安全相關泵組小流量定期試驗驗收準則的改進研究

王樹強，孫開寶，張 釗,，*，羅定國，唐博文，張 勇，李 根

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

輔助給水系統(ASG)、安全殼噴淋系統(EAS)、安全注入系統(RIS)等是中國改進型三回路壓水堆(CPR1000)核電機組的專設安全系統，在事故工況下其泵組投入使用并執行安全功能，以控制或緩解事故后果。這些安全功能的可靠有效需要實施定期試驗進行驗證。定期試驗規定為在電站整個壽期按固定的周期和方法，對核電機組安全重要功能及可用性相關的系統和設備進行的周期性檢查。目的是確定所指設施隨時間推移在某些運行性能上是否變化，設計時確定的保護和專設安全系統的安全標準是否一直得到遵守，包含在保護和專設安全系統內的設備可用性標準本身是否得到遵守[1]。

輔助給水泵、安全殼噴淋泵和低壓安注泵，均為離心泵，設置有小流量再循環管線，管線上設置有孔板。在電廠正常運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泵組泵進行試驗，試驗過程中監視并記錄泵主要性能參數和振動參數，并判斷是否滿足驗收準則。但作為監視參數之一的軸承溫度，需泵小流量運行較長時間才能滿足穩定判據，給泵的運行安全及可用性帶來風險。目前國內外文獻中，未見對該類定期試驗問題的分析及改進研究。

本文分析安全相關泵組小流量定期試驗設計原理和持續時間的選擇，指出目前泵穩定判據存在的問題；參照ASME-OM標準和機組運行實踐，提出該定期試驗的解決方法和改進方案。以CPR1000機組ASG電動輔助給水泵小流量定期試驗為例，給出改進方法和方案。

1 安全相關泵組小流量定期試驗

為檢驗由反應堆保護系統(RPR)未閉鎖信號啟動的裝置或執行機構的完好可用性，機組設計有T3定期試驗，由運行試驗人員在主控室RPR 定期試驗畫面上觸發，機組人員配合實施。對每一個試驗專門設計一個試驗授權鑰匙，從而保證在任何時候只能執行一組試驗。T3試驗是校核反應堆保護系統安全保護回路的最后階段，包括安全觸發邏輯和其有關執行機構的實際運行等[2]。驗證ASG/EAS/RIS等安全相關泵組啟動功能的定期試驗是T3定期試驗的一部分。

1.1 定期試驗原理

做好定期試驗前的系統在線，閥門狀態核對后，運行定期試驗人員首先在主控室操縱員站定期試驗畫面上分別點擊相關控件，如：用 ASG055 KG 啟動ASG 電動泵001PO，用RPA604 KC進行安全注入邏輯試驗，用RPA621 KC進行安全殼噴淋信號邏輯試驗，然后監測記錄安全相關泵組(ASG輔助給水泵、EAS噴淋泵和RIS低壓安注泵)的主要參數，核對相關閥門的及時準確動作等。

以輔助給水系統電動泵小流量定期試驗為例，啟動ASG001PO或002PO后，此時再循環管線投入，系統以小流量運行，其原理如圖1所示。定期試驗的主要操作如圖2所示[3]。運行人員完成定期試驗前的準備工作(包括試驗涉及的所有系統和設備)后，在主控室發出啟泵指令，在現場的性能試驗人員和現場運行人員檢查泵的啟動狀況，主控室運行人員觀察定期試驗畫面上的泵主要參數，并于半小時后，記錄這些主要參數。泵運行半小時后，主控室的運行人員借助定期試驗畫面的數據記錄，判斷10 min 內泵軸承溫度變化，若小于 1 ℃，則認為泵溫度穩定，記錄軸承溫度、振動等參數后，停泵結束試驗；若大于 1 ℃，則泵繼續運轉，直到滿足溫度穩定準則后結束試驗。

