核電廠安全殼內(nèi)儀表與控制電纜的老化管理

1、 核電廠安全殼內(nèi)儀表與控制電纜的老化管理 摘要：在調(diào)研國際上核電廠安全殼內(nèi)儀控電纜老化管理文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，介紹了儀控電纜的組成及老化機(jī)理，敘述了儀控電纜的環(huán)境鑒定、狀態(tài)監(jiān)測、壽命評估等方面的內(nèi)容，希望對國內(nèi)開展此項(xiàng)工作有所幫助。 儀控；電纜；老化；安全殼；核電廠 abstract: based on surveying the documents of the management of ageing of in-containment instrumentation and control cables used in npps, this paper briefly introduces

2、 the i&c cable construction and degradation mechanism, and describes such aspects as the environmental qualification, condition monitoring methods, life prediction etc. of i&c cable, which, as authors hope, will be helpful for launching the research in this field in china. key words: instrumentation

3、 and control; cable; ageing; containment; npp 隨著核電廠數(shù)量的增加及運(yùn)行時(shí)間的延長，核電廠設(shè)備的老化效應(yīng)越來越引起人們的關(guān)注，如何對核電廠的老化實(shí)施有效管理、確保在役核電廠的安全性和可靠性，引起了國際原子能機(jī)構(gòu)（iaea）和世界核電大國的嚴(yán)重關(guān)注，并已開展了廣泛的工作。作為核電廠安全重要部件之一，安全殼內(nèi)儀表與控制電纜的老化評估與管理也得到了深入的研究，取得了較多的研究成果。iaea和國際主要核能機(jī)構(gòu)已發(fā)表了不少專題報(bào)告1-4。 我國的秦山、大亞灣核電廠投入運(yùn)行已有10多年的歷史，雖然運(yùn)行時(shí)間不是很長，但已面臨安全殼內(nèi)儀控電纜的老化問題，隨著服役時(shí)

4、間的增加，這一問題會更加突出。目前，國內(nèi)還沒有對安全殼內(nèi)儀控電纜老化評估及壽命管理的系統(tǒng)研究，筆者在相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，介紹核電廠安全殼內(nèi)儀控電纜老化管理的內(nèi)容，以期對開展這項(xiàng)工作有所幫助。 1 儀控電纜及其使用環(huán)境 核電廠包含了成千上萬公里不同型號及規(guī)格的電纜，這些電纜構(gòu)成了中壓動力回路、低壓動力回路、控制回路、儀表回路、接地回路等，表1為雙機(jī)組核電廠各種回路的分布情況 1.1 儀控電纜的用途及組成 儀表電纜是一種低壓、低容量的電纜，連接各種各樣的變送器、傳感器，傳輸數(shù)字或模擬信號；控制電纜也是低壓、低容量的，應(yīng)用于控制開關(guān)、泵、閥門等的操作機(jī)構(gòu)、繼電器和接觸器的控制回路。 構(gòu)成儀控電纜的

5、主要部分有：導(dǎo)體、絕緣材料、屏蔽、護(hù)套、多芯導(dǎo)體間的填充物、外部包扎帶。所謂電纜的老化，指的是電纜結(jié)構(gòu)中有機(jī)材料的老化。雖然填充物和外部包扎帶也是有機(jī)物，但對電纜老化的影響并不大，因此，研究的重點(diǎn)是針對絕緣材料和護(hù)套。 電纜所使用的絕緣體和護(hù)套的組成是由一些添加劑和填料合成的聚合材料，在核電廠中，儀控回路使用乙烯基、丙烯基合成的橡膠，玻璃纖維，以及以氯磺化聚乙烯、聚乙亞胺等為絕緣材料的電纜。 1.2 儀控電纜的工作環(huán)境 安全殼內(nèi)部儀控電纜放置在不同的使用環(huán)境下，最重要的影響因素是自然環(huán)境，主要是有氧氣存在時(shí)溫度、濕度、核輻照的影響，溫度、濕度、核輻照的值應(yīng)從設(shè)計(jì)文件中取得。 在正常運(yùn)行情況下，

