安全相關(guān)泵組小流量定期試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則的改進(jìn)研究

王樹強(qiáng)，孫開寶，張 釗,，*，羅定國，唐博文，張 勇，李 根

(1.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司 運(yùn)行部，廣東 深圳，518124；2.蘇州熱工研究院有限公司 核安全與運(yùn)行技術(shù)中心，廣東 深圳 518000；3.陽江核電有限公司 運(yùn)行二部，廣東 陽江 529941；4.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

輔助給水系統(tǒng)(ASG)、安全殼噴淋系統(tǒng)(EAS)、安全注入系統(tǒng)(RIS)等是中國改進(jìn)型三回路壓水堆(CPR1000)核電機(jī)組的專設(shè)安全系統(tǒng)，在事故工況下其泵組投入使用并執(zhí)行安全功能，以控制或緩解事故后果。這些安全功能的可靠有效需要實(shí)施定期試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。定期試驗(yàn)規(guī)定為在電站整個壽期按固定的周期和方法，對核電機(jī)組安全重要功能及可用性相關(guān)的系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行的周期性檢查。目的是確定所指設(shè)施隨時間推移在某些運(yùn)行性能上是否變化，設(shè)計(jì)時確定的保護(hù)和專設(shè)安全系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)是否一直得到遵守，包含在保護(hù)和專設(shè)安全系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備可用性標(biāo)準(zhǔn)本身是否得到遵守[1]。

輔助給水泵、安全殼噴淋泵和低壓安注泵，均為離心泵，設(shè)置有小流量再循環(huán)管線，管線上設(shè)置有孔板。在電廠正常運(yùn)行或者換料大修期間，電廠會定期用小流量管線對這些安全相關(guān)泵組泵進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中監(jiān)視并記錄泵主要性能參數(shù)和振動參數(shù)，并判斷是否滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。但作為監(jiān)視參數(shù)之一的軸承溫度，需泵小流量運(yùn)行較長時間才能滿足穩(wěn)定判據(jù)，給泵的運(yùn)行安全及可用性帶來風(fēng)險。目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中，未見對該類定期試驗(yàn)問題的分析及改進(jìn)研究。

本文分析安全相關(guān)泵組小流量定期試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理和持續(xù)時間的選擇，指出目前泵穩(wěn)定判據(jù)存在的問題；參照ASME-OM標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐，提出該定期試驗(yàn)的解決方法和改進(jìn)方案。以CPR1000機(jī)組ASG電動輔助給水泵小流量定期試驗(yàn)為例，給出改進(jìn)方法和方案。

1 安全相關(guān)泵組小流量定期試驗(yàn)

為檢驗(yàn)由反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)(RPR)未閉鎖信號啟動的裝置或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的完好可用性，機(jī)組設(shè)計(jì)有T3定期試驗(yàn)，由運(yùn)行試驗(yàn)人員在主控室RPR 定期試驗(yàn)畫面上觸發(fā)，機(jī)組人員配合實(shí)施。對每一個試驗(yàn)專門設(shè)計(jì)一個試驗(yàn)授權(quán)鑰匙，從而保證在任何時候只能執(zhí)行一組試驗(yàn)。T3試驗(yàn)是校核反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)安全保護(hù)回路的最后階段，包括安全觸發(fā)邏輯和其有關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行等[2]。驗(yàn)證ASG/EAS/RIS等安全相關(guān)泵組啟動功能的定期試驗(yàn)是T3定期試驗(yàn)的一部分。

1.1 定期試驗(yàn)原理

做好定期試驗(yàn)前的系統(tǒng)在線，閥門狀態(tài)核對后，運(yùn)行定期試驗(yàn)人員首先在主控室操縱員站定期試驗(yàn)畫面上分別點(diǎn)擊相關(guān)控件，如：用 ASG055 KG 啟動ASG 電動泵001PO，用RPA604 KC進(jìn)行安全注入邏輯試驗(yàn)，用RPA621 KC進(jìn)行安全殼噴淋信號邏輯試驗(yàn)，然后監(jiān)測記錄安全相關(guān)泵組(ASG輔助給水泵、EAS噴淋泵和RIS低壓安注泵)的主要參數(shù)，核對相關(guān)閥門的及時準(zhǔn)確動作等。

