核電廠電纜老化管理大綱的開發

南華大學電氣工程學院 歐陽宏志中國核動力核反應堆系統設計技術國家級重點實驗室 游 洲 劉文靜 李 朋

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核電廠電纜老化管理大綱的開發

南華大學電氣工程學院 歐陽宏志
中國核動力核反應堆系統設計技術國家級重點實驗室 游 洲 劉文靜 李 朋

【摘要】電纜是核電廠中重要的電氣設備，影響著電廠的安全性和可靠性。為了使電纜老化管理活動有章可循，以IAEA的系統化老化管理理念為指導，介紹了核電廠電纜老化管理大綱開發的主要內容，包括老化管理的要求、篩選原則、老化機理分析方法、老化效應的評估、狀態監測方法和緩解措施、老化管理大綱與其他大綱的協調等。最后對我國核電廠電纜老化管理的實施提出幾點建議。

【關鍵詞】電纜；老化機理；老化管理大綱；狀態監測；壽命管理目前全世界正在運行的核電動力堆中，49%已經運行了30年以上，其中有7%已經運行了40年以上，還有一些動力堆已經或即將進入設備老化和退役階段([1])。核電廠設備的老化會降低電廠的核安全水平，同時也是影響延壽運行的主要不利因素。有效的老化管理過程，是以全面的認知設備及其老化引起的性能降質和這種降質對該部件執行功能的影響為基礎和先決條件，通過整合、優化現有與老化管理相關的大綱、活動來實現的。電纜是構成核電廠儀表和控制系統的重要部件，與核電廠的安全運行緊密相關。20世紀90年代以來，電纜的老化管理和狀態監測技術一直是國際核電領域研究的熱點問題，國際原子能機構（IAEA）定期組織研討會專門討論該議題。老化管理大綱是核電廠開展設備老化管理工作的主體文件，用以確保核電廠安全重要設備的完整性和執行功能的能力。為電纜制定有效的老化管理大綱，以便能夠及時探測并緩解其老化效應，從而保障核電廠安全、經濟地運行。

1 核電廠電纜簡介

一座核電廠包含成千上萬千米的電纜和導線，大致可歸為以下幾類：

●儀表和控制電纜（同軸、三同軸、雙絞、屏蔽等類型）；

●低壓電力電纜（電壓低于1 kV）；

●中壓電力電纜（例如，6 kV-35 kV）；

●一般功能電纜（接地電纜、通信電纜等）。

儀表和控制電纜(以下簡稱儀控電纜)的主要組成部分有：導體、絕緣材料、屏蔽層、護套、多芯導體間的填充物、外部包扎帶。與核電廠電纜老化相關的應力主要有：熱應力、電應力、機械應力、輻射應力、化學應力(氧氣、臭氧、潮濕/濕度)、污垢、灰塵及其他污染因素。在上述應力中，氧氣、濕度、污垢、灰塵及其他污染并不能直接產生影響，但它們能強化其他應力的作用效果，從而導致電纜材料（重點是絕緣材料和護套）的老化。需要特別指出的是，某種形式的老化可由兩種或多種應力造成，某種應力能加速另一種應力的作用效果。

2 核電廠老化管理的要求

核電廠電纜老化管理應以對老化機理的理解為核心，采取國際原子能機構提出的計劃-運行-檢查-行動循環（戴明循環）管理的系統老化管理模式，并將該模式中的各項要素融合在老化管理活動中。

圖1 系統的老化管理要求

圖1給出了老化管理的戴明循環過程。其中，“計劃”活動旨在通過協調所有與老化管理相關的大綱和活動使老化管理的效益最大化；“運行”的目的在于按照操作程序和限制，合理使用相關電纜，使得預期的退化最小化；“檢查”是要通過檢查和監測及時發現和辨別電纜的任何退化，通過評估已發現的退化確定需要采取的糾正或緩減措施，以及具體實施的時間；“行動”是經過對有關電纜的適當維護（包括維修或更換），適時緩解、糾正電纜的退化。老化管理過程的循環表明：需要根據當前對電纜的理解和評估以及同行審查的結果，結合對老化管理深化研究及改進狀態監測技術，不斷升級完善電纜的具體老化管理大綱。每完成一次循環，對電纜老化的認識和管理應上升一個層次。

3 核電廠老化管理范圍的篩選

核電廠的電纜數量眾多，規格不一，鋪設路徑復雜，如果對每一根電纜的老化程度進行評估，既不現實，也無必要。因此可以對其進行篩選，分級別進行管理。應該把電纜的安全級別和所處環境的惡劣程度作為篩選的主要原則，結合國內外的經驗反饋，科學有序地進行老化管理活動。

通過篩選得到老化管理關注電纜清單，依據電纜清單應進一步開展電纜的老化管理優先級分析。IAEA NS–G-2.12中將老化管理關注電纜優先級分為三級，即AM-1（老化管理1級電纜，核電廠老化管理最優先關注的電纜) 、AM-2（老化管理2級電纜，應當持續關注的電纜）、AM-3（老化管理3 級電纜，應關注業界經驗反饋）。針對不同的老化管理級別制定相應的老化管理活動，并利用對電纜實施老化管理過程中得到的信息，進一步優化識別結果。

