VVER機(jī)組國(guó)產(chǎn)化氫氣復(fù)合器可靠性分析初探

馬援東++王宏慶

摘 要：目前針對(duì)氫氣復(fù)合器在核島事故工況下的性能分析，國(guó)內(nèi)外均有較細(xì)致深入的研究，但是對(duì)于氫氣復(fù)合器本身的可靠性分析，并未引起各方的關(guān)注。而氫氣復(fù)合器自身的可靠性，則對(duì)核島事故情況下的安全有同樣重要的影響，因此根據(jù)俄方技術(shù)規(guī)格書(shū)中對(duì)VVER核電機(jī)組氫氣復(fù)合器的技術(shù)要求，我們按照國(guó)內(nèi)的可靠性定性和定量的分析方法，對(duì)國(guó)產(chǎn)化的氫氣復(fù)合器的可維修性、可靠運(yùn)行時(shí)間、瞬時(shí)可用度、穩(wěn)態(tài)有效度等指標(biāo)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求。

關(guān)鍵詞：氫氣復(fù)合器 VVER機(jī)組 可靠性 分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TE969 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（c）-0006-02

核電廠非能動(dòng)氫復(fù)合器在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)堆芯熔化事故中，將安全殼內(nèi)產(chǎn)生大量的氫氣在非能動(dòng)條件下和氧氣催化反應(yīng)生成水蒸汽，從而達(dá)到限制和降低安全殼中氫氣的濃度以防止達(dá)到氫氣燃燒限制（設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故）和導(dǎo)致安全殼完整性破壞的臨界氫氣濃度（超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故）目的。目前對(duì)于氫氣復(fù)合器在核島事故工況下如何提高氫氣復(fù)合器的消氫性能，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了細(xì)致深入的研究，但是對(duì)于氫氣復(fù)合器本身的可靠性分析，并未引起各方的關(guān)注。而氫氣復(fù)合器自身的可靠性，則同樣對(duì)核島事故情況下的安全有重要的影響，因此本文根據(jù)VVER機(jī)組俄方技術(shù)規(guī)格書(shū)中對(duì)氫氣復(fù)合器的技術(shù)要求，按照國(guó)內(nèi)的可靠性的定性和定量分析方法，對(duì)于氫氣復(fù)合器的可維修性、可靠性進(jìn)行了初步分析，分析情況如下。

1 核島設(shè)計(jì)方技術(shù)規(guī)格書(shū)中關(guān)于可靠性的要求

根據(jù)俄羅斯圣彼得堡設(shè)計(jì)院在田灣核電站3、4號(hào)機(jī)組氫氣復(fù)合器技術(shù)規(guī)格書(shū)中提出的要求，需要對(duì)氫氣復(fù)合器本身的可維修性、可靠性、壽命等進(jìn)行分析，以滿(mǎn)足以下指標(biāo)要求[1]。

（1）非能動(dòng)氫復(fù)

合器應(yīng)能在原位置處進(jìn)行維修，同一型號(hào)的設(shè)備的相同功能部件具有互換性，修復(fù)以后仍能保證可用，可維修性至少能保證8～10年。

（2）在40年壽期中可靠運(yùn)行時(shí)間不少于7200 h。

（3）瞬時(shí)可用度（Instantaneous Availability Factor）不小于0.999。

（4）穩(wěn)態(tài)有效度（Steady Availability）至少為0.95。

2 氫氣復(fù)合器的材料耐久性和可維修性分析

針對(duì)俄方技術(shù)規(guī)格書(shū)中關(guān)于非能動(dòng)氫復(fù)合器可維修性要求，通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)化氫氣復(fù)合器的材料和結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行定性分析，最終得出滿(mǎn)足可維修性要求的結(jié)論。

田灣核電站國(guó)產(chǎn)化氫氣復(fù)合器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2.1 殼體材料分析

氫氣復(fù)合器殼體材料為2mm厚0Cr18Ni9不銹鋼板，若暴露在沿海環(huán)境中，則在中國(guó)沿海地區(qū)腐蝕速率最高為0.148 mg/（m2·h）[2]，即40年腐蝕量為：0.148×24×365×40=51859.2 mg/m2

減薄量為：51859.2÷（7.93×109）=6.54×10-6m=6.54×10- 3mm

從殼體抗沖擊、抗震等力學(xué)情況看，上述減薄量完全在計(jì)算的安全范圍內(nèi)，因此非能動(dòng)氫復(fù)合器機(jī)殼暴露在沿海環(huán)境下的壽命不少于40年。而氫氣復(fù)合器實(shí)際上是安裝在核島環(huán)境中的，其腐蝕環(huán)境較正常沿海空氣環(huán)境要好，通過(guò)已有長(zhǎng)期運(yùn)行業(yè)績(jī)的國(guó)外氫氣復(fù)合器來(lái)看，德標(biāo)1.4301材料基本等同于國(guó)標(biāo)材料0Cr18Ni9，可以推斷國(guó)產(chǎn)化氫氣復(fù)合器材料在核島環(huán)境下10年不會(huì)出現(xiàn)明顯銹蝕，因此殼體材料選型和厚度均可以滿(mǎn)足40年核島環(huán)境存放和運(yùn)行的要求。

