“华龙一号”对汽轮机飞射物的防护设计

李 崇,张雪霜,范 黎

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

核电厂设计中必须要考虑可信的厂内飞射物对核安全的可能危害,而汽轮机低压转子产生的飞射物是核电厂厂内转动部件产生飞射物的典型代表。汽轮机在高速运转时,低压转子蓄藏着大量的旋转动能,一旦发生罕见的重大机械事故,旋转动能足以使低压转子损坏并产生飞射物。如果包容转子的汽缸吸收能量的能力不足,则汽轮机飞射物会击穿汽缸,并穿过汽轮发电机厂房,并可能击中关键的设备或构筑物,影响安全功能的执行。

按照美国核管会 (NRC)标准审查大纲SRP[1]及其相关导则RG 1.115[2]的要求,对于汽轮机飞射物的潜在危害,需要通过概率分析的方法进行评定。由汽轮机飞射物导致关键物项失效的概率P4可表示为:P4=P1×P2×P3。其中:P1为汽轮机转动部件断裂产生碎片并飞出汽缸的概率;P2为汽轮机飞射物穿过屏障击中关键物项的概率;P3为关键物项被击中后功能失效的概率;P4为汽轮机飞射物导致关键物项失效的概率。同时,若飞射物击中区域内无关键物项的布置为有利布置,反之则为不利布置。当汽轮机为不利布置时,P1需满足不超过10-5/机组年的要求,P2×P3的概率不应超过10-2;当汽轮机为有利布置时,P1需满足不超过10-4/机组年的要求,P2×P3的概率则不应超过10-3。

“华龙一号”本身为单堆布置,汽轮机相对于本机组属于有利布置。但 “华龙一号”机组从厂址规划上多为多机组,相邻机组之间可能会出现不利布置的情况,因此一般都要求P1不超过10-5/机组年,P2×P3不超过10-2/机组年。

1 P 1的分析

通常在进行P1的分析时,主要考虑四种失效机制:应力腐蚀引起的断裂、破坏性超速引起的韧性失效、低周疲劳裂纹引起的断裂、高周疲劳裂纹引起的断裂。

低周疲劳裂纹引起的断裂是指材料在启停过程中可能造成的疲劳裂纹延伸,此机制作用下造成飞射物产生的周期很长,若汽轮机每周启停一次,机组需运行上百年才可能会导致飞射物的产生。

高周疲劳是指材料在低于其屈服强度的循环应力作用下,经105～106以上循环次数而产生的疲劳,此机制下的飞射物很难产生,是因为:1)设计中采用了足够大的安全系数来减少疲劳裂纹的产生;2)大的横向裂纹会导致偏心,并由此引起震动,在产生断裂之前就已经被替换。

因此,影响汽轮机飞射物产生的主要机制为应力腐蚀引起的断裂和破坏性超速引起的韧性失效。在P1的分析中,应主要考虑:1)设计转速(120%额定转速)范围内由于应力腐蚀因素,叶轮在特定检查周期下的汽轮机飞射物产生概率;2)超速条件下,考虑超速保护措施的失效等因素,得到超速保护调节所需阀门 (主汽阀、调节阀、再热主汽阀、再热调节阀等)在特定试验周期下的汽轮机飞射物产生概率。

1.1 应力腐蚀引起的断裂

当汽轮机在额定转速附近运行时,转子承受的主要应力包括转子、叶片的离心力以及热应力。当应力腐蚀引起的裂纹大小超过临界尺寸,裂纹将从稳定状态发展成加速状态,随后成为碎片,成为飞射物源。这种机制下的飞射物产生概率与转子设计参数、材料特性以及转子轮盘的在役检查间隔有关。

在计算概率分析的过程中,将由应力腐蚀引起的转子飞射物形成的概率表示为裂纹产生的概率、裂纹发展至临界尺寸的概率以及裂纹加速后引起飞射物产生的概率的乘积。一般来说,裂纹产生的概率取决于转子及轮盘的检查记录,在计算时,一般保守取值为1,以消除因观察得到的结果所产生的误差。裂纹发展至临界尺寸的概率计算的具体流程如图1所示。其中,γ为裂纹扩展率,满足正态分布;T为材料温度;Re为室温下的屈服强度;ac为临界裂纹尺寸;G为裂纹几何因子;KIC为断裂韧性,σ为额定转速下运行静压力;a0为初始裂纹尺寸;N为检查周期。而裂纹加速后引起飞射物产生的概率一般保守认为概率为1。

图1 裂纹发展至临界尺寸概率计算流程Fig.1 The process of probability calculation for missile generation

通过计算,认为影响飞射物产生概率的主要影响因素为转子的检查周期。如图2所示,某类汽轮机转子检查周期和失效概率的对应曲线表明,每隔17年进行一次转子检查,可使得应力腐蚀裂纹导致飞射物产生的概率维持在10-5量级。

图2 某汽轮机转子检查周期与失效概率曲线Fig.2 The failure probability with the rotor inspection interval

1.2 破坏性超速引起的韧性失效

当汽轮机发生超速且超速保护系统失效时,随着速度的增加,转子可能发生韧性失效而导致飞射物的形成。超速保护系统的可靠性决定了汽轮机组破坏性超速的情况产生的概率。而为了保证超速保护系统的可靠性,需要对控制阀门进行定期测试,并选择合适的测试间隔。此种效应可以通过统计数据计算超速保护系统相应阀门的失效概率来体现。如图3所示,某类汽轮机超速保护系统阀门定期试验间隔和失效概率的对应曲线表明,对阀门采用5个月的试验间隔,可使得超速保护系统失效导致飞射物产生的概率维持在10-5量级。

