核電廠專用儀控設備鑒定試驗研究

陳 義，葉順流

（中廣核研究院有限公司，成都 610000）

0 引言

核電因高效、清潔、經濟等原因在世界范圍內得到了快速的發展，中國也相繼出臺了多項政策積極推進核電建設，大力發展核電技術。2007 年10 月，為了貫徹落實國家“積極推進核電建設”的方針，國家發改委組織行業專家編寫了《國家核電發展專題規劃2005 ～2020》，明確了中國核電后續發展目標：到2020 年，核電運行裝機容量爭取達到4000 萬千瓦，核電年發電量達到2600 億千瓦時～2800 億千瓦時[1]。但是核電又有別于一般的電廠，它是通過核反應產生的熱量來制造蒸汽，推動汽輪機發電，在這個過程中需要利用不同功能的專用儀控設備對堆芯進行精確地監控，防止發生核泄漏等事故。因此，要求核電廠專用儀控設備必須具有很高的安全性和可靠性，而對設備開展的質量鑒定活動則是評估其安全性、可靠性的一種有效手段。

目前，國內對核電廠專用儀控設備的鑒定試驗還沒有一個統一的標準，各設備供應商在執行鑒定時參考的標準也比較雜亂，鑒定效果也不理想；或者是按照安全級DCS的鑒定方法對專用儀控設備實施鑒定，這就大大增加了設備鑒定成本，降低了產品的競爭力。本文對RCC-E 進行深入解讀，結合某電站壓力容器水位信號測量系統的鑒定實踐，梳理出一套適用于核電廠專用儀控設備的鑒定思路和方法，為行業內相關設備的鑒定提供一定的指導。

1 鑒定目的

為了保證核電廠在規定的條件下可靠地工作，HAF102《核動力廠設計安全規定》中提出：“必須采用設備鑒定的程序來確認安全重要物項能夠在其整個設計運行期間滿足正常運行、預計運行事件和設計基準事件等工況的要求”[3]。RCC-E 在B 卷中也明確指出要用鑒定的方法來證明設備滿足以下要求：

1）能實現設備規定的安全功能。

2）在規定的運行和使用條件下，不產生能導致設備預防措施失效的故障。

3）不能妨礙其他設備執行安全功能。

2 鑒定方法

在RCC-E 中提供了3 種鑒定方法：試驗法是通過一系列型式試驗對設備進行檢驗，這種方法是大多數設備在鑒定時所選擇的方法，一般要求設備在初始鑒定時必須選擇此方法；分析法是利用與其相似的其他設備之前的試驗數據進行類比分析，此方法多用于針對設備外形結構（如機柜、機箱等）方面的鑒定，如利用機柜結構相同的其他設備的抗震試驗數據來評估待鑒定樣機的抗震性能；混合法是利用試驗法和分析法相結合的方法對鑒定樣機進行鑒定，在常規的鑒定活動中，由于設備規模和實驗室場地限制等原因，不可能將整套系統的所有設備都運到實驗室進行鑒定試驗。因此，需要選擇一套具有代表性的鑒定樣機，用試驗加分析的方法開展鑒定。

3 樣機的選擇

鑒定樣機應是一個能夠代表被鑒定對象典型功能和性能，以及典型配置的設備。鑒定樣機的選擇應考慮以下因素：

◇ 應具有被鑒定對象典型架構。

◇ 應包含被鑒定對象所有的設備類型、信號類型。

◇ 應具備被鑒定對象典型的軟、硬件配置。

◇ 應具有被鑒定對象的典型功能和性能。

◇ 應能代表被鑒定對象的典型負荷（功耗）。

◇ 應保持和被鑒定對象相同的安裝方式等。

4 鑒定程序

設備需要根據其安裝位置和所要執行的功能，選擇適合的鑒定程序。鑒定程序可分為：

1）正常環境條件下的鑒定程序

該程序是為了檢驗鑒定樣機在正常環境條件下執行其功能的能力，在執行下面4 個程序之前總是要先執行本程序。

2）K1 鑒定程序

程序適用于安裝在安全殼內的設備，需要在正常運行條件、事故條件、事故后條件（必要時），以及地震條件下檢驗設備的功能和（或）性能指標。

3）K2 鑒定程序

程序適用于安裝在安全殼內的設備，需要在正常運行條件、地震條件下檢驗設備的功能和（或）性能指標。

4）K3 鑒定程序

程序適用于安裝在安全殼外的設備，需要在正常運行條件、地震條件下檢驗設備的功能和（或）性能指標。

5）嚴重事故條件的鑒定程序

該程序適用于在嚴重事故條件下需保持其安全功能的設備。

與安全相關的核電廠專用儀控設備（如堆芯測量系統、棒控棒位系統、堆外核測量系統等）一般都放置于安全殼外的安全廠房區儀控房間，鑒定時應選擇K3 鑒定程序。

5 鑒定大綱

鑒定大綱是整個鑒定活動的重要依據，在工程樣機（或模擬件）的研制之初就要根據設備技術規格書的要求進行編制，為了確定鑒定大綱的符合性，還需組織上游設計院和業主方的專家進行評審。鑒定大綱主要包含以下信息：