2.2 支架材料分析

氫復(fù)合器安裝支架材料采用碳鋼Q235A，表面按照核島內(nèi)設(shè)備要求涂漆， 40年壽命期內(nèi)需要定期進(jìn)行防腐檢查和維護(hù)，以保證整個(gè)壽命期的可用性。已有長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的AREVA的氫氣復(fù)合器支架也采用類(lèi)似的槽鋼結(jié)構(gòu)和碳鋼材料，兩者具備可比性，同時(shí)經(jīng)過(guò)力學(xué)計(jì)算，材料的安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際使用要求，余度較大。（表2）

2.3 催化板材料分析

催化板由基材、催化劑載體以及貴金屬催化劑組成，需通過(guò)定期檢查和再生來(lái)保證其性能。催化板在消氫工作時(shí)，氫氣和氧氣在催化板表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，催化劑起催化作用，自身不發(fā)生消耗，因此在壽命期不會(huì)因催化劑消耗完而喪失其性能。在催化板結(jié)構(gòu)完整的條件下，通過(guò)檢查和再生是可以保證其使用壽命大于10年的。雖然催化劑化學(xué)壽命可通過(guò)再生來(lái)保證，但是催化劑脫落是不可維修的。當(dāng)脫落面積超過(guò)某個(gè)限值后，其消氫速率會(huì)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，造成催化板不可修復(fù)，必須進(jìn)行更換以保證其功能。

2.4 可維修性分析

對(duì)于氫氣復(fù)合器的殼體和支架，通過(guò)上述材料分析，不更換的情況下，可滿(mǎn)足40年免更換的要求。而對(duì)于催化板，則需要通過(guò)定期檢修來(lái)進(jìn)行保證。即在非能動(dòng)氫復(fù)合器運(yùn)行時(shí)，在每個(gè)大修周期抽檢8臺(tái)氫復(fù)合器，每臺(tái)氫復(fù)合器抽檢9張催化板，以保證安裝在核島內(nèi)不同位置的44臺(tái)氫復(fù)合器中的催化板在一定壽命周期內(nèi)均可以得到檢查（5.5年核島內(nèi)44臺(tái)氫氣復(fù)合器均可被檢查一遍），以確保所有的氫氣復(fù)合器均可以處于有效狀態(tài)，同時(shí)氫氣復(fù)合器的安裝位置也能夠保證氫氣復(fù)合器的板片可以被拿下來(lái)檢驗(yàn)，目前核島氫氣復(fù)合器的布置設(shè)計(jì)也較好的保證了該要求。若檢查到氫氣復(fù)合器板片涂層發(fā)生剝落且超過(guò)設(shè)計(jì)允許的范圍，則需要擴(kuò)大檢查范圍，并對(duì)相應(yīng)的催化板進(jìn)行更換，通過(guò)這一手段和方式保持氫氣復(fù)合器運(yùn)行的有效性，從而確保氫氣復(fù)合器8～10年可維修性和40年壽命的要求。

3 氫氣復(fù)合器的可靠性分析

3.1 可靠運(yùn)行時(shí)間至少達(dá)到7200 h

安全殼發(fā)生嚴(yán)重事故至事故后，要求長(zhǎng)達(dá)300天[1]，即7200 h內(nèi)非能動(dòng)氫復(fù)合器應(yīng)能可靠運(yùn)行，具備消氫的功能。

PARQX系列非能動(dòng)氫復(fù)合器（帶催化板）進(jìn)行按照氫氣復(fù)合器安裝于核島不同位置四種支撐型式進(jìn)行了力學(xué)分析與評(píng)價(jià)，力學(xué)分析和評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在整個(gè)壽命期40年內(nèi)，氫復(fù)合器殼體及安裝結(jié)構(gòu)均能滿(mǎn)足使用要求。在充分力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上，為保證非能動(dòng)氫復(fù)合器在地震條件下的可靠性，對(duì)PARQXF非能動(dòng)氫復(fù)合器進(jìn)行了整機(jī)抗震試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，非能動(dòng)氫復(fù)合器結(jié)構(gòu)完整，安裝支架牢固，無(wú)松脫件脫落，催化板在安裝槽內(nèi)穩(wěn)固，催化劑無(wú)脫落，滿(mǎn)足抗震1I級(jí)要求。上述力學(xué)計(jì)算以及抗震試驗(yàn)表明，殼體和安裝支架地震事故前和事故后均能夠在7200內(nèi)保證結(jié)構(gòu)的完整性。

