摘要：文章基于主泵外置热交换器传热管可能破损的背景，详细分析了外置热交换热器传热管破损的监测和缓解、改进措施，并提出了优化建议。
关键词：热交换器；传热管破损风险应对
一、主泵外置热交换器简介
主泵外置热交换器主要用于冷却核电站反应堆冷却剂泵电机的一次侧冷却剂，每台反应堆冷却剂泵配有一台外置的热交换器，该热交换器为管壳式换热器，管侧介质为一次侧冷却剂，壳侧介质为设备冷却水。
主泵外置热交换器管侧设计遵循ASME BPVC-III-NB分卷，壳侧设计遵循ASME BPVC-III-ND分卷，设备支撑结构设计遵循ASME BPVC-III-NF分卷。换热器管侧安全等级为SC1，壳侧安全等级为NNS，设备支撑的安全等级为SC1。
二、主泵外置热交换器传热管破损的系统应对情况
1、背景概述
反应堆冷却剂泵外置热交换器的一根传热管的双端断裂会导致反应堆冷却剂系统通过反应堆冷却剂泵定子冷却系统和传热管的破口向设备冷却水系统泄漏。前期的设备冷却水系统设计中的隔离功能完全由非安全级的部件实现。如果一回路冷却剂通过破裂的反应堆冷却剂系统外置热交换器传热管到设备冷却水的泄漏率超过100gpm，就构成了一个小LOCA。该传热管破裂事故是一个能够导致功率运行的电厂在主泵轴承水高温下停堆的LOCA。这类事故的缓解通常是由满足单一故障准则的安全相关SSCs来实现。根据评估，A类(ASME III CLASS 1)传热器传热管破裂的最大概率为2x10-3次/堆年，属于IV类事故工况。
通过对设备冷却水系统改进，使得在功率运行工况下发生外置热交换器传热管破裂事故时能够执行安全相关的设备冷却水安全壳和返回管线的自动隔离功能，从而阻止反应堆冷却剂向安全壳外泄漏以及通过设备冷却水系统波动箱向汽轮机厂房的放射性释放。
2、改进依据
鉴于反应堆冷却剂系统的高温高压，一根主泵外置热交换器的传热管双端破裂所产生的事故作为小LOCA进行考虑。如果外置热交换器传热管破裂的确发生了，这个事故会同时在受影响的主泵内部冷却系统中产生高温工况，导致反应堆和主泵在轴承水温高的工况下的停堆停泵，如果不进行隔离，将会旁路掉安全壳，导致反应堆冷却剂通过设备冷却水系统波动箱向汽轮机厂房持续泄漏。改进建议对设备冷却水系统进行部分设计变更，使其与典型的LOCA事故处理要求一致，仅使用安全相关的仪表和SSCs对事故进行早期监测和自动缓解。
3、改进摘要
?使用安全级设备将泄漏的一回路冷却剂隔离在安全壳内，修改设备冷却水系统安全壳隔离阀控制逻辑，增加与主泵轴承高2信号的控制联锁；
?使用核级安全阀对安全壳隔离管段进行超压保护，安全壳隔离管段附近新增核级安全阀；
?避免非核级仪表误差造成联锁的主泵设备冷却水系统隔离阀的误关闭，取消主泵设备冷却水系统流量偏差信号与主泵设备冷却水系统隔离阀的联锁控制；
4、改进理由
反应堆冷却剂泵的内部冷却系统在一回路压力下运行，通过泵的迷宫式密封的泄漏路径直接经过泵壳上部轴承水RTDs，弥补了通过泄漏的热交换器传热管向设备冷却水系统的流量损失。由于泵定子冷却系统相对较小的水量以及定子腔流体和泄漏到泵里的反应堆冷却剂的高温差，通过泵定子腔和外置热交换器的循环冷却水的平均温度将会升高。在电厂1-4模式下，即使假设两种不同温度的流体能够瞬间充分混合，相对较小的泄漏也将会使在RTD安装位置的泵定子冷却水温度在较短时间内升到高温停堆的整定值。当受影响的泵不运行时，通过迷宫式密封泄漏流与泵定子冷却系统的冷却水几乎没有混合，RTDs处的温度会迅速上升到跳泵整定值。
外置热交换器传热管破裂事故是一个小LOCA，相关场外剂量限值必须满足10 CFR50.34a场外剂量限值要求。从一根外置热交换器传热管的一个断口处的安全壳外最大释放如果超过一回路取样管线破口的安全壳外释放率，取样管线破口工况假定了130gpm的释放持续30分钟后被操纵员完全终止。在假定的30分钟延迟期间，稳压器低压力相关的S信号自动启动都不会发生。
