熱力環境條件分析法鑒定研究

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(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518214)

設備鑒定是確保核安全相關設備在其壽命周期執行其安全功能的保證。設備鑒定的主要方法包括試驗法、分析法以及混合法。通過模擬設備實際工作環境測試設備在工作環境條件下的工作性能的試驗法，是最直接也是可靠的設備鑒定方法。但是，試驗法鑒定通常需要較高的試驗費用和較長的試驗時間。目前全球在運核電機組越來越多，在運核電設備使用經驗也越來越多，基于現有樣機鑒定試驗數據的分析法鑒定得到越來越多的應用。分析法可以通過現有樣機鑒定試驗數據和新機組設備鑒定要求的對比分析，確定現有樣機鑒定試驗是否能滿足新機組的設備鑒定要求。采用分析法鑒定不僅可以減少設備鑒定的時間，也可以減少設備鑒定的費用。

熱力環境條件(包括事故及事故后)是根據機組設計計算得到的，不同機組熱力環境條件存在差異。在采用分析法進行設備鑒定時，需要考慮現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件能否包絡新機組設備鑒定要求的熱力環境條件。

1 鑒定因素

溫度對設備性能的改變方式有瞬態和穩態兩種方式，無論是瞬態效應還是穩態效應，都有可能引發設備性能的改變和損壞[1]。

溫度對設備性能影響的瞬態效應主要體現在溫度變化導致設備不同材料的非同步膨脹產生的應力導致設備材料裂紋和失效。在設備鑒定過程中，溫度的瞬態影響效應可以通過模擬設備在熱力環境條件的升降溫過程中的功能性來進行驗證。

溫度對設備性能影響的穩態效應是通過漸進的理化過程而間接改變的過程，即熱老化。另外，當環境溫度顯著大于設備正常設計溫度時，對于設備上的有機材料，高溫將導致有機材料分子的動能增加，從而加快材料的交聯和斷鏈反應而改變材料的化學結構，從而改變設備宏觀上的理化、機械及電氣特性。因此，在設備鑒定過程中，為了驗證溫度對設備性能影響的穩態效應，不僅需要考慮熱力環境條件的持續時間，同時還需要考慮熱力環境條件中的最高溫度及高溫持續時間。

因此，在采用分析法進行熱力環境條件的鑒定時需要考慮的鑒定因素包括：

1)最大溫度變化速率因素：現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率，能否包絡新機組設備鑒定要求的熱力環境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率；

2)最高溫度因素：現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件中的最高溫度及高溫持續時間，能否包絡新機組設備鑒定要求的熱力環境條件中的最高溫度及高溫持續時間；

3)熱老化效應因素：現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件的熱老化效應，能否包絡新機組設備鑒定要求的熱力環境條件的熱老化效應。

2 鑒定流程

根據熱力環境條件分析法鑒定需考慮的三個鑒定因素，熱力環境條件分析法鑒定可采用的鑒定流程如圖1所示。

圖1 熱力環境條件分析法鑒定流程Fig.1 Process of analysis-qualification for thermodynamic conditions

(1)最高溫度因素包絡性分析

在熱力環境條件分析法鑒定過程中，最高溫度因素包絡性判斷是最直觀的，可直接通過比較現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件曲線和新機組設備鑒定要求的熱力環境條件曲線中的最高溫度及高溫持續時間來判斷。當現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件中的最高溫度及高溫持續時間均大于等于新機組設備鑒定要求的熱力環境條件中的最高溫度及高溫持續時間時，則認為最高因素能包絡。當最高溫度因素不能被包絡時，需要補充證明材料或試驗證明現有樣機能在新機組設備鑒定要求的熱力環境條件中的最高溫度及高溫持續時間下仍能正常工作。

(2)最大溫度變化速率因素包絡性分析

最大溫度變化速率因素的包絡性，是通過比較現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率和新機組設備鑒定要求的熱力環境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率的大小來判斷，當前者大于等于后者則認為可包絡。當最大溫度變化速率因素不能被包絡時，需要補充證明材料或試驗證明現有樣機能在新機組設備鑒定要求的熱力環境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率下仍能正常工作。熱力環境條件中的最大溫度速率可根據熱力環境條件曲線和數值計算得到。

(3)熱老化效應因素包絡性分析

根據熱老化效應與熱力環境條件溫度和持續時間的正相關性，在進行熱力環境條件分析法鑒定熱老化效應因素包絡性判斷過程中，現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件曲線和新機組設備鑒定要求的熱力環境條件曲線的相對關系可以分為如圖2～圖4所示的三種形式。

圖2 樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線1Fig.2 Sample qualification test line and required qualification test line 1

對于圖2所示形式，由圖可直接看出樣機鑒定試驗曲線的溫度大于等于機組鑒定要求曲線對應的溫度，且樣機鑒定試驗曲線持續時間大于機組鑒定要求曲線持續時間。根據熱老化效應與熱力環境條件溫度和持續時間的正相關性，對于圖2所示形式，可以直觀判斷現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件曲線的熱老化效應能包絡新機組設備鑒定要求熱力環境條件曲線的熱老化效應。

圖3所示形式與圖2所示形式剛好相反，樣機鑒定試驗曲線的溫度小于等于機組鑒定要求曲線對應的溫度，且樣機鑒定試驗曲線持續時間小于等于機組鑒定要求曲線持續時間。因此，對于圖3所示形式，也可以直接判斷出現有樣機現有鑒定試驗用熱力環境條件曲線的熱老化效應不能包絡新機組設備鑒定要求熱力環境條件曲線的熱老化效應。為使鑒定通過則需對樣機補充證明材料或試驗進行說明。

