到第二条管线时，按相应的运行规程，在运行人员打开第二条管线前，须要核实相关阀门的位置是否正确。

在安注后期冷、热段同时安注阶段，需要打开RIS020VP、RIS029VP、RIS021VP，但按照事故规程，冷、热段同时安注阶段是在安注启动至少7 h后，期间有充分的时间供运行人员核实相关信息。

综上，安注系统启动前期，启动第二条安注管线的概率不大，且在第二条安注管线启动前，已经对相关阀门的位置是否正确检查了两次；在安注后期的冷、热段同时安注阶段，按规程运行人员同样须核实相关阀门的位置是否正确，同时有充分的时间供运行人员找出位置不正确的阀门。

5 人因失效概率计算

方案一和方案二的人因失效模式有以下两种：

1) 第一条管线不可用，且操纵员经过两次确认后，均未发现存在一个或多个阀门未关闭。

2) 第一条管线可用，安注后期操纵员经过至少3次确认后，均未发现存在一个或多个阀门未关闭。

按相关运行规程，主控室至少有两人，一人负责操作，另一人负责监护。为取保守值，计算不考虑报警系统对操纵员的影响，本次失效模式的计算公式如下：

p(f)=p(v)2·

[1-[p(h)·p(s)]3]i

其中：p(v)——阀门失效概率p(h)——操作人员失效概率p(s)——监督人员失效概率

p(v)参考文献[5]取0.005，p(h)参考文献[6]取0.008，p(s) 参考文献[6]取0.003。

经计算p(f)<4.36×10-12，远小于堆熔概率，控制方案均无需考虑A/B列管线间的自动隔离。

在其他条件均相同的情况下，最简单的系统最可靠。方案1可以到达与方案2和方案3相同的功能要求，且方案1最简单。最终的控制方案选择方案1。

6 总结

通过对FARLEY-TIHANGE现象产生的根本原因及“压力阱”的功能进行全面分析，对比了3个不同的设计方案，在事故工况下，对3个方案进行了充分的论证和计算，得出了最优的设计方案。法国的CPY机组已全部完成了此项改进，后经多次检测，相关位置没有发现裂纹。

[1] 国家核安全局. HAF003核电厂质量保证安全规定.1991

[2] 国家核安全局.HAD003/06核电厂设计中的质量保证.1986

[3] 赵志凡. 核电工程设计中的自动化技术的进展和展望.核科学与工程，2010，S1：5-28

[4] 汪德伟. 大亚湾核电站执照运行事件原因趋势分析. 核科学与工程，2005，03:265-270.

[5] 王宇翔，张冬林，李晓钟. 核级安全阀可靠性参数指标研究. 阀门，2012，01.

[6] 张力，黄曙东，王以群，高文宇，张锦. 反应堆系统人因事件分析与预防方法及应用. 中国核科技报告，2003，01.

Assessment for the Influence of the Pressure Well Control Strategy on the Safety Injection System——Modification for Anti-Thermal Fatigue Phenomenon in Safety Injection Pipes of the First Loop in Daya Bay NPP

PANG Song-tao, XIONG Guo-hua, ZHOU Zhou

(1. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzheng, Guangdong Prov. 518124, China)

The “pressure well” function preventing the thermal fatigue phenomenon of the primary loop safety injection pipeline and its effect on the safety injection are analyzed comprehensively. Three modification schemes have been put forward. After referring to lots of data and literature, The advantages and disadvantages of three different schemes under accident condition are compared, and the optimal system design scheme is determined. This demonstration method could provide reference for relevant improvement of the engineered safety features of nuclear power plant.

FARLEY-TIHANGE phenomenon; Engineered safety features; “Pressure well”; Control system

2016-10-29

庞松涛(1971—)，男，研究员级高级工程师，硕士，主要从事核电厂仪控系统设计工作

TL48

A

0258-0918(2017)02-0271-05