如果外置热交换器泄漏的最大剂量小于取样管线破口泄漏的剂量，而且两个工况下其他各方面情况都一样的话，那仅通过手动操作来识别和终止破口是可以接受的响应策略。比较取样管线破口和外置热交换器传热管破口的假设条件，会发现以下显著差异:
?通过安全壳设备冷却水系统管线的流量是连续的，而通过取样管线的流量是间歇性的，决定了外置热交换器传热管失效比一回路传热管破口所导致的反应堆冷却剂安全壳外泄漏的暴露时间更长；
?反应堆冷却剂向设备冷却水系统的最大泄漏率预计比取样管线破口所假设的排放率限值略高，可能会挑战放射性释放2小时后现场边界剂量限值。
?取样管线破口处反应堆冷却剂的安全壳外泄漏是直接的(未稀释的)，而从外置热交换器传热管破口外泄到汽轮机厂房之前是与设备冷却水系统的循环流混合过的；
?由外置热交换器传热管破口引起的反应堆停堆需要操纵员马上注意，而一回路取样管线破口不需要。
为确保安全壳隔离阀在外置热交换器传热管破口事故下能够正确的发挥功能，在设备冷却水系统供水及回水的的管线上的最靠里的安全壳隔离阀内侧增设新的安全级的安全释放阀，新的安全释放阀保护设备冷却水系统供水及回水管的安全壳贯穿件。由于它们是安全级部件，因此可以假定它们能够限制安全壳内设备冷却水系统管道的最大压力，这些阀门的设计能力与每个反应堆冷却剂泵冷却水管线上的阀门是相同的,将继续用来保护设备冷却水系统管线包含外置热交换器。
这些改进确保能够在电厂功率运行工况下利用安全相关SSCs（在隔离功能上满足单一失效准则）缓解潜在的由主泵外置热交换器传热管破口引起的内部系统、安全壳外LOCA 。安全壳隔离阀门通过直流电池供电，并且在假定的由于定子冷却水高温工况下引起反应堆停堆而失去外部电源的情况下能够关闭。
4.1 较小的外置热交换热器传热管泄漏的监测和缓解
对于尺寸较小的传热管破口，其泄漏可能不会触发轴承水高温停堆停泵信号,需要通过操纵员的诊断，通过手动关闭反应堆冷却剂泵冷却水管线下游的隔离阀来手动隔离外置热交换器。可用于诊断这类事故的手段包括设备冷却水系统辐射监测,两个波动箱液位仪器,安装在每个反应堆冷却剂泵冷却水管线上的流量仪表产生的设备冷却水系统流量偏差报警。在电厂正常功率运行工况下的反应堆冷却剂系统的放射性活度下，外置热交换器的一个小的泄漏会导致设备冷却水系统液体辐射监测器在几分钟内产生一个高辐射报警。受影响的外置热交换器可以通过反应堆冷却剂泵的定子水温度的升高来识别。提醒操作员注意外置热交换器传热管的泄漏。
这些较小的泄漏事件产生的泄漏被安全壳外仪表的泄漏所包络并且能够仅通过操作员操作来检测和缓解泄漏。操纵员可以使用主泵轴承水RTDs、设备冷却水系统液体辐射监测仪和设备冷却水系统波动箱液位指示器来诊断主泵外置热交换器传热管泄漏并识别受影响的泵。每个主泵冷却水管道的下游隔离阀可以关闭，用来隔离泄漏的外置热交换器，同时保持冷却水流向安全壳内的其他部件。
4.2 反应堆冷却剂系统冷却(模式5，冷停堆)工况下外置换热器管泄漏的监测和缓解
反应堆冷却剂系统温度低于轴承水高温停堆停泵整定值的传热管泄漏将不会导致设备冷却水系统安全壳隔离阀的自动关闭。如果发生较大的外置热交换器泄漏，受影响的泵冷却水管道上的进口和出口流量传感器将会最先进行指示，流量偏差报警将生成并在主控制室中显示，设备冷却水系统液体辐射监测仪将在较短的时间内发出警报。波动箱液位增加，反应堆冷却剂系统向设备冷却水系统泄漏而造成的损失可以通过反应堆冷却剂泵跳泵来缓解或终止，并且通过上充和下泄流量来降低反应堆冷却剂系统的压力。如果流量偏差显示了是哪个热交换器出现了传热管失效，可以通过远程关闭受影响管道下游隔离阀将其与其余的设备冷却水系统隔离。设备冷却水系统安全壳隔离阀可以从主控制室关闭，从而终止反应堆冷却剂向安全壳外的泄漏。
三、主泵外置热交换器传热管破损风险应对浅析