6、安全殼內(nèi)不會受到濕度的影響。輻照的影響可從相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)中獲得，在40年時(shí)間內(nèi)，正常運(yùn)行情況下，安全殼內(nèi)輻照的最大累計(jì)值為3107rad。安全殼內(nèi)的儀控電纜一般不會受到震動的影響，除非有特殊要求，否則，不考慮由于震動引起的老化問題5。 2 電纜的老化機(jī)理 在現(xiàn)場環(huán)境下，電纜的絕緣和護(hù)套等聚合物材料隨著時(shí)間的推移會發(fā)生各種緩慢的、不可逆的化學(xué)變化和物理變化，這些變化就是電纜的老化過程。從宏觀上來看，表現(xiàn)為材料的延伸率降低，即材料的抗拉強(qiáng)度減弱；護(hù)套材料的硬度或抗壓模量增大；材料的密度增加；電氣性能改變(如介質(zhì)損耗增加)。 電纜的老化機(jī)理可分為影響分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)老化機(jī)理和影響材料混合物成分的物理老化

7、機(jī)理。 2.1 化學(xué)老化機(jī)理 （1）高分子鏈斷裂：一個(gè)高分子鏈斷裂為2個(gè)或多個(gè)新鏈，一般為烷氧基或過氧化根斷鏈，導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)的改變。 （2）交聯(lián)反應(yīng)：在2個(gè)相鄰高分子間共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)發(fā)生交聯(lián)，使原先物質(zhì)的有效成分減少。   （3）氧化反應(yīng)：這是一種自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在氧化反應(yīng)開始階段，在溫度和輻照的影響下，由于共價(jià)鍵的斷裂而產(chǎn)生反應(yīng)性物質(zhì)，即自由基，氧化反應(yīng)既導(dǎo)致斷鏈，又生成交聯(lián)，這取決于氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中各階段的分子運(yùn)動情況，它隨著聚合物中添加劑的不同而不同。 （4）氧擴(kuò)散控制過程：聚合材料中自由基的初速率大于溶解氧擴(kuò)散的速率時(shí)，老化快慢由氧擴(kuò)散來控制。 （5）協(xié)同效應(yīng)：當(dāng)各個(gè)環(huán)境因

8、素的綜合影響大于其各個(gè)單一影響之和時(shí)，會產(chǎn)生這種效應(yīng)，如對聚合物而言，既受熱，又受到輻照。 2.2 物理老化機(jī)理 （1）增塑劑蒸發(fā)：材料表面的增塑劑向周圍的空氣中揮發(fā)，其留下的空隙又被由材料的核心向表面擴(kuò)散的增塑劑所填塞，這2種揮發(fā)和填塞的分子運(yùn)動并存，強(qiáng)弱由溫度所決定。 （2）增塑劑遷移：在使用增塑材料的多層電纜中，增塑劑在不同材料層間遷移，直到各層材料中的增塑劑達(dá)到均衡狀態(tài)。 3 環(huán)境鑒定 為了保證電纜的設(shè)計(jì)裕度，必須采用環(huán)境鑒定的方法，通過加速老化試驗(yàn)，模擬電纜在運(yùn)行壽期末經(jīng)受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件，驗(yàn)證電纜可以保證其功能，從而證明電纜在服役期的可靠性能。許多國家環(huán)境鑒定依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是ieee-32

9、36、ieee-3837，前者是針對核電廠所有1e級設(shè)備的一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，后者敘述了針對1e級電纜的試驗(yàn)方案。 3.1 加速老化試驗(yàn) 在正常運(yùn)行時(shí)，濕度、化學(xué)物質(zhì)等對電纜的老化影響很小，加速老化試驗(yàn)是模擬電纜在實(shí)際運(yùn)行中受到的熱、輻照等環(huán)境因素，表3為主要核電大國進(jìn)行熱老化和輻照老化的試驗(yàn)條件8。 不管是熱老化還是輻照老化，試驗(yàn)容器都是通風(fēng)的，這樣可以模擬安全殼內(nèi)氧氣的存在。 （1）進(jìn)行聚合物的熱老化，普遍應(yīng)用arrhenius方程： ts/ta=expea/b(1/ts-1/ta) 其中：ts為在役溫度，ta為加速老化溫度，ts為對應(yīng)于在役溫度ts的老化時(shí)間，ta為對應(yīng)于加速老化溫度ta的老