图3 某汽轮机阀门定期试验周期与失效概率曲线Fig.3 The failure probability with the valve inspection interval

2 P 2、P 3的分析

根据RG 1.115中的描述,汽轮机失效导致的飞射物可以分为两种:一种为 “高轨迹飞射物”,指穿透汽缸向上飞射,下落时可能击中关键物项的汽轮机飞射物;而第二种为 “低轨迹飞射物”,也称为 “直接”飞射物,则指穿透汽缸以近似水平方向飞射,可能直接击中关键物项的汽轮机飞射物,其击中区域指沿着低压转子两端轮盘,位于汽轮机轮盘平面±25°角范围之内的厂区平面区域,如图4所示。由于高轨迹飞射物是向上抛射,其能量和轨迹根据空气动力学都会受到较大影响,其对核安全相关物项可能的影响相比于低轨迹飞射物概率要低很多。因此,通常仅需计算汽轮机低压缸低轨迹飞射物对关键物项的撞击效应。计算时,对于P2,应考虑飞射物的特性、与屏障或障碍物的相互作用,通过建模手段来实现。对于P3,应通过定义导致安全重要物项关键物项功能失效所需的飞射物撞击能量以及由汽轮机飞射物造成的假想事件序列来实现。

2.1 计算模型

对于P2×P3的计算,有如下几个保守的基本假定:

1)保守假设P3=1,即汽轮机飞射物一旦击中关键物项,保守认为将导致其安全功能的丧失。仅计算P2,即飞射物击打到核安全相关物项的概率。

图4 低轨迹飞射物击中区域示意图Fig.4 Low-trajectory turbine missile strike zone

2)飞射物在±25°范围内的均匀分布。

3)飞射物的在抛射过程中作为质点考虑,发射源点在低压缸的轴心上。

4)抛射过程中在靶物与源点之间无阻挡,也不考虑汽轮机厂房的阻挡作用。

2.2 “华龙一号”计算实例

“华龙一号”机组为单堆布置,汽轮机相对于本机组属于有利布置,根据SRP的推荐,可以认为有利布置下的P2×P3概率在10-3量级。但是,“华龙一号”机组在同一厂址通常规划为多机组,这样就可能造成相邻机组之间形成不利布置的情况。下面针对这种情况,对于相邻机组间P2×P3的计算进行了分析。

某厂址两台相邻的机组出现了不利布置情况,即1号机组汽轮机飞射物的飞射方向能够直接击中2号机组的核岛厂房,反之亦然,如图5所示。这种情况,需要对P2×P3概率做进一步计算,以便及早地进行防护设计和布置更改。

通过对飞射物±25°撞击范围内的物项进行遴选,将容纳安全相关和有可能造成放射性释放的系统、部件和构筑物作为被撞击的关键物项,而击打概率可认为是被撞击物项相对于发射点的立体角,比上可能的抛射范围对应的总的立体角的数值。以靶物与源点之间的相对坐标、靶物的尺寸作为计算输入,分别计算每个厂房被击打的概率后求和,即得到源点击打目标机组关键物项的概率。

这里分别计算了1号机组汽轮机飞射物击打2号机组核岛厂房,以及2号机组汽轮机飞射物击打1号机组核岛厂房的概率,简要结果如表1所示。

图5 汽轮机飞射物对相邻机组飞射示意图Fig.5 Turbine missile to adjacent unit

表1 某核电厂汽轮机飞射物击打概率计算结果Table 1 Strike probability calculation of turbine missile

计算结果表明,1号机组汽轮机飞射物击打2号机组核岛厂房的概率为0.0079,2号机组汽轮机飞射物击打1号机组核岛厂房的概率为0.0095,都能够满足不大于10-2的法规要求。计算中已经选取了足够保守的假设,现有的布置方案能够保证相邻机组间免受汽轮机飞射物的造成的影响。

3 结论

汽轮机飞射物是核电厂重要的飞射物源,若由于防护不当造成由汽轮机飞射物引发的关键物项的损害,后果非常严重。一般地,我们参考SRP以及RG 1.115所推荐的概率分析方法来展开分析,并根据分析结果指导电厂的布置和防护设计。

本文系统地说明了 “华龙一号”汽轮机飞射物概率分析的计算体系,将分析过程分解为两部分。一方面通过对汽轮机本身特性的解构,分析可能导致汽轮机飞射物产生的两种主要失效机制,并通过概率计算得到汽轮机飞射物产生的概率。另一方面,结合 “华龙一号”机组的布置特点,对汽轮机飞射物击打关键物项并造成目标损害的概率进行计算,并根据其计算结果,来判断电厂布置与设计的合理性,必要时通过更改布置型式或是增设防护措施来降低概率,使得汽轮机飞射物导致关键物项失效的概率满足小于10-7/机组年的法规导则要求。概率分析方法的运用,可以在设计方案形成阶段尽早开展汽轮机飞射物的防护分析,避免设计固化之后,由于设计变更所带来的投入成本,提高电厂的经济性。