主泵外置热交换器传热管破裂事故是一个小LOCA，相关场外剂量限值必须满足10 CFR50.34a场外剂量限值要求，通过分析，该工况不会对场外造成环境放射性影响。
假如用来缓解事故的安全相关SSCs构成巨大风险的非安全级管道、阀门、其他部件发生单一失效故障，设备冷却水系统的设计必须确保其隔离功能是有效的。必须包含安全相关阀门，被用于保护设备冷却水系统的安全级管线和安全壳隔离阀。为确保安全壳隔离阀在外置热交换器传热管破口事故下能够正确的发挥功能，在设备冷却水系统供水及回水的的管线上增设新的安全级的安全释放阀,新的安全释放阀保护设备冷却水系统供水及回水管的安全壳贯穿件,由于它们是安全级部件，能够限制安全壳内设备冷却水系统管道的最大压力。
轴承水高温跳泵信号不受电站功率水平、临界状态、泵运行状态或RCS温度等因素的影响，在泵轴承水RTDs处水温达到整定值时就会产生，主泵4个安全级轴承水温传感器(RTDs)的信号经PMS的四取二逻辑选取，轴承水高温阀门关闭信号被用作外置热交换器传热管向设备冷却水系统泄漏的指示。取消反应堆冷却剂泵冷却水管道的非安全隔离，以避免安全相关和非安全相关的自动隔离功能之间的意外相互作用。保留高流量偏差报警信号（非安全级），为操作员提供额外的诊断手段。上述措施完全是从核安全角度、避免放射性从设备冷却水系统安全壳隔离阀泄漏角度实施的，通过实施上述措施，能有效避免放射性泄漏事故。
如果外置热交换器发生泄漏，一回路高温高压冷却剂将通过热屏/飞轮区域、热交换器一次侧管路、传热管破口部位流向外置热交换器二次侧，导致外置热交换器的换热能力下降，同时将热量从主回路带往主泵电机，并影响主泵电机与外置热交换器之间的内部冷却循环，综合作用导致主泵电机温度上升。
虽然发生主泵外置热交换器泄漏的概率很小，即使发生也不会对场外环境造成放射性影响，湿绕组主泵绕组绝缘温度相比屏蔽主泵低很多，可能导致湿绕组主泵电机绕组绝缘加速热老化，甚至因高温而失效损坏，从保护主泵的角度，采取优化措施阻止一回路高温冷却剂向主泵电机腔室流动，确保电机绕组不会因高温损坏。
同时，从主泵外置热交换器设备设计、制造、役检检查等方面采取优化措施，降低传热管破损的概率：
?设计方面：
?一体化管箱与管箱盖采用垫片密封的连接形式，便于拆卸，有利于在役检查的实施；
?一体化管箱及管板的材料优化为SA-508.Gr.3CL.2加堆焊层，提高管箱的强度和刚度；
?换热管材料优化为SA-213 TP304L，增强换热管的抗晶间腐蚀能力；
?通过流致振动疲劳分析，提前判断换热管设计寿命内的疲劳累积因子；
?水化学控制中要求控制回路pH值呈碱性，降低回路中碳钢、不锈钢的均匀腐蚀，增加钼酸盐缓释剂，降低不锈钢传热管发生应力腐蚀的概率。
?制造方面
?要求所有传热管钢管的内、外表面应光滑且完好无损，表面不允许有裂纹、划痕、凹陷、拉毛、分层、刮伤、结疤、折叠、沟槽、重皮、过烧、过酸洗、氧化皮等缺陷，钢管的端部应垂直切齐、光滑，无毛刺和裂纹；
?所有热处理完成后，每根钢管应进行100%超声检测。
?役检检查方面
?换热器在水压试验完成后，对以下部位进行无损检测，检测区域按ASME-XI-IWB执行：对管箱封头与管箱法兰、下封头与管箱法兰的焊缝进行100%超声及磁粉检测；对管侧进、出口接管与管法兰、管侧进口接管与管箱封头、管侧出口接管与下封头的焊缝进行100%超声及液体渗透检测；对管侧进、出口接管及管侧排气接管的内圆角进行100%超声检测；对管侧进口接管内圆角堆焊层表面进行100%液体渗透检测；对传热管进行100%涡流检测；
?基于现有的检测技术，按照ASME XI卷的要求确保对传热管进行全面的在役检查，及时掌握换热器的运行状态。
参考文献：
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