圖1 ASG電動泵小流量定期試驗原理圖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流程Fig.2 Process diagram for minimum flow periodic test of ASG motor pump

1.2 驗收準則

CPR1000機組安全相關泵組一般都是離心泵，其小流量定期試驗設計過程中，參照了早期的ASME規范第XI卷《核電廠部件在役檢查規則》的IWP分冊，其驗證參數除泵出口壓力、流量、振動外，還包括軸承溫度。在IWP分冊中對試驗持續時間的要求如下所示[4]。

要求測量軸承溫度時，應使每臺泵運轉直至軸承溫度達到穩定，然后對規定的變量進行測量、觀察和記錄。當每隔10分鐘一次，相繼三次測量的溫度讀數變化不大于3%時，認為軸承溫度穩定。

根據上述要求，泵啟動后持續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，將溫度穩定判據設定為 10 min溫度變化不大于 1 ℃。

1979年，ASME第XI卷的泵和閥分組轉到ASME核電廠運行和維修委員會(O&M委員會)，經過長期的研究和ASME-OM標準的多次升版，關于離心泵的試驗要求發生了較大變化。

2 存在的主要問題及改進方案

CPR1000機組安全相關泵組小流量定期試驗過程中存在的主要問題分析及改進方案如下。

2.1 存在的問題

在CPR1000機組安全相關泵組小流量定期試驗實施過程中，泵啟動后運行0.5 h或1 h后，檢查發現泵電機電流、出口壓力、再循環流量等主要參數可達到穩定并滿足驗收準則；但此時軸承溫度仍無法滿足 10 min溫度變化不大于 1 ℃，導致泵較長時間運行，定期試驗實施時間較長。

作為T3試驗一部分的安全相關泵組小流量定期試驗，其試驗頻度較高，為每兩個月一次；并且小流量較長時間運行，可能帶來再循環管線振動高、結構完整性破壞而導致泵不可用等問題。

2.2 問題分析

美國壓水堆機組的安全相關泵組也存在類似問題，NRC及ASME O&M委員會研究后認為，對于正常運行、冷停堆及換料時連續或定期運行的泵，或者備用系統中除試驗外日常不允許的泵，其小流量定期試驗提供的泵的狀態信息有限，并且可能對泵帶來損害。若機組對泵軸承溫度進行連續監測，則可以用來判斷軸承性能。但是，定期試驗期間監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 標準中，安全相關泵組小流量試驗的監督內容已不再包括軸承溫度，其試驗持續時間的要求修改為在系統允許條件下泵運行盡可能穩定后，記錄泵的相關參數。

目前CPR1000機組安全相關泵組小流量定期試驗的主要問題是軸承溫度是試驗監視參數之一，同時軸承溫度穩定判據過于嚴格，導致試驗持續時間過長。

而參照上述ASME OM 2004標準要求[9]，軸承溫度將不再作為試驗監視參數，試驗持續時間則綜合考慮系統運行條件及啟泵后運行情況進行選擇。

2.3 小流量定期試驗改進方案

通過上述分析，安全相關泵組小流量定期試驗改進方案如圖3所示，即在定期試驗中不再監督并記錄軸承溫度，同時結合泵組設計、出場測試及機組定期試驗結果，選擇泵啟動后達到穩定運行的時間為T0。

圖3 ASG電動泵小流量定期試驗改進方案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改進

下面以某CPR1000機組的ASG電動泵組為例，采用基于ASME標準的改進方案，對其小流量定期試驗進行改進。改進的核心是試驗持續時間T0的確定。下面將綜合泵組設計、出場測試及實際定期試驗結果來選擇試驗持續時間。

3.1 最小連續穩定流量

泵在小流量下運行時，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，對結構強度不利[10]。離心泵存在一個最小連續穩定流量(Qlmin)，是由水泵廠家設計并通過試驗確定的、泵能夠正常工作的最小流量。該CPR1000機組的ASG電動泵的Qlmin= 25 m3/h，而小流量定期試驗下的再循環流量為33～36 m3/h，定期試驗流量高于最小連續穩定流量最小連續穩定流量，電動泵可以正常工作。