10、化時(shí)間，ea為活化能，b為波爾茨曼常數(shù)。 arrhenius方程既可用于在給定的測試時(shí)間下求取加速老化溫度，也可用于在給定的加速老化溫度下求取測試時(shí)間。但該方程受制于以下3個(gè)條件：老化僅由單一化學(xué)反應(yīng)所引起；就是對同一種材料，在不同的溫度范圍內(nèi)，其活化能是不同的；通過在不同溫度和時(shí)間范圍內(nèi)對材料的樣本進(jìn)行試驗(yàn)，得到諸如老化時(shí)間及溫度條件的試驗(yàn)參數(shù)。這樣，某一材料在一定范圍內(nèi)的時(shí)間與溫度的對應(yīng)關(guān)系外推至另一范圍時(shí)，有可能不一定成立。 確定活化能的精確值是加速老化試驗(yàn)的關(guān)鍵，除了通常采用的伸長測量法之外，還有微觀量熱法、氣體分析法、化學(xué)發(fā)光法等。 （2）對大多數(shù)有機(jī)材料而言，輻照的影響僅與材料受到

11、的輻照總量有關(guān)，而與輻照率及種類無關(guān)，這就是等量劑量/等量損傷的模式。輻照老化采用伽瑪源，如鈷60，在輻照率不大于1mrad/hr的情況下，針對正常運(yùn)行條件，加速老化劑量可達(dá)50mrad。如果不止一種放射源，則可依此進(jìn)行試驗(yàn)。 （3）對大部分材料來說，對其進(jìn)行熱老化及輻照老化的試驗(yàn)并沒有嚴(yán)格的先后次序，一般來說，先進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，再進(jìn)行輻照老化試驗(yàn)，然后是主管道破裂（mslb）及失水事故（loca）條件下的試驗(yàn)。 在某些情況下，如有氧環(huán)境，對于某些材料如pvc制成的護(hù)套，加速老化時(shí)要考慮輻照率和老化次序的協(xié)同效應(yīng)的影響。氧氣對老化的作用很顯著，在試驗(yàn)容器中，要保證氧氣的供給。上一頁 1 2下一

12、頁 3.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件試驗(yàn) 經(jīng)過人工老化的電纜應(yīng)能承受最嚴(yán)重的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件，如loca、helb、mslb，在這些事件中，將會受到高能輻照、熱的氣體或蒸汽、噴水、化學(xué)溶液以及其它流體的作用。下面介紹loca試驗(yàn)的情況。 （1）在熱老化過程完成之后，電纜需承受整個(gè)服役期應(yīng)受到的輻照加上loca時(shí)的輻照量，即50mrad加上150mrad，輻照速率在1mrad/hr之內(nèi)，一般也使用鈷60作為放射源。被照射過的試樣在特別設(shè)計(jì)的壓力容器中進(jìn)行試驗(yàn)，以承受發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件時(shí)產(chǎn)生的壓力、溫度、濕度以及噴出的化學(xué)物質(zhì)。不同種類的反應(yīng)堆，loca的環(huán)境條件變化很大，就是在同一個(gè)安全殼內(nèi)，各個(gè)部位的loca的

13、環(huán)境條件也不一樣，如果實(shí)際情況有所不同，可以做出相應(yīng)的調(diào)整。 （2）在loca試驗(yàn)之后，應(yīng)能承受ieee-383中規(guī)定的耐壓試驗(yàn)。 4 狀態(tài)監(jiān)測 環(huán)境鑒定是目前證明核電廠內(nèi)電纜可以完成其設(shè)計(jì)使用功能的通用的方法，但是，由于受試驗(yàn)條件的限制以及存在的不確定因素，環(huán)境鑒定中的加速老化試驗(yàn)是建立在一些假設(shè)條件之上的，因此必然帶來一些鑒定結(jié)果與實(shí)際情況的差異，這就提出了對電纜進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測的要求，以保證其正常運(yùn)行的能力。 在安全殼內(nèi)環(huán)境下，聚合物首先出現(xiàn)氧化、交聯(lián)、斷鏈、氫過氧化物分解以及其它的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子的變化；化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化引起物理參數(shù)的變化，如分子重量或密度、玻璃轉(zhuǎn)化溫度及融點(diǎn)溫度、耗氧量及其消