以輔助給水系統(tǒng)電動泵小流量定期試驗(yàn)為例，啟動ASG001PO或002PO后，此時再循環(huán)管線投入，系統(tǒng)以小流量運(yùn)行，其原理如圖1所示。定期試驗(yàn)的主要操作如圖2所示[3]。運(yùn)行人員完成定期試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作(包括試驗(yàn)涉及的所有系統(tǒng)和設(shè)備)后，在主控室發(fā)出啟泵指令，在現(xiàn)場的性能試驗(yàn)人員和現(xiàn)場運(yùn)行人員檢查泵的啟動狀況，主控室運(yùn)行人員觀察定期試驗(yàn)畫面上的泵主要參數(shù)，并于半小時后，記錄這些主要參數(shù)。泵運(yùn)行半小時后，主控室的運(yùn)行人員借助定期試驗(yàn)畫面的數(shù)據(jù)記錄，判斷10 min 內(nèi)泵軸承溫度變化，若小于 1 ℃，則認(rèn)為泵溫度穩(wěn)定，記錄軸承溫度、振動等參數(shù)后，停泵結(jié)束試驗(yàn)；若大于 1 ℃，則泵繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到滿足溫度穩(wěn)定準(zhǔn)則后結(jié)束試驗(yàn)。

圖1 ASG電動泵小流量定期試驗(yàn)原理圖Fig.1 Flow diagram for minimum flow periodic test of ASG motor pump

圖2 ASG電動泵小流量定期試驗(yàn)流程Fig.2 Process diagram for minimum flow periodic test of ASG motor pump

1.2 驗(yàn)收準(zhǔn)則

CPR1000機(jī)組安全相關(guān)泵組一般都是離心泵，其小流量定期試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，參照了早期的ASME規(guī)范第XI卷《核電廠部件在役檢查規(guī)則》的IWP分冊，其驗(yàn)證參數(shù)除泵出口壓力、流量、振動外，還包括軸承溫度。在IWP分冊中對試驗(yàn)持續(xù)時間的要求如下所示[4]。

要求測量軸承溫度時，應(yīng)使每臺泵運(yùn)轉(zhuǎn)直至軸承溫度達(dá)到穩(wěn)定，然后對規(guī)定的變量進(jìn)行測量、觀察和記錄。當(dāng)每隔10分鐘一次，相繼三次測量的溫度讀數(shù)變化不大于3%時，認(rèn)為軸承溫度穩(wěn)定。

根據(jù)上述要求，泵啟動后持續(xù)時間至少為半個小時；考慮到泵組潤滑油的特性及溫度報警值，將溫度穩(wěn)定判據(jù)設(shè)定為 10 min溫度變化不大于 1 ℃。

1979年，ASME第XI卷的泵和閥分組轉(zhuǎn)到ASME核電廠運(yùn)行和維修委員會(O&M委員會)，經(jīng)過長期的研究和ASME-OM標(biāo)準(zhǔn)的多次升版，關(guān)于離心泵的試驗(yàn)要求發(fā)生了較大變化。

2 存在的主要問題及改進(jìn)方案

CPR1000機(jī)組安全相關(guān)泵組小流量定期試驗(yàn)過程中存在的主要問題分析及改進(jìn)方案如下。

2.1 存在的問題

在CPR1000機(jī)組安全相關(guān)泵組小流量定期試驗(yàn)實(shí)施過程中，泵啟動后運(yùn)行0.5 h或1 h后，檢查發(fā)現(xiàn)泵電機(jī)電流、出口壓力、再循環(huán)流量等主要參數(shù)可達(dá)到穩(wěn)定并滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則；但此時軸承溫度仍無法滿足 10 min溫度變化不大于 1 ℃，導(dǎo)致泵較長時間運(yùn)行，定期試驗(yàn)實(shí)施時間較長。

作為T3試驗(yàn)一部分的安全相關(guān)泵組小流量定期試驗(yàn)，其試驗(yàn)頻度較高，為每兩個月一次；并且小流量較長時間運(yùn)行，可能帶來再循環(huán)管線振動高、結(jié)構(gòu)完整性破壞而導(dǎo)致泵不可用等問題。