◇ 鑒定樣機的范圍及說明。

◇ 正常和設計基準事故的環境條件。

◇ 鑒定樣機需要執行的典型功能和滿足的性能指標。

◇ 每項試驗的參考標準和試驗等級。

◇ 各項試驗的驗收準則。

◇ 在鑒定過程中，對不滿意結果的處理等。

6 鑒定實施

圖1 核電廠儀控設備試驗順序Fig.1 Test sequence of I&C equipment for nuclear power plant

RCC-E 并未對試驗順序做強制規定，只提到試驗順序應與設備的種類相適應。從RCC-E 的章節安排來看：在鑒定試驗中，首先應進行基準試驗，基準試驗的測試數據作為后續條件試驗的比較基準，用于判斷設備在后續條件試驗中的功能性能是否滿足技術要求；其次，進行極限運行條件下的試驗和設備性能隨時間變化的試驗，特別提到設備性能隨時間變化的試驗應按照規定的順序進行，但當大綱有規定時，設備性能隨時間變化的試驗也可以和極限運行條件下的試驗交替進行；地震試驗最后進行。因此，RCC-E 規定的試驗順序基本按照圖1 的順序進行。

6.1 基準試驗

基準試驗需要在正常大氣條件下進行，其測試數據作為后續各項條件試驗的比較基準，RCC-E 中規定的正常大氣條件指向標準NF EN 60068-1，具體條件如下：

◇ 溫度：15℃～35℃。

◇ 相對濕度：25%～75%。

◇ 大氣壓力：86kPa ～106kPa。

基準試驗的主要測試內容為：

◇ 目視檢查和機械檢查

◇ 電氣特性試驗

——絕緣電阻測量

——介電強度試驗

——機械接地的電氣連續性測試

◇ 功能特性測試

進行電氣特性試驗的目的主要是為了保護使用和維護人員的安全，屬于安規一類的試驗，具體執行時主要依據RCC-E MC 卷的規定執行。

介電強度試驗主要是用來驗證儀控設備供電回路是否存在絕緣薄弱的地方，試驗時用數倍電路額定電壓的電壓等級進行試驗。某核電站壓力容器水位測量系統電氣特性試驗條件見表1。

6.2 極限運行條件下的試驗

RCC-E 中對極限運行條件下的試驗描述得比較籠統，只是簡單提到與設備相關的環境條件、安裝條件、供電特性、電磁干擾等，沒有細化，可執行性不高。在B3500 章節又列出了一些特殊規定對鑒定大綱進行補充，明確鑒定大綱需要按照IEC 60780（該標準已轉化為GB/T 12727，技術內容等同）的5.3 節的規定制定，并在后面表格中規定了電磁兼容試驗可以按照工業環境條件執行，參考工業環境通用電磁兼容試驗標準，即IEC 61000-6-2 和IEC 61000-6-4。

表1 電氣特性試驗條件Table1 Electrical characteristics test conditions

此外，在D5000 章節對電磁兼容進行了專題介紹，并提供了一些關于設備電磁兼容的一些建議，以及如何根據設備的安裝位置選擇不同的試驗類型和嚴酷程度，并指出應優先選擇產品標準（IEC 61131-2“可編程控制器測試標準”），再選擇通用標準（IEC 61000 系列標準）使用。

在某核電站水位信號測量系統鑒定試驗中，極限運行條件下的試驗主要分為兩個部分：設備運行的環境條件（溫濕度和振動）和設備安裝處的電磁環境條件。溫濕度和振動等試驗具體執行上，主要根據GB/T 12727 的要求，按照GB/T 2423 系列標準進行試驗；而電磁兼容性試驗則是按照IEC 61000 系列標準進行，同時也參考了行業上比較認可的美國核管會出版的R.G.1.180 標準作為補充。電磁兼容性試驗條件見表2。

