【正文】 系統(tǒng)的保護(hù)措施 蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故 Steam Generator Tube Rupture, SGTR ? 定義 蒸汽發(fā)生器中一根或多根傳熱管發(fā)生破裂 (也包括導(dǎo)致輕微連續(xù)泄漏的裂紋 )導(dǎo)致的事故 。 ? 事故類型 – 單根管子完全破裂 ， 稀有事故 （ 工況 III） （ 曾被定義為極限事故 ） – 多根管子完全破裂 ， 極限事故 （ 工況 IV） 事故風(fēng)險(xiǎn) ? SG管子的材料 ， 普遍采用抗氯離子應(yīng)力腐蝕性能較好的因科鎳 690或因科洛依 800， 這種材料具有良好的延展性 ， 因此 發(fā)生單根管子完全斷裂的假定是偏于保守的 。 ? 電廠運(yùn)行時(shí) ， 由于有核取樣系統(tǒng)對(duì)蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測(cè) ， 測(cè)量從凝汽器中抽出的不凝結(jié)氣體的放射性等措施 ， 發(fā)生多根傳熱管斷裂的可能性極小 。 事 故 起 因 ? 由于機(jī)械加工 、 焊接 、 熱處理 、 脹接加工 、 組裝不好 ， 使 管子承受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力 ； ? 二回路給水水質(zhì)不好 ， 化學(xué)處理方法不當(dāng)或處理規(guī)范不合適 ，再加上管板處有沉積物 ， 使管板上方的管壁局部變薄及傳熱管發(fā)生裂紋 ， 而凝汽器泄漏是二回路水質(zhì)變壞的重要原因； ? 一回路水的腐蝕 ； ? 凹陷效應(yīng) ?? 腐蝕產(chǎn)物的淤積對(duì)管束的擠壓作用 ， 直接導(dǎo)致支撐板交界處傳熱管發(fā)生塑性變形 ， 引起支撐板變形以至破裂 。 由于工作條件苛刻 ， 絕大部分壓水堆都遇到過蒸汽發(fā)生器方面的麻煩 。 ? SGTR必須引起高度重視 ， 破損的傳熱管必須作 堵管操作 。 為了減少 SGTR發(fā)生概率 ， 對(duì)某些已明顯變薄或有缺陷的傳熱管也必須作預(yù)防性堵管操作 。 ? 80年代以來(lái) ， 蒸汽發(fā)生器的年平均堵管率在 %左右 ， 蒸汽發(fā)生器傳熱面積有很大設(shè)計(jì)余量 ， 少量堵管并不影響核電廠出力 。 ? 若 單臺(tái)蒸汽發(fā)生器堵管數(shù)超過 10%， 則可能需更換之 。 ? 1984年 ， 全世界有 7座運(yùn)行歷史在 1014年之間的壓水堆更換了蒸汽發(fā)生器 。 事 故 舉 例 ? 1979年 比利時(shí) DOEL核電站 ? 19752022年美國(guó)發(fā)生了 8起 – 1982年 美國(guó) GINNA核電站 ? SGTR造成主冷卻劑系統(tǒng)快速減壓和自動(dòng)緊急停堆，冷卻過程中主系統(tǒng)有汽泡生成，觀察到向環(huán)境放射性釋放的增加。 – 2022年 美國(guó) Indian Point 2 核電站 事故，等。 ? 破裂的部位多發(fā)生在 管板上方 和 U形彎管段區(qū) ； ? 破口的大小和形態(tài)也不一樣 ， 大多破口是 軸向破裂 ， 裂紋長(zhǎng)度為 32 ? 250 mm， 也有裂紋呈 360?的 周向破裂 。 30分鐘不干預(yù)原則 ? 在 事故發(fā)生最初 30分鐘 ， 操縱員不干預(yù)電廠的運(yùn)行 。 ? 這主要是 基于設(shè)計(jì)的考慮 ； ? 實(shí)際運(yùn)行中 ， 要求操縱員盡早識(shí)別事故起因 、 類型 ， 然后依據(jù)運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行操作 ， 保障反應(yīng)堆安全 。 ? 美國(guó) 先進(jìn)輕水堆 （ 如 AP1000） 提出可 72小時(shí)不干預(yù) 。 蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故 ? 