2.2 問題分析

美國壓水堆機(jī)組的安全相關(guān)泵組也存在類似問題，NRC及ASME O&M委員會研究后認(rèn)為，對于正常運(yùn)行、冷停堆及換料時連續(xù)或定期運(yùn)行的泵，或者備用系統(tǒng)中除試驗(yàn)外日常不允許的泵，其小流量定期試驗(yàn)提供的泵的狀態(tài)信息有限，并且可能對泵帶來損害。若機(jī)組對泵軸承溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，則可以用來判斷軸承性能。但是，定期試驗(yàn)期間監(jiān)測記錄泵軸承溫度對判斷軸承性能的作用不大[5-8]。所以，在ASME OM 標(biāo)準(zhǔn)中，安全相關(guān)泵組小流量試驗(yàn)的監(jiān)督內(nèi)容已不再包括軸承溫度，其試驗(yàn)持續(xù)時間的要求修改為在系統(tǒng)允許條件下泵運(yùn)行盡可能穩(wěn)定后，記錄泵的相關(guān)參數(shù)。

目前CPR1000機(jī)組安全相關(guān)泵組小流量定期試驗(yàn)的主要問題是軸承溫度是試驗(yàn)監(jiān)視參數(shù)之一，同時軸承溫度穩(wěn)定判據(jù)過于嚴(yán)格，導(dǎo)致試驗(yàn)持續(xù)時間過長。

而參照上述ASME OM 2004標(biāo)準(zhǔn)要求[9]，軸承溫度將不再作為試驗(yàn)監(jiān)視參數(shù)，試驗(yàn)持續(xù)時間則綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行條件及啟泵后運(yùn)行情況進(jìn)行選擇。

2.3 小流量定期試驗(yàn)改進(jìn)方案

通過上述分析，安全相關(guān)泵組小流量定期試驗(yàn)改進(jìn)方案如圖3所示，即在定期試驗(yàn)中不再監(jiān)督并記錄軸承溫度，同時結(jié)合泵組設(shè)計(jì)、出場測試及機(jī)組定期試驗(yàn)結(jié)果，選擇泵啟動后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的時間為T0。

圖3 ASG電動泵小流量定期試驗(yàn)改進(jìn)方案Fig.3 Improvement scheme for minimum flow periodic test of ASG motor pump

3 ASG電動泵組小流量定期試驗(yàn)改進(jìn)

下面以某CPR1000機(jī)組的ASG電動泵組為例，采用基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)方案，對其小流量定期試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的核心是試驗(yàn)持續(xù)時間T0的確定。下面將綜合泵組設(shè)計(jì)、出場測試及實(shí)際定期試驗(yàn)結(jié)果來選擇試驗(yàn)持續(xù)時間。

3.1 最小連續(xù)穩(wěn)定流量

泵在小流量下運(yùn)行時，泵效率較低；抗汽蝕性能較差；由于二次回流的存在，造成泵壓力脈動，振動和噪聲增加；同時其軸向力、徑向力增加，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不利[10]。離心泵存在一個最小連續(xù)穩(wěn)定流量(Qlmin)，是由水泵廠家設(shè)計(jì)并通過試驗(yàn)確定的、泵能夠正常工作的最小流量。該CPR1000機(jī)組的ASG電動泵的Qlmin= 25 m3/h，而小流量定期試驗(yàn)下的再循環(huán)流量為33～36 m3/h，定期試驗(yàn)流量高于最小連續(xù)穩(wěn)定流量最小連續(xù)穩(wěn)定流量，電動泵可以正常工作。

3.2 出廠試驗(yàn)結(jié)果

該CPR1000機(jī)組ASG電動泵組的出廠試驗(yàn)中，在不同流量點(diǎn)上共進(jìn)行了150 h的耐久性試驗(yàn)，期間進(jìn)行了50 次不同時間間隔的啟停試驗(yàn)及50 次大小流量循環(huán)，即流量從最小(25 m3/h)調(diào)至最大(155 m3/h)再回到最小(25 m3/h)的試驗(yàn)。耐久性試驗(yàn)中最小流量的累積運(yùn)行時間為50 h。

耐久性試驗(yàn)中，泵軸承溫度和泵出口流量隨時間的變化規(guī)律如圖4所示。在最小連續(xù)穩(wěn)定流量下，驅(qū)動端軸承溫度較低，泵啟動后很快就達(dá)到穩(wěn)定；而泵軸承非驅(qū)動端軸承溫度較高，其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時間較晚，超過1 h才能達(dá)到穩(wěn)定。這是因?yàn)楸脝映跏茧A段，軸向推力指向泵非驅(qū)動端，導(dǎo)致非驅(qū)動端推力軸承油流間隙小，流動劇烈而發(fā)熱量高，所以其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時間較長。

圖4 耐久性試驗(yàn)中泵軸承溫度和流量曲線Fig.4 Pump bearing temperatures and Flow during endurance test