催化板有效運(yùn)行指標(biāo)為催化板在至少7200 h的工作期間應(yīng)保持完整，催化劑不出現(xiàn)脫落和失效。催化板基材采用耐熱不銹鋼，使用壽命大于7200 h；催化劑載體為Al2O3，化學(xué)性能穩(wěn)定，使用壽命大于7200 h（三氧化二鋁作為穩(wěn)定催化板載體在汽車(chē)三元催化器壽命分析中得到了有效驗(yàn)證）；催化劑為貴金屬鉑和鈀，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，作為催化劑在化工行業(yè)廣泛使用，其正常連續(xù)工作使用壽命時(shí)間大于3年[3]；為了驗(yàn)證氫氣復(fù)合器和催化板的穩(wěn)定消氫性能，還組織進(jìn)行了氫氣復(fù)合器穩(wěn)定消氫氣試驗(yàn)（連續(xù)12 h）和催化板長(zhǎng)周期穩(wěn)定消氫氣試驗(yàn)（連續(xù)72 h和11天），通過(guò)這些試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了催化板和氫氣復(fù)合器在工況條件下穩(wěn)定消氫的性能，通過(guò)上述分析和試驗(yàn)，表明非能動(dòng)氫復(fù)合器在設(shè)計(jì)氫氣產(chǎn)生的工況下能夠保證可靠運(yùn)行7200 h。

3.2 瞬時(shí)可用度（Instantaneous Availability Factor）不小于0.999。

瞬時(shí)可用度是指在某一特定的瞬時(shí)，可維修的產(chǎn)品保持正常使用狀態(tài)或功能的概率。對(duì)于非能動(dòng)氫復(fù)合器是指在安全殼工作期內(nèi)，一旦發(fā)生安全事故時(shí)，設(shè)備能夠正常工作的概率。

非能動(dòng)氫復(fù)合器由金屬殼體、安裝支架和催化板三個(gè)功能單元組成。金屬殼體與安裝支架組成結(jié)構(gòu)單元，催化板為功能單元，可靠性分析模型為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其失效率均服從指數(shù)分布。按照金屬殼體和安裝支架的壽命40年，催化板的壽命3年，設(shè)定計(jì)算分析如下：

金屬殼體壽命期內(nèi)失效率：

λ1 ===

=2.85×10-6（1/h）

安裝支架壽命期內(nèi)失效率：

λ2====2.85×10-6（1/h）

催化板使用壽命為3年時(shí)失效率：

λ3 ====3.8×10-5（1/h）

非能動(dòng)氫復(fù)合器瞬時(shí)可用度：

R（ABC）=R（A）·R（B）·R（C）=（1-λ1）·（1-λ2）·（1-λ3）=0.999956

由于催化板要求的無(wú)故障工作時(shí)間僅為7200 h，遠(yuǎn)小于催化板使用壽命3年；同時(shí)，催化板是可維修產(chǎn)品，存在預(yù)防性維修周期為18個(gè)月（大修周期）的情況，其實(shí)際可靠度高于R（C），因此，非能動(dòng)氫復(fù)合器瞬時(shí)可用度遠(yuǎn)大于0.999956，滿(mǎn)足VVER機(jī)組氫氣復(fù)合器技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

3.3 穩(wěn)態(tài)有效度（Steady Availability）至少為0.95

穩(wěn)態(tài)可用度又叫可工作時(shí)間比，是瞬態(tài)可用度的極限，即t趨于無(wú)窮時(shí)，瞬時(shí)可用度的極限。金屬殼體與安裝支架經(jīng)過(guò)力學(xué)分析與壽命分析，其壽命遠(yuǎn)超過(guò)40年，穩(wěn)態(tài)可用度為1。催化板為功能部件，其穩(wěn)態(tài)可用度指穩(wěn)態(tài)功能性能可用度，根據(jù)同類(lèi)氫氣復(fù)合器統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，在7200 h的工作時(shí)間內(nèi)，消氫性能有偏離的工作時(shí)間約為72 h（國(guó)外同類(lèi)氫氣復(fù)合器的公開(kāi)數(shù)據(jù)）。

催化板穩(wěn)態(tài)可用度

=

==0.99

PARQX非能動(dòng)氫復(fù)合器催化板與國(guó)外同類(lèi)板片對(duì)比性能試驗(yàn)證明，國(guó)內(nèi)板片不低于國(guó)外板片性能，因此基本上述分析，其穩(wěn)態(tài)有效度大于0.95，滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析論證，PARQX非能動(dòng)氫復(fù)合器可靠性、可維護(hù)性、壽命滿(mǎn)足VVER機(jī)組對(duì)非能動(dòng)氫復(fù)合器各項(xiàng)可靠性指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] TIANWAN NPS Units 3&4 Technical specification for containment hydrogen removal system（LYG-Y-PD86-25-21240097-TS-0001-E 版本：A.

[2] 曹楚南.中國(guó)林料的自然環(huán)境腐蝕[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 朱洪法，劉麗蕓.石油化工催化劑基礎(chǔ)知識(shí)[M].中國(guó)石化出版社，2010.