4 核電廠電纜老化機理分析方法

老化機理分析應在廣泛收集國內外研究成果、管理經驗的基礎上開展工作，特別是國際原子能機構關于儀控電纜方面的技術報告、國際核電廠通用老化經驗（即IGALL報告）以及美國的核電廠通用老化經驗（即GALL報告）[2-3]。通過對電纜的設計特點、結構、材料、制造和運行條件的分析，對可能存在的老化機理進行梳理、分析和評價，明確存在的老化機理及其敏感部位、失效模式、對功能的影響和主要監測方法、緩解措施和壽命評估方法等。老化機理分析應形成報告。

5 核電廠電纜老化效應的監測和緩解

定期對電纜進行監督和檢查在電纜老化管理中處于關鍵的地位，有利于核電廠運營者在電纜安全性能喪失之前，發現部件嚴重降質并確定降質性質。電纜老化狀態監測就是根據電纜絕緣層、護套材料的具體情況，選擇合適的、足以反映其老化狀態的特征參數，使用合適的監測儀器和監測手段，分析電纜當前老化狀態，評估其功能的完整性。它能夠識別出在最初鑒定試驗中沒有表現出來的老化機理和初始故障，能評估電纜剩余使用壽命，是現今電纜老化管理最重要的手段之一。由于電纜材料眾多，至今沒有一種狀態監測技術能夠滿足全部種類的電纜并達到理想情況，可以考慮將多種監測技術組合起來，必要時進行電纜留樣。當發現電纜存在老化跡象時(如護套龜裂、變色、狀態指標變化過快等)，應評估電纜的老化程度及其對電纜功能的影響，并根據評估結果采取必要的維修活動。

6 核電廠電纜老化管理大綱的持續優化

根據電纜老化管理大綱的戴明循環模式，其實施過程中需要不斷地優化。營運公司各級老化管理大綱由核電廠最高管理層批準生效，全廠大綱通過每10年一次的綜合評審來實現對文件內容的優化，設備管理大綱、專項老化管理大綱通過每年聯合各相關部門組織的自我評審來優化和完善。電纜老化管理大綱審查中產生的電纜老化管理行動將定期或不定期地補充進入可執行的老化管理相關大綱中，在老化管理相關大綱升版、批準生效之前，電纜老化管理大綱審查中產生的電纜老化管理行動將形成單獨文件并有效執行[4]。另外，面對任何新出現的老化事件，應開展經費充足的研究和開發項目，從而為電纜老化機理的研究和理解、老化動力學過程、老化相關的監控和緩解方法或措施等方面的研究提供持續的技術支持。

7 結束語

電纜老化管理大綱的開發要考慮綜合性、主動性和系統性。綜合性是指電纜老化管理大綱的編制、實施和優化應由多方參與，核電廠各部門應有共同的認識、足夠的管理和資源支持，用以保證電纜老化管理大綱的技術評估和管理策略是詳盡的、高質量的，確保大綱行動的實施；主動性是指電纜老化管理應主動地貫徹于核電廠的整個壽命期間，包括役前、運行和退役階段；系統性是指應建立有效的電纜老化管理策略，對特定設備建立一個專用的戴明循環似的系統老化管理流程。

根據筆者開發電纜老化管理大綱的經驗，提出以下幾點建議[5]：（1）在充分消化國外先進核電廠老化管理經驗，特別是GALL報告和IGALL報告的基礎上，結合我國國情，建立核電廠電氣和儀控設備老化管理標準體系；（2）電纜的篩選是電纜老化管理具體工作的第一步，應把握安全重要性的主要原則，可以用模糊理論解決分級管理的問題；（3）電纜的狀態監測技術是國際核電界研究的熱點，應該增加投入，開展基礎性研究，尋求更加理想的監測方法，以縮小我國與發達國家的差距；（4）電纜的剩余壽命預測（主要是熱老化模型和輻照老化模型）在電纜老化管理中占重要地位，對處于加速老化的電纜或是自然環境中的電纜進行壽命評估都非常有幫助，但也要注意模型的局限性，例如對于活化能的測定、老化試驗的順序及協同效應等；（5）儀控電纜回路占據了所有電纜回路的五分之四以上，所以，將儀控電纜，特別是將環境條件惡劣的安全殼內的儀控電纜作為老化管理的研究對象具有典型意義。

我國大多數核電廠運行時間不長，老化管理方面的工作還處于起步階段，目前也只有秦山一廠在考慮延壽問題，而老化管理是一項系統性的工程，需要多方面共同參與，構建一個共同的交流平臺。核電領域各階層要引起重視，核電廠營運者要培養員工老化管理中的核安全意識。電纜是核電廠安全重要部件之一，被喻為核電廠的“中樞神經”，只有在技術和管理兩個層面對電纜老化管理進行全面研究，建立完善的老化管理體系和延壽體系，才能提高核電廠運行的安全性、可用性和經濟性，為我國核電行業又快又好地發展保駕護航！

參考文獻

[1]國際原子能機構.2014年核安全評論[M].維也納:國際原子能機構,2014.

[2]NRC.NUREG 1801 Generic Aging Lessons Learned (GALL) Report[R].Washington D.C.,2010.

[3]龔嶷,竇一康.美國核電廠GALL報告解讀[J].核安全,2014, 5(10):88-94.

[4]焦麗玲.核電廠機械設備老化管理大綱內容探討[J].核標準計量與質量,2012,4(15):14-16.

[5]馬明俊,周擁輝,張建等.核電廠老化和壽命管理現狀與進展[J].核安全,2011,5(10):12-14.

歐陽宏志（1982－），男，湖南衡陽人，副教授，主要從事電工電子技術的教學及核電廠儀控電設備老化管理的研究工作。

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