在幾乎所有的事故規(guī)程中 ， 唯獨(dú) SGTR的處理 特別依賴于操縱員的處理動(dòng)作 ， 操縱員的反應(yīng)能力直接牽涉到這個(gè)事故的后果 。 要求運(yùn)行人員必須在 30分鐘內(nèi)找到和確認(rèn)事故蒸汽發(fā)生器 ， 并 成功將其隔離 。 ? 操縱員介入的目的： ? 保持核設(shè)施安全的情況下 ， 限制放射性向外界的排放 ，盡可能快地 消除泄漏 并 使反應(yīng)堆過渡到堆芯余熱排出的啟動(dòng)投入條件 。 SGTR是較持殊的失水事故 ， 合并了 “ SG二次側(cè)水裝量增加 ” 和 “ 有向環(huán)境放射性釋放的小破口失水 ” ， 也是 DBA中允許和要求操縱員干預(yù)來(lái)緩解后果的事故 。 極限情況 ? 極限情況： 即導(dǎo)致最大放射性后果的情況 ， 意味著在瞬變期間從破損蒸汽發(fā)生器向大氣釋放的活度最大 。 放射性后果取決于從破損蒸汽發(fā)生器向大氣釋放的流體性質(zhì)和流體總量 。 ? 給定的時(shí)間內(nèi)排放的水質(zhì)量最大 ， 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng) 和 蒸汽發(fā)生器殼側(cè)之間的 壓差必最大 。 ? 液體排放 比蒸汽排放攜帶更多的放射性 。 ? 導(dǎo)致 破損蒸汽發(fā)生器和蒸汽管滿溢排放液體 的情況比僅導(dǎo)致蒸汽排放的情況更加惡劣 。 ? 下列情況可能使 破損蒸汽發(fā)生器滿溢 ： ? 二次側(cè)水的初始質(zhì)量最大 ； ? 瞬變期間水位增到最高 ， 這可能是由于： ? 主給水閥處于手動(dòng)控制 （ 初始功率低于 18％ 額定功率情況 ） ； ? 汽動(dòng)和電動(dòng)的輔助給水泵都啟動(dòng) （ 最大輔助給水流量 ） 。 分析的保守初始條件 ? 兩種情況 ? 情況 A：初始功率等于 102%額定功率 ； ? 情況 B：初始功率等于 5%額定功率 。 選擇這兩種情況是為了在汽機(jī)跳閘后的階段導(dǎo)致 未破損蒸汽發(fā)生器內(nèi)低 低水位 ， 這意味著操縱員干預(yù)前整個(gè)輔助給水系統(tǒng)（ 電動(dòng)輔助給水泵和汽動(dòng)輔助給水泵 ） 都啟動(dòng) 【 破損蒸汽發(fā)生器更快注水 ?? 保守 ！ 】 。 ? 為了 降低初始蒸汽壓力 (二次側(cè) )， 假定反應(yīng)堆冷卻劑初始平均溫度為初始功率 “ 減去 ” 最大穩(wěn)態(tài)控制范圍和測(cè)量誤差后對(duì)應(yīng)的數(shù)值 。 ? 穩(wěn)壓器初始?jí)毫?(一次側(cè) ) 為初始功率 “ 加上 ” 最大穩(wěn)態(tài)波動(dòng)和測(cè)量誤差后對(duì)應(yīng)的值 ， 并且假定在 事故發(fā)生后安注盡快投入 。 ? 假定 電動(dòng)輔助給水泵或汽動(dòng)輔助給水泵 都在啟動(dòng)信號(hào) （ 安全注射信號(hào) ， 或 ， 蒸汽發(fā)生器低 低水位信號(hào) + 正常給水低流量信號(hào) ） 發(fā)出后 ， 以 最短時(shí)間延遲 后啟動(dòng) 。 ? 蒸汽系統(tǒng) ? 假定 凝汽器不能用 。 ? 根據(jù) 單一故障準(zhǔn)則 ， 假定 1臺(tái)未破損蒸汽發(fā)生器的釋放閥不能用 。 因此 ， 只有 1臺(tái)未破損蒸汽發(fā)生器的卸壓閥用于系統(tǒng)降壓（ 溫 ） 。 分析的保守初始條件（續(xù)） 事 故 進(jìn) 程 無(wú)運(yùn)行人員干預(yù)的物理性能（ 30min內(nèi)） 一回路： 泄漏降壓 ? 化容系統(tǒng) 上充流量增加 ， 企圖維持穩(wěn)壓器水位； ? 下泄回路隔離 。 泄漏和一回路水收縮而降壓 ? 最大上充流量不足以補(bǔ)償泄漏流量 ， 壓力繼續(xù)下降 ， 引起 反應(yīng)堆緊急停閉 ， 汽輪機(jī)脫扣 ； ? 緊急停堆后導(dǎo)致冷卻劑溫度急劇下降 ， 一回路水收縮 ， 加速一回路壓力下降 （ 泄壓曲線陡 ） ； ? 