溫濕度環境試驗條件見表3。

6.3 設備性能隨時間變化的試驗

將設備置于規定環境溫度條件下長時間運行，通過監視設備在一段時期內的性能變化來評價設備的使用壽命。RCC-E 在這個章節中主要介紹了長期運行試驗和輻照老化試驗，但是沒有列出執行試驗的參考標準，也沒有明確具體的試驗方法。

核電廠專用儀控設備位于安全殼外，沒有輻照老化的設計需求，可不執行輻照老化試驗。某電站壓力容器水位測量系統在鑒定時主要參考GB/T 12727 及其配套使用標準EJ/T 1197 的規定執行長期運行試驗，試驗條件為：將設備置于55℃溫度條件下運行300h，再將設備置于40℃溫度條件下運行300h。在整個試驗中，每24h 對設備進行功能測試，并全程持續監視設備輸入/輸出等信號的變化情況。

表2 電磁兼容性試驗條件Table 2 Electromagnetic compatibility test conditions

6.4 地震試驗

地震試驗用來考驗設備在規定的地震荷載下能否完成其規定的功能，一般通過試驗法來驗證設備的抗地震能力，在某些特殊情況下，也可以用分析法或混合法代替。RCC-E 中針對地震試驗推薦使用的標準是IEC 60980（該標準已轉化為GB/T 13625，技術內容等同），并規定在試驗之前需要先進行設備固有頻率的探查試驗，試驗方法參考EN 60068-2-6 或EN 60068-2-57 中獨立加速度時程的雙軸試驗法。

在地震試驗的具體實施環節，RCC-E 分別介紹了地震試驗可采用的試驗方法：

1）正弦波激勵的單軸試驗

可任意選擇正弦掃波和正弦拍波兩種方法的一種進行試驗，試驗應符合EN 60068-2-6 和EN 60068-2-59 的規定。正弦拍波試驗是利用相互隔開的5 個正弦拍波組成的一個試驗波序列，沿著單個軸向依次在各試驗頻率上進行試驗。

表3 溫濕度環境試驗條件Table 3 Temperature and humidity environment test conditions

2）單軸加速度時程試驗

該試驗是利用規定的反應譜加速度時程曲線在鑒定樣機的3 個軸向單獨進行，加速度時程曲線需要滿足以下條件：

◇ 強震部分時間需大于10s。

◇ 人工地震波總持續時間需大于20s。

◇ 信號超過其最大值70%峰值的個數應大于6。

◇ 在進行SSE 試驗前，先進行5 次OBE 試驗，OBE水平為SSE 的一半。

3）雙軸加速度時程試驗

沿一對軸同時施加加速度時程曲線，兩個信號是分別合成的，且要符合以下規定：

◇ 強震部分時間需大于10s。

◇ 人工地震波總持續時間需大于20s。

◇ 信號超過其最大值70%峰值的個數應大于8。

◇ 在進行SSE 試驗前，先進行5 次OBE 試驗，OBE水平為SSE 的一半。

在未規定試驗方法時，一般推薦雙軸加速度時程進行試驗，對于試驗阻尼比的選擇，在鑒定試驗中推薦使用5%的阻尼比。在設備技術規格書沒有規定反應譜的情況下，可選用RCC-E 中提供的通用反應譜，如圖2、圖3 所示。

7 結束語

RCC-E 在MC 卷對電氣特性試驗方法和試驗條件進行了詳細的說明，鑒定時可以直接按照設備自身供電特性選擇試驗等級。在極限運行條件下的試驗和設備性能隨時間變化的試驗，都只是規定了試驗的方法和流程，沒有對具體的試驗項目進行細化，執行起來存在一定的難度。因此，在實際的鑒定活動中需要綜合參考設備技術規格書中的鑒定要求和RCC-E 指向的產品標準（IEC 61131-2《可編程控制器測試標準》）、通用標準（IEC 61000 系列標準），并結合設備實際安裝位置的環境條件選擇適合的試驗項目和嚴酷等級。

圖2 通用水平反應譜，阻尼比5%Fig.2 General horizontal response spectrum, damping ratio 5%

針對地震試驗，一般用設備技術規格書中提供的樓層響應譜進行試驗，若規格書中未規定反應譜，也可使用RCC-E 提供的通用反應譜。

本文分析了RCC-E 中關于設備鑒定相關要求，并結合某專用儀控設備實際的鑒定經驗，給核電廠專用儀控設備的鑒定提供了一種新的思路，為核電廠其他專用儀控設備的鑒定提供一定的指導，也為儀控專業相關人員審視鑒定活動與標準的符合性，提供重要的參考價值。

圖3 通用垂直反應譜，阻尼比5%Fig.3 General vertical response spectrum, damping ratio 5%