浅述核安全机械设备安全分级

摘要:介绍了核电厂设备安全分级的目的以及安全分级的定义。比较了几种安全分级标准的差异,确定了安全分级的对象。根据安全分级的法规依据,阐述了安全功能的定义和种类,探讨了安全分级的方法、具体步骤和安全等级的分界,以及对确定为安全级机械设备的要求,最后提出了机械设备安全分级与电气设备安全分级的关系,以及机械设备安全分级与系统安全分级的关系。

在核安全日常审评工作中,许多环节都与核电厂设备安全分级息息相关,例如:初步安全分析报告审评、最终安全分析报告审评和在役检查大纲审评等。核电厂设备安全分级的清晰、明确与否,对上述工作的顺利进行具有十分重要的意义。

1、安全分级的目的和定义

确定设备的安全等级,对核电厂的安全性和经济性有着重要影响。降低等级会影响核电厂的安全性,不适当地提高等级会增加核电厂的造价。在一座压水堆核电厂的设备中,安全级设备的台件数约占设备总台件数的40%,而将一件设备由非安全级改为安全级,造价上可能提高数倍,由此可看出恰当分级的重要意义。

所谓安全分级就是按照核电厂的设备和部件是否执行安全功能,及根据此种功能的重要性而划分的等级。在安全分级中,将核电厂设备分为核安全机械设备和核安全电气设备。本文主要介绍核安全机械设备的安全分级。

2、安全分级的标准

到目前为止,国际上并没有统一通用的安全分级标准,而实际上也不可能做到完全统一。因为首先不同系列的核电厂,对安全分级的要求不同;其次,不同国家对核电厂安全的要求也不尽相同。现将国际原子能机构、美国、法国以及我国对于压水堆核电厂有关机械设备安全分级的标准进行比较,如表1所示。

表 1 核电厂机械设备安全分级标准比较

3、核安全机械设备的分级流程

3、1分级对象的确立

在给核电厂机械设备分级时,必须使其具体化。一件设备可能是由不同安全等级的若干部分所组成。在实施分级时,必须确定出能够赋予单一等级的最小单元,以该最小单元作为分级的具体对象,最小单元可能是:
(1)一个组件,如燃料组件;
(2)一件设备,如柴油发电机、连接稳压器与反应堆冷却剂环路的波动管、换料水箱;
(3)一件设备的某一部分,如反应堆冷却剂泵的泵壳;
(4)一件设备的某一个或某一类零件,如反应堆冷却剂泵的飞轮、反应堆冷却剂泵的支撑件。

3、2安全分级的依据

《核电厂设计安全规定》(HAF102)为核电厂的设计提供了三项总的要求,这三项要求所确保的三项基本安全功能(反应性控制、余热排出和放射性物质包容)是安全分级的基本依据。

3、3安全功能的定义和种类

安全功能是指核电厂设计要求在任何情况下确保反应堆安全停堆,从堆芯排出热量,并限制预计运行事件和事故工况后果。为达到这些设计要求所必须的功能称为安全功能。412节中所述的基本安全功能可分列出多条安全功能,每条安全功能对核电厂安全的重要性是不同的,我们可以按其对核电厂安全的重要性程度,采用414节中所述的方法来划分若干组,每组为一级。

3、4安全分级的方法

设计中可用两种方法来确定与安全有关的机械设备分级要求:确定论法和概率论法。确定论法常对那些安全上重要的、其损坏能导致重大的放射性释放事故的系统、部件和构筑物提出各种要求。这些要求强行规定,不需细致地考虑损坏的几率或对减轻事故后果的影响。确定论法是迄今为止被广泛应用的一种成熟的评价方法,也是深得各国核安全当局批准的传统的安全评价方法。这种方法简便快速,但是往往以多年实际应用的经验和一些保守的假设为基础,而许多假设又不太符合实际,因而得出的结果往往过于保守。概率论法根据要求某一安全功能起作用的概率以及该安全功能失效的后果来评价安全重要性,在确定机械设备安全重要性的相对排序方面特别有用。