14、耗速度；化學(xué)及物理變化會影響絕緣材料的電氣性能的變化。針對這些變化，相應(yīng)有各種監(jiān)測的方法8。 4.1 針對化學(xué)變化的監(jiān)測方法 除了前3種方法可以在現(xiàn)場的電纜上進(jìn)行測試之外，其余的方法需要從電纜絕緣材料上刮下幾毫克的試樣，在實(shí)驗(yàn)室完成試驗(yàn)。 4.2 針對物理變化的監(jiān)測方法 除了刻壓模量法之外，所有其它的方法都是破壞性的，都需要不同大小的樣品。前面2種方法需要將樣品中的銅導(dǎo)體去掉，并制成啞鈴狀的受拉樣品。 在以上各種方法中，延伸率是目前測量聚合物脆裂程度通行的方法，絕對延伸長度50%被認(rèn)為是試樣是否老化的一個(gè)判別依據(jù)。 4.3 針對電氣參數(shù)變化的監(jiān)測方法 不管是化學(xué)方法還是物理方法都僅能監(jiān)測電纜局

15、部的狀態(tài)，需要選取幾個(gè)不同的部位以評估整根電纜的狀況。電氣試驗(yàn)則是對電纜的全部進(jìn)行測量，但在現(xiàn) 場，電氣試驗(yàn)需要沿著電纜整個(gè)長度有良好的接地端，從而限制了這類方法的使用，另外，電氣試驗(yàn)對絕緣材料形態(tài)上老化的反應(yīng)是不敏感的。電氣試驗(yàn)也有各種方法，如直流絕緣電阻測試法、交流電抗法、局部放電法、介質(zhì)損耗法等，由于電氣試驗(yàn)是成熟的方法，不再列表敘述。 上述3種監(jiān)測方法最好具備以下一些條件：結(jié)果可重復(fù)性、不對被測件造成損害、不妨礙被測件正常工作、不受環(huán)境條件的影響（環(huán)境變化時(shí)可做出相應(yīng)調(diào)整）、對老化是敏感的（特別對于初始階段）、對不同的材料及結(jié)構(gòu)有廣泛的適應(yīng)性、測試設(shè)備應(yīng)是便攜式的、能對整根電纜進(jìn)行評估

16、、性價(jià)比要合理。 自從開始電纜的狀態(tài)監(jiān)測方法研究以來，各國對此進(jìn)行了大量的研究，取得了很多成果，但每種方法均有其適用性和局限性，一些物理方法，雖然可以應(yīng)用于所有的材料，但研究結(jié)果顯示，某一個(gè)方法對某些材料效果好，對某些材料效果就差。各國對檢測方法進(jìn)行了廣泛的研究，人們試圖能夠找到一種或幾種技術(shù)的組合能夠?qū)Ω鞣N材料構(gòu)成的電纜都能進(jìn)行監(jiān)測，但實(shí)踐證明，這方面尚沒有獲得成功。 5 預(yù)測電纜剩余壽命 對人工老化或自然老化電纜的剩余壽命進(jìn)行評估是電纜老化研究的一個(gè)組成部分，近年來，人們已經(jīng)研究出了許多方法，這些方法均需要獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有的是通用的，有的則適合某種或某些材料，各種方法均有其限制條件，以下是