穩(wěn)壓器低 低壓力觸發(fā) 安注投入 ， 趨于補(bǔ)償一回路水的流失（ 泄壓曲線變緩 ） 。 安注和輔助給水補(bǔ)償 ， 使壓力趨于上升 ? 高壓安注泵的流量一旦大于破口流量時(shí) ， 一回路壓力回升 ，并穩(wěn)定在由 剩余功率水平 以及同時(shí)通過 破口 和 與二回路間的熱交換 導(dǎo)出的能量所決定的一個(gè)值上； ? 由于有 輔助給水的投入 ， 這個(gè)壓力水平緩慢減小 ， 輔助給水以較冷的水充滿蒸汽發(fā)生器 ， 所以增大了二回路的冷卻能力 ， 由此引起 泄漏流量稍微下降 。 壓力穩(wěn)定在 高于二回路的 值上 無(wú)運(yùn)行人員干預(yù)的物理性能（ 30min內(nèi)） （續(xù) 1） 穩(wěn)壓器水位 ? 對(duì)于穩(wěn)壓器 ， 在 第一階段 ， 水位降低 ， 因?yàn)?化容系統(tǒng)回路僅能部分地補(bǔ)償一回路水的損失 ； ? 緊急停堆 后 ， 由于一回路水收縮 ， 穩(wěn)壓器迅速地向外排水 ； ? 在 安注系統(tǒng)投入工作后 ， 一回路中水量趨于穩(wěn)定 ， 穩(wěn)壓器中水位很可能超出測(cè)量范圍 。 無(wú)運(yùn)行人員干預(yù)的物理性能（ 30min內(nèi)） （續(xù) 2） 二回路： 緊急停堆前 ? 如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在工作 （ 主給水流量自動(dòng)控制 ） ， 3個(gè) SG中的水位將保持恒定 ， 斷裂發(fā)生 后 ， 故障的 SG的水位瞬時(shí)升高 （ 換熱量+泄漏水量引起膨脹 ） ； ? 沒有 SG水位調(diào)節(jié)時(shí) （ 小于 18%Pn） ， 由于導(dǎo)出的蒸汽總量 （ 由蒸汽流量調(diào)節(jié)保持恒定 ） 與進(jìn)入的水量 （ 恒定的給水流量＋斷裂傳熱管破口流量 ） 之間不平衡 ， 故障 SG水位連續(xù)增長(zhǎng) ；同時(shí) ，故障 SG產(chǎn)生的蒸汽流量增加 ；引起從 另外兩個(gè) SG導(dǎo)出的蒸汽流量減小 ， 導(dǎo)致給水和蒸汽流量之間的不平衡 ， 使得 這兩個(gè) SG的水位稍有增加 ； ? 這一階段 壓力變化不大 。 緊急停堆后 ? 蒸汽流量很快降為零 引起收縮 （ 汽機(jī)脫扣 ， 瞬時(shí)壓力升高引起汽泡破滅 ） 現(xiàn)象 ， 使 所有 SG中的水位大幅下降 ； ? 通向凝汽器的旁路系統(tǒng)不可用 （ 保守假定 停堆后失去廠外電源 ， 至凝汽器的蒸汽排放閥因失電而處于關(guān)閉狀態(tài) )， 導(dǎo)致 蒸汽壓力上升 ， 直到對(duì)空釋放閥開啟 ， 二回路壓力維持恒定 。 輔助給水投入 ? SG輔助給水系統(tǒng)的兩個(gè)電動(dòng)輔助給水泵由于安注系統(tǒng)投入工作而啟動(dòng) ， 使得 3個(gè) SG的水位回升 ， 故障 SG的水位增長(zhǎng)快 ?（ 破口＋輔助給水 ） 有 滿溢風(fēng)險(xiǎn) 。 無(wú)運(yùn)行人員干預(yù)的物理性能（ 30min內(nèi)） （續(xù) 3） 壓 力 事故處臵要求 ? 事故處理一般要求在 30min內(nèi)處理完畢 ， 可分為下列三個(gè)階段： (1) 停堆到安注系統(tǒng)動(dòng)作 ，時(shí)間約為 5 min； (2) 對(duì)事故的鑒定 ，時(shí)間約為 10 min； (3) 事故處理直到把破管蒸汽發(fā)生器隔離 ，時(shí)間約為 15min。 SGTR中操縱員的干預(yù) 識(shí)別事故 SG ? SG排污水放射性的警報(bào) / 主蒸汽管道內(nèi)的放射性水平升高 ? SG水位演變情況 隔離事故 SG ? 手動(dòng) 關(guān)閉故障 SG的主蒸汽隔離閥 ? 手動(dòng) 關(guān)閉輔助給水系統(tǒng)通往事故 SG的給水調(diào)節(jié)閥 消除泄漏 （ 一回路冷卻降溫 、 降壓 ） ? 