压水堆核电厂的机械设备分级较为规范,用确定论方法即可确定;而对于新堆和研究堆,其分级有很大的不确定性,则可采用概率论法最终确定。

3、5安全分级的步骤

核电厂机械设备安全分级的主要步骤如下:
(1)把基本安全功能分解为多条安全功能条目;
(2)将这些条目按重要性排序,并组合成若干个等级;
(3)将安全重要的机械设备列在分级清单中;
(4)根据机械设备完成的安全功能,对机械设备进行初步分级;
(5)确定对机械设备的详细要求;
(6)核实每个子系统和机械设备的功能;
(7)将每个系统和机械设备明确分级,根据需要从第(4)项开始重复若干次;
(8)列出最后的机械设备分级表。

3、6安全等级的分界

两个不同安全级别的系统或设备的分界是一道屏障,这些分界件的功能应达到使较低安全等级的设备或部件的损坏不会导致:
(1)阻碍较高安全等级的机械设备或部件执行其安全功能;
(2)放射性流体的流失。分界面部件的等级应采用两者中较高的等级。
常采用的分界面部件有:
(1)非能动屏障(如热交换器管子);
(2)非能动限流装置(如下泄孔板);
(3)安全阀;
(4)常开遥控阀(在2级或3级与更低级之间);
(5)两个串联常开遥控阀(在1级和2级之间);
(6)常闭阀(在2级或3级与更低级之间);
(7)两个串联常闭阀(在1级与较低等级之间)。

4、安全级机械设备的要求

对于确定为安全级的机械设备,主要有以下几方面的要求:
(1)规范等级。应遵循核级设备的设计和制造规范,如ASME、RCC2M等规范;
(2)抗震等级。所有安全级机械设备,如安全1、2、3级均应列为抗震I类。抗震I类设备应按SL22(或SSE)地震设计;抗震Ⅱ类适用于抗震I类以外某些非安全级但属于安全重要的物项,抗震Ⅱ类设备按SL21(或OBE)地震设计;抗震I、Ⅱ类以外的设备属于其他抗震类,可按合适的常规设备抗震规范进行设计。

(3)质量保证等级。质量保证分级是根据设备的安全等级,并考虑其复杂性和成熟性,对设备的设计、制造和安装等不同阶段提出的质量保证和质量控制的要求。质量保证分为3个等级,即QA1、QA2、QA3级,以及没有要求的QNC级,其质量保证要求依次降低。不同的核电厂,安全级机械设备的质量保证分级存在一定的差异,这主要取决于核电厂以及用户要求等因素。

(4)定期试验。用以证明安全级机械设备能完成要求的所有安全功能,包括证实所有子系统的功能。一旦探查出故障或缺陷,就必须按管理程序进行校正,并应保管好校正记录。试验的间隔时间必须与估算的故障率相适应,一般是每月一次到每年一次,这与设计的复杂性、动态运行情况和自检能力有关。

(5)设备鉴定。设备鉴定是指在做出安全分级之后,证实设备是否能在整个寿期及任何工况(主要是事故工况)下能可靠地执行其安全功能。设备鉴定主要包括:抗震鉴定与环境鉴定,一般采用分析方法和试验方法或这两者的结合。其过程是:
a、确定作鉴定的典型设备;
b、制定出鉴定的方法、程序和鉴定验收标准;
c、对设备进行分析或鉴定试验;
d、审查设备的鉴定评价报告,以判定这些安全重要的设备是否能够承受核电厂寿期内最苛刻的环境条件和地震条件。

5、机械分级与其他分级的关系

5、1机械分级与电气分级的关系

机械分级与电气分级是两个不同的概念,两者间没有必然的联系,其各自要求也不尽相同。对于需要供电的设备,可以同时存在机械分级和电气分级,但安全级别未必相同,相互间没有太大的关系。对于不需供电的设备,就只有机械分级,而不存在电气分级。

5、2机械分级与系统分级的关系

(1)组成该系统的机械设备的安全级别与系统的安全级别相一致;
(2)安全级别不同的两个系统之间的接口机械部件按较高的级别确定。

6、结论

机械设备可按安全、抗震、质量保证和设计制造规范进行分级,而后3者的级别主要由安全级别确定。为了保证核电厂的安全性,又使核电厂在经济利益的激烈竞争中得以生存,就需要掌握好机械设备安全分级知识,以达到核电安全和企业效益的双赢。