核電廠安全重要部件老化機理分析方法探討

陳佳卉　周博

摘要 隨著核電廠運行時間的不斷增加，核電廠部件會發生各種各樣的老化降質。根據老化降質類型的不同及發生的位置不同，所導致的后果或輕或重，嚴重時危及核電廠的安全。因此在老化降質未發生之前，開展老化機理分析工作顯得尤為重要。在國際原子能機構開發的導則中，也已經將老化機理分析列為各項工作的核心。本文提供了一種相對統一的老化機理分析分析方法，可使得電廠的機理分析工作更加規范化和系統化。

關鍵詞 核電廠部件老化機理分析方法

隨著核電廠運行時間的不斷增加，材料發生各種各樣的變化，包括物理變化引起的形狀、尺寸、結構的改變，也包括化學變化所導致的材料損失；這些變化最終使得系統設備性能的退化，也即老化降質。根據老化降質類型的不同及發生的位置不同，其發生的效應的速度或快或慢，所導致的后果或輕或重，嚴重時危及核電廠的安全。為應對老化降質對核電安全所帶來的威脅，從美國等核電發展較早的國家開始，已經積累了較為豐富的實踐經驗，其中很多被用作標準被核電管理者實踐依據。在國際原子能機構開發的導則中，也已經將老化機理分析列為各項工作的核心。

一、老化機理分析原則

核電廠需開展老化管理工作的設備眾多，設備用材、制造工藝等也各有差異，這些都可能導致老化降質過程的差異性，盡管要求在機理分析過程中通過各種知識和信息清楚的認識并理解這些機理，但對千差萬別的各種因素很難保障其分析方法和分析過程的完全一致性。為了保障機理分析工作在能提供足夠有用的信息的同時，又能對機理分析工作給出足夠的自由度，以便于有針對性的合理采取方法進行機理分析，可采用以下機理分析原則：機理分析必須充分結合材料的基本屬性和各種經驗反饋信息，經驗反饋信息包括NUREG-1801報告、電廠國內外經驗反饋等。這些信息的利用辦法是將經驗反饋中材料、環境、機理與電廠的材料、環境以及相關機理進行對比，進而分析各機理發生的可能性。

二、機理分析的實施方法

（一）機械類設備的老化機理分析

機械類設備主要是反應堆主回路冷卻劑系統、專設安全設施系統、輔助系統、蒸汽和動力轉換系統等系統設備和經驗反饋認為老化管理重要性程度高的設備。這些設備的老化降質將直接危及核電廠安全或對電廠的生產效益造成重大影響，因此，必須針對這些設備進行詳細的機理分析，以便于以此為基礎開展有關該設備的各種老化管理工作。機械類設備的機理分析按如下步驟開展：

1.理解設備的設計。在設計階段，設備設計所遵循的標準、設備的設計功能、設備的選材、設備的結構特點、設備的運行限值已經確定下來，這些因素一定程度地決定了設備發生各種老化降質機理的可能性，因此，對設備設計特性的理解是開展詳細的機理分析的基礎。對設備設計的理解須重點關注并明確如下內容：設備設計所遵循的標準；設備包含的部件及各部件選用的材料；設備的主要參數、設備主要部件的結構參數；設備的設計運行條件、設備的實際運行條件；設備制造過程的不符合項及不符合項的處理工藝。

2.設備的機理分析。各部件的機理分析包括分析材料的固有特性和經驗反饋該材料的老化降質特性。在核電廠的設計階段，為提高材料的抗老化性能，已經在選材及材料的加工制造上作了充分的考慮，這些考慮是基于設計時期的認識而作出的，盡管如此，仍然不能避免材料的老化降質的發生，為深入地分析這些機理，需要分別從材料的固有特性和經驗反饋兩個方面進行考慮，機理分析需從部件名稱，部件材料，實際運行環境中的溫度、壓力、水質、輻照環境等方面進行分析。

（1）老化機理分析需要從設計的角度人手考慮材料的固有特性。任何材料本身不可能不發生老化降質，這是所有材料的必然屬性，而材料的降質速度和降質規律則是通過試驗或實踐經驗總結出來，這些規律在設計之前已經總結出來并形成行業規范或標準，作為設計的基礎。在對部件的老化機理進行分析時，需要理解認識材料的這些固有特性，這些固有特性是設計階段在設計上對材料行為特性的預期，也是進一步開展老化機理分析工作的基礎。材料的固有特性需要考慮的內容包括：設計選材所采用的標準上對該材料特性的規定、材料的主要加工工藝對設備結構材料老化行為特性的影響。在考慮這些內容時，依據已經掌握的材料，進行分析，可繁可簡，能反映主要的老化特性即可。在這一階段，分析出的主要是材料的潛在老化降質機理。

（2）從經驗反饋信息分析設備的老化機理。盡管在設計階段對材料的老化降質有較充分的考慮，但由于運行環境控制的差異，以及材料屬性的少量不確定性，材料是否發生特定的潛在的老化機理，需要通過經驗反饋信息加以驗證，因此，對經驗反饋信息進行分析，并輔助第一步中總結的規律，列出設備的各項老化降質機理。在列出各種降質機理時，還必須注明設備的降質機理的發生位置。可供參考的經驗反饋信息包括NUREG-1801和國內外相同電廠或類似電廠發生的經驗反饋信息。

（二）構筑物的老化機理分析

構筑物結構復雜，不僅包含金屬部件，還包含非金屬部件，其不同部件的材料屬性相差較大，因此，在對構筑物進行機理分析時，需按部件分開進行機理分析，這些部件包括混凝土、加強鋼筋、貫穿件、預應力系統部件、襯里、防水層、密封墊圈等，具體到每個部件，其老化機理分析方法與機械類設備的分析方法相同，不再重復說明。

1.電氣設備的老化機理分析。電氣類設備的范圍包括大型電氣機械設備，如柴油機、發電機等電氣類設備，還包括電纜等。由于不同設備的結構特點不同，其機理分析的方法也會略有不同，以下分幾類分別說明：

2.大型電氣設備的老化機理分析。對于大型電氣設備，如柴油機、發電機等，其老化機理分析方法與機械類設備相同。以下僅對電氣儀控類原件的老化機理分析方法和電纜的老化機理分析方法進行規定。

3.電纜的老化機理分析。與電氣儀控類元件相似，核電廠的電纜種類和數量繁多，但電纜材料和電纜的服役環境則僅可簡單的分為幾類、同種類型的電纜的老化機理基本相同，因此，電纜的老化機理分析可分為電纜分類、電纜環境識別、電纜老化機理分析、電纜老化機理分析報告編寫幾步，具體如下：

（1）電纜分類。由于本文僅針對1E級電纜進行老化機理分析，因此，所涉及的分類是對1E級電纜進行分類。在進行電纜分類前，需根據電廠提供的設計資料整理出電廠的1E級電纜，并列出1E級電纜的范圍，在此基礎之上，按照電纜用途的差別，本文將電分為高壓電纜、中壓電纜、低壓電纜和儀控電纜。

（2）電纜屬性。根據電纜材料與環境，識別出不同電纜的材料和環境，填寫“電纜材料”和“電纜服役環境”，同時，充分理解材料的基本屬性。

（3）電纜的老化機理分析。根據第（2）步所分析的材料屬性及電纜的環境，并結合國內外的經驗反饋，分析電纜的老化機理。

三、結語

本文建立了綜合考慮老化機理發生的位置、服役環境、結構材料的老化機理分析方法，可為核電廠安全重要部件的機理分析工作提供指引和參考。endprint