“华龙一号”管道破裂导致化学介质喷淋设备的影响分析

李 辉，张雪霜，范 黎

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

根据HAF 102—2016《核动力厂设计安全规定》[1]要求，管道断裂作为核电厂内部潜在灾害之一，应对其断裂效应进行全面分析，在必要之处设置防护措施，以保护安全重要物项，从而保证核安全不受影响。管道断裂后产生的效应主要包括：喷射效应、管道甩动、水淹现象及其他级联效应。本文所研究讨论的化学介质喷淋实际属于喷射效应的一种。本文将对核电厂内含有化学介质高能流体的管道破裂后可能造成设备腐蚀的情况进行后果影响分析，并总结出合适的方法。

1 “华龙一号”的“化学介质喷淋”现状

管道破裂引起的喷射效应对靶的影响一般包括：机械载荷（压力、撞击）、热载荷（温度，包括适当地方的热应力和热冲击）、流体特性（例如电气设备中由于液态水的导电而导致的可能短路）和化学作用（特别指喷射流体不是水的情况）。最后一项即指喷射介质的酸碱化学特性可能会对设备造成一定的影响。

在“华龙一号”设计中，虽然没有单独针对化学介质喷淋这种效应进行分析，但在对管道断裂这种灾害的防护上，依然做了多层次的纵深防御考虑。

第1层次：采用保守性设计，尽可能减少可能导致内部灾害的源项。

“华龙一号”首先对核电厂中一些安全重要管道采用了“破前漏”（LBB）技术、超级管道以及断裂排除区的设计，经过特殊的制造技术及严格的在役检查，从源项上减少了管道破裂的可能性；

第2层次：对识别出的需要进行保护的核电厂物项，采用分隔或屏障等方式使其不受可能的内部灾害的所有影响。

“华龙一号”对未特殊设计的高能管道确定了其断裂点，并识别出可能受管道断裂影响的安全重要物项，根据第二层次的防御要求，采用设置防甩击件、位置或实体隔离、喷射屏障等方式使其不受可能的管道断裂灾害影响。

第3层次：必要时可提升构筑物、系统和部件本身的抗灾害能力。

由于实施困难或者实际不可行，则应根据第三层次的防御要求，提高受影响物项自身的抗灾害能力，比如通过设备鉴定验证设备可以承受灾害的能力，进而考虑是否需要更换设备或材料；或者对于一些电气物项采用高IP等级（IP56/IP66以上的设备满足外壳各方向强烈喷水无有害影响）的设备来提高其抗灾害的能力。

通过上述防护措施可见，化学介质喷淋效应的相关防护，很多情况下已经通过更上层级的纵深防御设计措施得以保护。随着“华龙一号”工程设计的施工进展，在详细物项布置时仍会存在少量的安全级设备（特别是电气设备）可能会被管道破裂的酸性、碱性喷射流体所喷淋，且设备本身并没有预期设置相应的防护等级，存在一定概率的失效风险。如果对这些设备均按照上述防护设计进行改进，会随之带来很多问题，比如：高数量的设置防护支架或管道防甩击件等屏障，或是重新研发高防护等级设备以及重新进行设备鉴定，这都将大大提高核电厂的建造成本并可能因此延长工期；且某些管道或设备由于实际布置及施工情况，增设屏障或进行隔离也存在一定困难。

2 影响分析

2.1 化学介质喷淋分析步骤与分析思路

在设备是否能够承受酸碱影响的分析中，本文从内部灾害防护的角度，结合对现有设计影响的最小化的考量，对“华龙一号”机组的设计提出了对于酸碱介质喷射的分析思路：

（1） 排除经过特殊设计的管道，筛选出不满足要求的源项（可能发生断裂的含高能酸碱流体管道）。

（2） 筛选出在步骤 1中的管道周围可能受影响且未设计隔离、屏障等防护措施而可能受酸碱流体直接喷淋的设备，进行第 3步分析。此步骤中还应排除机械设备，原因为24 h的酸碱介质喷淋不会对其造成危害。

（3） 筛选出步骤 2中本身不具抗灾害能力的受影响设备。缩小范围后，进行第4步分析。

（4） 根据内部灾害验收准则，保守分析可能被喷淋到的设备失效（功能失效、误信号、故障模式等）是否会影响对该管道破裂事故的缓解进程，甚至是否会引发其他事故工况。进而判断是否增设防护措施。

本研究的重点就在于上述第4步的分析，即纵深防御三层依然没有防住，且可能导致安全级设备失效的后果分析。按照CP03T0045《内部灾害防护设计准则》[2]的验收准则要求，认可设备失效评价可退防到第三个纵深防御层次。当安全级物项失效时，结合该灾害引发的具体工况及相应投入的缓解措施，并结合单一故障准则来判断，该设备的失效后果是否可以接受。如果满足验收准则的相关要求，认可该设备允许失效，则不需要增设相应的防护措施。这样一来，可以仅针对少量不允许失效设备的具体布置及设计情况，选择一种最合适的防护手段进行增设即可，从而能够大大降低额外的设备升级采购或防护设施设置成本。

2.2 受管道破裂或断裂影响的安全重要设备清单梳理

首先，从布置上对核电厂的安全重要物项进行了梳理，形成了安全重要物项清单，其中包含 570多个设备。结合三维模型输出判断包含酸碱介质的管道所经过的房间是否存在安全重要物项，得出了酸碱介质管道穿行房间的安全重要物项清单，其中包含250多个安全重要物项。后根据力学专业提供的管道裂纹点和破裂点的位置，对上述250多个物项进行逐一筛选，确定管道破裂点周围是否存在安全重要物项，最终得到在酸碱介质管道破裂点的喷射范围内存在98个安全重要物项。通过鉴定、查证IP等级等措施，排除了61个设备。最终整理出37个设备没有有效的防护措施、受酸碱介质喷射影响的安全重要物项清单。