3.2 出廠試驗結果

該CPR1000機組ASG電動泵組的出廠試驗中，在不同流量點上共進行了150 h的耐久性試驗，期間進行了50 次不同時間間隔的啟停試驗及50 次大小流量循環，即流量從最小(25 m3/h)調至最大(155 m3/h)再回到最小(25 m3/h)的試驗。耐久性試驗中最小流量的累積運行時間為50 h。

耐久性試驗中，泵軸承溫度和泵出口流量隨時間的變化規律如圖4所示。在最小連續穩定流量下，驅動端軸承溫度較低，泵啟動后很快就達到穩定；而泵軸承非驅動端軸承溫度較高，其達到穩定狀態時間較晚，超過1 h才能達到穩定。這是因為泵啟動初始階段，軸向推力指向泵非驅動端，導致非驅動端推力軸承油流間隙小，流動劇烈而發熱量高，所以其達到穩定狀態時間較長。

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

耐久性試驗中，泵軸承振動速度和泵出口流量隨時間的變化規律如圖5所示。在最小連續穩定流量下，泵軸承驅動端水平振動速度、豎直振動速度，非驅動端水平振動速度、豎直振動速度，均大約1個小時達到穩定；整個試驗過程中，所有振動測量結果均小于驗收準則4.5 mm/s。

圖5 耐久性試驗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致連接部位的焊縫出現裂紋而導致滲漏事件的發生，對電廠的正常運行和安全相關設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；管內流體的湍流激勵；節流孔板的過分節流出現汽蝕現象；流量孔板出現汽蝕現象；管道的走向不合理等。經過調試反饋、運行反饋和設計改進，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等措施，目前的CPR1000機組安全相關泵組的小流量管線，在定期試驗期間振動情況滿足相關標準，不會對小流量管線及其連接管線的結構完整性帶來影響。

3.4 機組定期試驗結果

以該CPR1000機組2020年ASG電動泵小流量定期試驗為例，啟泵后，在主控DCS畫面監視的泵出口壓力、出口流量、軸承溫度、泵電機電流等主要參數的變化趨勢如圖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，達到驗收準則，而泵軸承驅動端溫度在泵啟動1個多小時后，其溫度變化仍高于1 ℃/10 min，圖中游標值是停泵前十分鐘數據對比，其中3ASG010 MT和013 MT不達標準，偏差分別為1.06 ℃/10 min和1.17 ℃/10 min，泵啟動后已經運行1小時13分鐘。另外，機組多次定期試驗過程中，泵組振動均正常。

圖6 定期試驗結果Fig.6 Results of Minimum Flow Periodic Tests in one certain CPR1000 unit

3.5 試驗持續時間的確定

綜合上述分析，小流量運行下，非驅動端軸承溫度穩定時間長于1 h，根據ASME OM標準，將軸測溫度穩定做為穩定判據對定期試驗來說意義不大，故將軸承溫度監測及記錄從定期試驗中移除；而泵啟動1小時后，泵振動穩定并滿足振動驗收準則，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左右就達到穩定。

綜合上述因素后，取系統允許條件下泵運行穩定時間為1小時，即該定期試驗持續時間T0=1 h。

4 結論

針對安全相關泵組泵啟動后穩定標準過于嚴格，軸承溫度穩定時間過長導致泵在小流量下較長時間運行的問題，分析其根本原因在于選擇泵軸承溫度變化速率作為穩定判據，導致試驗持續時間過長。根據ASME OM 2004標準和相關研究，在定期試驗中不再監視記錄泵軸承溫度；同時綜合泵最小連續流量設計、出廠試驗結果，管線振動情況和機組定期試驗情況，在系統允許的條件下，選擇定期試驗持續時間，可實現小流量定期試驗持續時間的改進。