一回路降溫 ? 依靠 兩個(gè)完好 SG來(lái)保證 （ 實(shí)際中盡量采用旁排系統(tǒng)通往凝汽器的冷卻方式 ， 如果不可用則采用蒸汽旁路對(duì)大氣排放 ， 按不大于 56攝氏度 /小時(shí)的速率冷卻 ） 一回路降溫 ， 安全分析中采用對(duì)大氣的排放 ； ? 故障 SG被隔離 ， SG二次側(cè)水基本無(wú)流動(dòng) ， 可能被一回路水冷卻； ? RCS迅速地冷卻 到低于破損 SG壓力下的飽和狀態(tài) ， 保證了 RCS在降壓操作過程中有足夠的過冷度 。 SGTR中操縱員的干預(yù)（續(xù)） ? 一回路降壓 ? 穩(wěn)壓器噴淋 – 主泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況下采用 ? 穩(wěn)壓器的卸壓閥開啟 – 主泵停運(yùn)情況下采用 （ 廠外電源喪失或穩(wěn)壓器壓力低于主泵運(yùn)行壓力時(shí) ， 開啟卸壓閥 ， 當(dāng)壓力等于破損 SG二次側(cè)壓力時(shí) ， 停止降壓 ） ? 停止安注 – 一回路降壓的根本在于 ， 滿足安全的條件下 ， 盡快停止安全注入 。 – 操縱員可 利用穩(wěn)壓器輔助噴淋維持破損 SG一 、 二次側(cè)壓力平衡 ， 終止破口流量 。 開啟故障 SG的排污回路 ? 避免 SG滿溢 止 某電廠 SGTR事故分析計(jì)算結(jié)果 ? 對(duì)于 情況 A（ 102%Pn初始功率 ） ， 該瞬變不會(huì)導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器滿溢 。 ? 對(duì)于 情況 B（ 5%Pn初始功率 ） ， 與只啟動(dòng)電動(dòng)輔助給水泵的情況相比 ，啟動(dòng)汽動(dòng)輔助給水泵使輔助給水流量增大一倍 。 破損蒸汽發(fā)生器和蒸汽管道滿溢 ， 水排放到環(huán)境 。 用初始功率為 3％ 額定功率所做的計(jì)算表明 ， 未破損蒸汽發(fā)生器在安注信號(hào)之前沒有發(fā)出蒸汽發(fā)生器低 低水位信號(hào) 。 因此對(duì)于低于 3％ 額定功率的情況 ， 不會(huì)使汽動(dòng)輔助給水泵啟動(dòng) 。因而 可把極限情況定在 5 ％ 到 3％ 額定功率之間 。 ? 對(duì) 3%額定功率情況 （ 同時(shí)強(qiáng)制啟動(dòng)汽動(dòng)和電動(dòng)輔助給水泵 ） 進(jìn)行的計(jì)算表明 ， 從出現(xiàn)安注信號(hào)到操縱員干預(yù)這段時(shí)間內(nèi) ， 破損蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水質(zhì)量比 5%額定功率相應(yīng)情況下多 3噸 。 ? 為了覆蓋 3%到 5%功率范圍 ， 消除它們的差別 ， 在設(shè)計(jì)實(shí)踐中 ， 假定向環(huán)境排放的水量增加 3噸 。 事 故 后 果 ? 一回路水污染二回路 ， 二回路具有放射性 ； ? 凝汽器不可用時(shí) ， 放射性可能進(jìn)入大氣 （ 如果同時(shí)發(fā)生廠外電源或凝汽器排放系統(tǒng)失效 ， 則蒸汽排放閥自動(dòng)關(guān)閉 ， 以保護(hù)凝汽器 ） ； ? 使 破管蒸汽發(fā)生器和蒸汽管道充滿水的風(fēng)險(xiǎn) ；水排放的放射性比蒸汽排放大得多 ， 更危險(xiǎn)； ? SG的 安全閥帶水操作可能造成卡在開啟的位臵上 ； ? 使 堆芯冷卻不足的風(fēng)險(xiǎn) ； ? 一回路水被二回路水稀釋 ， 造成 一回路水硼濃度減小風(fēng)險(xiǎn) 。 保 護(hù) 措 施 ? SGTR事故一旦發(fā)生 ， 相應(yīng)地第二道屏障失去了完整性 ， 設(shè)計(jì)時(shí)采取預(yù)防措施 ， 以防止事故擴(kuò)大 ， 保護(hù)系統(tǒng)作用是保證另外兩道屏障完整性 ， 或當(dāng)排向大氣的釋放閥開啟后 ， 加以恢