耐久性試驗(yàn)中，泵軸承振動速度和泵出口流量隨時間的變化規(guī)律如圖5所示。在最小連續(xù)穩(wěn)定流量下，泵軸承驅(qū)動端水平振動速度、豎直振動速度，非驅(qū)動端水平振動速度、豎直振動速度，均大約1個小時達(dá)到穩(wěn)定；整個試驗(yàn)過程中，所有振動測量結(jié)果均小于驗(yàn)收準(zhǔn)則4.5 mm/s。

圖5 耐久性試驗(yàn)中泵軸承振動速度和流量曲線Fig.5 Pump vibration and flow during endurance test

3.3 小流量管線振動

連接在主給水管道的小支管振動過大會導(dǎo)致連接部位的焊縫出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致滲漏事件的發(fā)生，對電廠的正常運(yùn)行和安全相關(guān)設(shè)備的可用性帶來影響[11，12]。

造成小流量管線振動過大的原因有：泵的周期激勵；管內(nèi)流體的湍流激勵；節(jié)流孔板的過分節(jié)流出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象；流量孔板出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象；管道的走向不合理等。經(jīng)過調(diào)試反饋、運(yùn)行反饋和設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過合理的管系布置，增加管道支撐或改變管道流量的方法使水力激振避開管道共振區(qū)等措施，目前的CPR1000機(jī)組安全相關(guān)泵組的小流量管線，在定期試驗(yàn)期間振動情況滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不會對小流量管線及其連接管線的結(jié)構(gòu)完整性帶來影響。

3.4 機(jī)組定期試驗(yàn)結(jié)果

以該CPR1000機(jī)組2020年ASG電動泵小流量定期試驗(yàn)為例，啟泵后，在主控DCS畫面監(jiān)視的泵出口壓力、出口流量、軸承溫度、泵電機(jī)電流等主要參數(shù)的變化趨勢如圖6所示。泵啟動后，約5 min左右，泵出口壓力、泵出口流量就基本不變，達(dá)到驗(yàn)收準(zhǔn)則，而泵軸承驅(qū)動端溫度在泵啟動1個多小時后，其溫度變化仍高于1 ℃/10 min，圖中游標(biāo)值是停泵前十分鐘數(shù)據(jù)對比，其中3ASG010 MT和013 MT不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，偏差分別為1.06 ℃/10 min和1.17 ℃/10 min，泵啟動后已經(jīng)運(yùn)行1小時13分鐘。另外，機(jī)組多次定期試驗(yàn)過程中，泵組振動均正常。

圖6 定期試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of Minimum Flow Periodic Tests in one certain CPR1000 unit

3.5 試驗(yàn)持續(xù)時間的確定

綜合上述分析，小流量運(yùn)行下，非驅(qū)動端軸承溫度穩(wěn)定時間長于1 h，根據(jù)ASME OM標(biāo)準(zhǔn)，將軸測溫度穩(wěn)定做為穩(wěn)定判據(jù)對定期試驗(yàn)來說意義不大，故將軸承溫度監(jiān)測及記錄從定期試驗(yàn)中移除；而泵啟動1小時后，泵振動穩(wěn)定并滿足振動驗(yàn)收準(zhǔn)則，并且ASG電動泵組小流量管線振動正常，而泵出口壓力和流量在啟動后5 min左右就達(dá)到穩(wěn)定。

綜合上述因素后，取系統(tǒng)允許條件下泵運(yùn)行穩(wěn)定時間為1小時，即該定期試驗(yàn)持續(xù)時間T0=1 h。

4 結(jié)論

針對安全相關(guān)泵組泵啟動后穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)格，軸承溫度穩(wěn)定時間過長導(dǎo)致泵在小流量下較長時間運(yùn)行的問題，分析其根本原因在于選擇泵軸承溫度變化速率作為穩(wěn)定判據(jù)，導(dǎo)致試驗(yàn)持續(xù)時間過長。根據(jù)ASME OM 2004標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究，在定期試驗(yàn)中不再監(jiān)視記錄泵軸承溫度；同時綜合泵最小連續(xù)流量設(shè)計(jì)、出廠試驗(yàn)結(jié)果，管線振動情況和機(jī)組定期試驗(yàn)情況，在系統(tǒng)允許的條件下，選擇定期試驗(yàn)持續(xù)時間，可實(shí)現(xiàn)小流量定期試驗(yàn)持續(xù)時間的改進(jìn)。