核電廠安全殼內(nèi)儀表與控制電纜的老化管理(一)

1、核電廠平安殼內(nèi)儀表與控制電纜的老化管理 一摘要：在調(diào)研國(guó)際上核電廠平安殼內(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，表達(dá)了儀控電纜的環(huán)境鑒 定、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、壽命評(píng)估等方面的內(nèi)容，希望對(duì)國(guó)內(nèi)開(kāi)展此項(xiàng)工作有 所幫助。儀控；電纜；老化；平安殼；核電廠 Abstract:Basedonsurveyingthedocumentsofthemanagementofageingofin-c ontainmentinstrumentationandcontrolcablesusedinNPPs,thispaperbriefly introducestheI&Ccablecons

2、tructionanddegradationmechanism,anddescrib es suchaspectsastheenvironmentalqualification,conditionmonitoringmethods, lifepredictionetc.ofI&Ccable,which,asauthorshope,willbehelpfulfor launchingtheresearchinthisfieldinChina.Keywords:InstrumentationandControl;Cable;Ageing;Containment;NPP 隨著核電廠數(shù)量的增加

3、及運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，核電廠設(shè)備的老化效應(yīng)越 來(lái)越引起人們的關(guān)注，如何對(duì)核電廠的老化實(shí)施有效管理、確保在役 核電廠的平安性和可靠性，弓I起了國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)IAEA和世界核電大國(guó)的嚴(yán)重關(guān)注，并已開(kāi)展了廣泛的工作。作為核電廠平安重要部 件之一，平安殼內(nèi)儀表與控制電纜的老化評(píng)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(guó)際主要核能機(jī)構(gòu)已發(fā)表了不 少專(zhuān)題報(bào)告 1-4 。我國(guó)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(zhǎng)，但已面臨平安殼內(nèi)儀控電纜的老化問(wèn)題，隨著服役時(shí)間 的增加，這一問(wèn)題會(huì)更加突出。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有對(duì)平安殼內(nèi)儀控電 纜老化評(píng)估及壽命管理的系統(tǒng)研究

4、，筆者在相關(guān)文獻(xiàn)資料的根底上， 介紹核電廠平安殼內(nèi)儀控電纜老化管理的內(nèi)容，以期對(duì)開(kāi)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(wàn)公里不同型號(hào)及規(guī)格的電纜，這些電纜構(gòu)成了 中壓動(dòng)力回路、低壓動(dòng)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(hào)；控制電纜也是低壓、低容量的，應(yīng)用于控 制開(kāi)關(guān)、泵、閥門(mén)等的操作機(jī)構(gòu)、繼電器和接觸器的控制回路。 構(gòu)成儀控電纜的主要局部有：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

5、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(duì)電纜老化 的影響并不大，因此，研究的重點(diǎn)是針對(duì)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)境平安殼內(nèi)部?jī)x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，平安殼內(nèi)不會(huì)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

6、 年時(shí)間內(nèi)，正常運(yùn)行情況下，平安殼內(nèi)輻 照的最大累計(jì)值為3X 107rad平安殼內(nèi)的儀控電纜一般不會(huì)受到震動(dòng) 的影響，除非有特殊要求， 否那么，不考慮由于震動(dòng)引起的老化問(wèn)題 5 。 2 電纜的老化機(jī)理在現(xiàn)場(chǎng)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(huì)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(guò)程。從宏觀上來(lái)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 物成分的物理老化機(jī)理。2.1 化學(xué)老化機(jī)理 1 高分子鏈斷裂：

7、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(guò)氧化根斷鏈，導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)的改變。2交聯(lián)反響：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氧化反響：這是一種自由基的鏈?zhǔn)椒错?，在氧化反響開(kāi)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)生反響性物質(zhì)，即自 由基，氧化反響既導(dǎo)致斷鏈，又生成交聯(lián)，這取決于氧化鏈?zhǔn)椒错戇^(guò) 程中各階段的分子運(yùn)動(dòng)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(guò)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(lái)控制。5協(xié)同效應(yīng)：當(dāng)各個(gè)環(huán)境因素的綜合影響大于其各個(gè)單一影響之和 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這種效應(yīng)，如對(duì)聚合物而言，

8、既受熱，又受到輻照。2.2 物理老化機(jī)理1增塑劑蒸發(fā)：材料外表的增塑劑向周?chē)目諝庵袚]發(fā)，其留下的 空隙又被由材料的核心向外表擴(kuò)散的增塑劑所填塞，這 2 種揮發(fā)和填 塞的分子運(yùn)動(dòng)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到達(dá)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(guò)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(guó)家環(huán)境鑒定依據(jù) 的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE-3236、 IEEE-3837， 前者是針對(duì)核電廠所有 1E 級(jí)設(shè)備的 一

9、個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，后者表達(dá)了針對(duì) 1E 級(jí)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(duì)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(guó)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/B1/Ts-1/Ta其中：Ts為在役溫度，Ta為加速老化溫度，ts為對(duì)應(yīng)于在役溫度Ts的 老化時(shí)間，ta為對(duì)應(yīng)于加速老化溫度 Ta的老化時(shí)間，Ea為活化能，B 為波爾茨曼常數(shù)。Arrhe

10、nius 方程既可用于在給定的測(cè)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(cè)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)反響所引起；就是對(duì)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(guò)在不同溫度和時(shí)間范圍內(nèi)對(duì) 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(duì)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(zhǎng)測(cè) 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(duì)大多數(shù)有機(jī)材料而言，輻照的影響僅與材料受到的輻照總量有 關(guān)，而與輻照率及種類(lèi)無(wú)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(duì) 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，那么 可依此進(jìn)行試驗(yàn)。3對(duì)大局部材料來(lái)說(shuō)，對(duì)其進(jìn)