2.3 化学介质喷淋设备是否允许失效分析

根据2.1节的方法，针对筛选出的37个防护等级不足的设备，结合《内部灾害防护设计准则》的要求逐一进行了是否允许设备失效的分析。下面举例说明在分析中是如何运用验收准则对设备是否允许失效进行判断的。

（1） 被喷淋设备允许失效

设备冷却水系统（WCC）中/5WCC0045-323.8管道为波动箱下游至A列两台WCC泵的母管（见图 1）。可能受其破裂影响的设备为WCC压力传感器001SP，其作用是在运行中的WCC泵出现故障或偶然停运的情况下（出现低压信号）切换至同系列另一台泵。若此管道发生破裂，泄漏量可由波动箱、核岛除盐水分配系统（WND）或核岛消防水分配系统（FWD）补水得到补偿，WCC的A系列可以维持正常运行。此时不要求 001SP执行其安全功能；若001SP产生误信号，启动了同系列另一台泵也不会影响安全功能的实现。如果管道破口不能被补偿，则根据波动箱事故液位信号闭锁 A/B列之间的切换，由于001SP只用于启动同系列泵，故其失效与否对事故处理无影响。

图1 WCC系统管道影响其压力传感器Fig.1 WCC system pipeline affecting its pressure sensor

通过事故进程的分析，首先 WCC管道破裂本身不构成Ⅱ类或以上事故工况，又因系统为 2 × 100%冗余系列配置，切换另一系列能保证系统正常运行，属于验收准则中“独立于Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ类工况”的内部灾害。且如果造成负责同系列切换的压力传感器001SP失效，对冗余的安全系列切换不会造成影响，即“不会引发Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ类工况或设计扩展工况”。因此根据内部灾害验收准则要求，认为此传感器允许失效，不必进行设计改进。

（2） 被喷淋设备不允许失效

在WCC系统中，WCC系统的/5WCC0320-73.0管道位于公用环路RNS的上游，为核取样系统（RNS）热交换器提供冷却水（见图2）。可能受其破裂影响的设备是 WCC的一个压力控制器 026SP。026SP为探测重要厂用水系统（WES）B列泵出口压力的开关，当其低压信号比正常备用时间长时，证明WES的B列丧失，则会自动启动A列，同时导致相应的WCC系统A列自动切换。管道破裂后分两种情况进行分析：

1）若该 WCC管道破裂、泄漏量可由波动箱、WND或 FWD补水得到补偿，该列可以维持正常运行。此时，如果造成026SP发出误信号，导致WES由B列向A列切换，则WCC相应地向A列切换，WCC仍维持正常运行。此时根据验收准则3.1.1节描述，“独立于Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ类工况”的内部灾害没有引发更严重事故，因此认为此压力控制器可允许失效。

2）若该WCC管道破裂，且泄漏量无法由WND或FWD补偿。则在运系列的波动箱会发出“事故液位”信号，同时保守考虑 WCC管道破裂导致026SP误信号立即发出。

图2 WCC系统管道影响WES系统压力控制器Fig.2 Influence of WCC system pipeline on WES system pressure controller

如果026SP误信号的发出早于波动箱“事故液位”信号，则WCC由B列切换至A列，A列与公用环路的隔离阀打开（故障列与公用列间隔离阀的关闭操作由75 s后的报警信号提示，由操纵员在IIC手动操作关闭），两个安全列均与公用系列相通，尽管“事故液位”信号随后发出，但该信号只自动闭锁列间切换，并不自动关闭已经打开的列间隔离阀，因此，考虑操纵员手动操作的迟滞（对于内部灾害分析至少 30 min），一旦出现该最不利情况，两列WCC可能面临短期全部排空风险。

根据上述分析得知，此管道破裂后，若026SP误信号发出早于波动箱“事故液位”信号，则会导致 WCC两列冗余的安全系列短期全部排空的风险。根据验收准则要求，两列冗余的安全系列均失效是不可接受的，因此，认为此压力控制器不允许失效，需要设计防护支架对此压力控制器进行保护。

3 结论

本文遵循以纵深防御原则和内部灾害验收准则提出的化学介质喷淋导致设备失效的分析方法，对受到酸碱腐蚀后可能失效的37个设备进行了失效后果分析。通过后果分析，在37个可能失效的设备中，有34个是可以允许其失效的（如核岛消防系统/核取样系统/蒸发器排污系统阀门、柜间通风系统仪表、厂用水压力传感器等），不需要额外通过防甩件、防护支架、升级设备防护等级、重新设计增补K1鉴定等方式来增设防护措施；仅有的3个不允许失效的电气设备，综合经济性、可实施性等因素考量，通过在破裂点和设备之间设置防护支架，用以阻挡喷射流的直接冲击，在满足安全要求和保证工程进度的条件下减少了设计变更，提高了经济性。

本文仅结合含有酸碱介质的高能流体系统，并给出了完善的分析流程和有益的分析结果。而且，鉴于目前在我方设计的管道破裂防护中，首选断裂排除、破裂点防甩件等从源项上进行防护的设计方案，但实际上存在很大的优化设计空间，即可以将防御层次后撤，分析其后果是否会影响到安全级物项甚是安全级物项的失效能否接受，从而可能会大大减少防甩件的设计。由此，通过综合判断后采取更合适的防护措施或分析方法，从而能够进一步提高电厂的经济性。

此外，本研究的分析流程和实践也给核电厂内部灾害的防护设计提供了一套可实施的方法和参考。比如，在内部飞射物造成的物项失效分析中也可采用该思路方法进行后续工作，从而减少飞射物屏障或其他防护的设计。