17、幾種常用的方法。 5.1 線性模型方法 這種方法基于數(shù)據(jù)的線性擬合，不計(jì)協(xié)同效應(yīng)的影響，實(shí)際老化與演繹出來的老化結(jié)果會有差異，但由于其簡單化，仍然得到了應(yīng)用。對熱老化而言，以 arrhenius方法為例，使用對數(shù)時(shí)間對1/t的坐標(biāo)圖形，可假定線性外推是有效的，即認(rèn)為該方法在整個(gè)溫度和時(shí)間范圍內(nèi)都是可行的。對輻照老化來說，在較低劑量率的情況下，使用時(shí)間對累計(jì)劑量的關(guān)系，通過建立預(yù)測曲線，使用線性外推的方法，能夠預(yù)測電纜的使用壽命。 但這種方法的缺點(diǎn)也很明顯，在加速熱老化過程中，由于不同活化能之間的相互影響，會使得arrhenius方法非線性化，大多數(shù)的試驗(yàn)溫度在pe一類的半晶體聚合物的融化溫度之

18、外，使得試驗(yàn)失去實(shí)際工作溫度的代表性。對加速輻照老化而言，由于在低劑量率和適中溫度的情況下，大多數(shù)聚合物的老化表現(xiàn)為沿壁厚方向的均勻氧化，如果加速試驗(yàn)的劑量率過高，則會帶來非線性的結(jié)果。 5.2 冪定律外推法 該方法利用同一溫度下幾種劑量率確定終點(diǎn)判據(jù)值。依據(jù)以下的公式： ded=kdn 其中，ded是等效損傷劑量，d是輻照率，k為在劑量率為1gy/hr下，達(dá)到終點(diǎn)判據(jù)時(shí)的劑量，n是與劑量率相關(guān)的系數(shù)，k和n是由試驗(yàn)得到的材料常數(shù)。則等效損傷時(shí)間為： ted=kdn-1 該種方法適用于所有的材料，對輻照率不敏感的材料，n取0，對氧化非常敏感的材料，n取0.3。 5.3 以時(shí)間為變量的疊加法 該

19、方法將熱老化和輻照老化的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，產(chǎn)生一系列被乘的轉(zhuǎn)換系數(shù)，該轉(zhuǎn)換系數(shù)是溫度及輻照率的函數(shù)，可以用一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式得出轉(zhuǎn)換系數(shù)與老化條件之間的關(guān)系。這種方法考慮了輻照率以及輻照和受熱老化協(xié)同效應(yīng)的影響。該方法適用于不管是熱老化還是輻照老化都僅有一種占主導(dǎo)地位的老化機(jī)理的材料。 5.4 終點(diǎn)劑量疊加法 該方法通過疊加方法，產(chǎn)生一些最終點(diǎn)劑量的曲線，最終點(diǎn)劑量是對應(yīng)于不同溫度的劑量率的函數(shù)，被乘的轉(zhuǎn)換系數(shù)僅是溫度的函數(shù)，這樣可以和簡單的arrhenius方程聯(lián)系起來了，該方法適用于不是僅有一種占主導(dǎo)地位的老化機(jī)理的材料，對有強(qiáng)烈的輻照率效應(yīng)的材料也特別有效。 6 結(jié)束語 我國在核電廠10年定期評

20、審中規(guī)定，要對核電廠設(shè)備的老化進(jìn)行評價(jià)，這就需要進(jìn)行核電廠安全重要部件之一的儀控電纜的老化管理工作。目前國際上相關(guān)機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域已進(jìn)行了大量的工作，我國核電界應(yīng)消化吸收并積極跟蹤這方面的先進(jìn)技術(shù)，爭取早日全面開展安全殼內(nèi)儀控電纜老化評估及壽命管理的工作，以保證核電廠安全可靠地運(yùn)行。 參考文獻(xiàn) 1 pilot study on the management of ageing of instrumentation and control cables, iaea-tecdoc-932, vienna,1997 2 assessment and management of ageing of maj

21、or nuclear power plant components important to safety: in-containment instrumentation and control cables, iaea-tecdoc-1188, vienna, 2000 3 ageing management guideline for commercial nuclear power plants -electrical cable and terminations, sand96-0344,&n bsp;sandia national laboratories, 1996 4 survey on organic components in npps nea/csni/r(98)7, oecd, 1999 5 ieee guide for assessing, monitoring, and mi