圖3 樣機鑒定試驗曲線和機組鑒定要求曲線2Fig.3 Sample qualification test line and required qualification test line 2

對于圖4所示形式，樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線3的熱老化效應無法根據熱老化效應與熱力環境條件溫度和持續時間的正相關性進行直觀判斷。對于這種形式，熱老化效應包絡性可以通過比較樣機鑒定試驗曲線和機組鑒定要求曲線在某一參考溫度下的等效熱老化時長的大小來判斷，當前者大于等于后者則認為可包絡。因此，為了進行圖4所示形式樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線的熱老化效應包絡性判斷，首先需要計算出樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時長。

圖4 樣機鑒定試驗曲線和機組鑒定要求曲線3Fig.4 Sample qualification test line and required qualification test line 3

3 熱老化效應計算

3.1 計算方法

在進行加速熱老化試驗時，通常根據式(1)所示的Arrhenius公式計算加速熱老化時間[2-3]：

t1/t2=exp[(E/KB)(1/T1-1/T2)]

(1)

式中：T1——設備的正常工作溫度(K)；

T2——加速熱老化試驗溫度(K)；

t1——設備的設計壽命(h)；

t2——加速熱老化實驗的時間(h)；

KB——波爾茲曼常數(8.617×10-5eV/K);

E——材料的活化能。

Arrhenius公式的本質是不同溫度下等效熱老化時長的對應關系。因此，對于圖4所示形式的樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線熱老化效應包絡性判斷時，可以通過Arrhenius公式計算兩條曲線在參考溫度下的等效熱老化時長，從而進行判斷。

如圖2至圖4所示，樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線通常為一個變溫的過程，因此在計算樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時長時，需要將式(1)變形為式(2)所示微分形式。通過積分概念的思想，利用計算機編程來計算熱力曲線的等效老化效應。

Δt1=Δt2exp[(E/KB)(1/T1-1/T2)]

(2)

式中：T1——等效熱老化參考溫度(K)；

T2——加速熱老化試驗溫度(K)；

Δt1——T1下的等效熱老化時長(h)；

Δt2——加速熱老化實驗的時間(h)；

KB——波爾茲曼常數(8.617×10-5eV/K);

E——材料的活化能。

根據式(2)可知，當選定一個等效熱老化參考溫度T1后，參考溫度下的等效熱老化的計算結果與微分步長Δt2和活化能E的取值相關。因此，有必要分析微分步長Δt2和活化能E的取值對樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線的熱老化效應包絡性判斷的影響。

3.2 計算分析

3.2.1 Δt2取值分析

當活化能E取0.8 eV，參考溫度T1取90 ℃時，圖4所示的樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時長隨Δt2取值的變化關系如圖5、圖6所示。

圖5 等效熱老化時長隨Δt2變化關系Fig.5 Change of equivalent thermal aging time along with

圖6 等效熱老化時長相對偏差Fig.6 Relative deviation of equivalent thermal aging time

根據圖5所示結果可知，Δt2取不同值時，參考溫度下等效熱老化時長的計算結果基本不變。Δt2的取值的不同不會改變于樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時長的相對大小關系，即不影響樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線的熱老化效應的包絡性判斷。

根據圖6所示的結果知，當Δt2取1×10-3h到1×10-6h計算得到的參考溫度下的等效熱老化時長與Δt2取1×10-6h時計算得到的等效熱老化時長的相對誤差都在10-4以下。考慮計算機程序計算效率，在實際計算過程中Δt2取1×10-4h即可滿足計算要求。

3.2.2E取值分析

根據美國電力研究院的研究結果，絕大多數材料用于熱老化評價的活化能取值可在0.6～0.8 eV范圍內[4-5]。當Δt2取值為1×10-4h，參考溫度T1取90 ℃時，E在0.6～0.8 eV范圍內取不同值時，圖4所示的樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時長隨E的變化關系如圖7所示。

圖7 等效熱老化時長隨活化能E的變化關系Fig.7 Change of equivalent thermal aging time with active energy E

根據圖7所示結果可知，活化能E的取值對于樣機鑒定試驗曲線或機組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時長的計算結果影響很大，參考溫度下的等效熱老化時長與活化能E成正相關性，即E的取值越大，計算得到的結果越保守。但是，活化能E的選取不會改變樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時長的相對大小關系，即不影響樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線的熱老化效應包絡性判斷。

由于活化能E的選取對于參考溫度下的等效熱老化時長的計算結果影響很大，因此在實踐過程中，為了提高參考溫度下等效熱老化時長計算結果的準確性，需要準確確定設備的活化能E。當能夠準確計算樣機鑒定試驗曲線與機組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時長時，計算結果可以用來指導準備后續的補充證明材料或試驗來進行進一步的熱老化效應包絡性分析。在實踐中，當無法準確確定設備的活化能E時也可取一個較大的活化能E值來進行計算。這種情況下可以得到一個更加保守的計算結果。

4 結論

本文根據溫度對于設備性能影響的兩種效應，總結了采用分析法開展熱力環境條件鑒定時需要考慮的鑒定因素，并據此設計了一種用于熱力環境條件分析法鑒定的鑒定流程。

本文根據熱老化效應與熱力環境條件溫度和持續時間的正相關性，對現有樣機鑒定試驗用熱力環境條件曲線和新機組設備鑒定要求的熱力環境條件曲線的相對關系進行了分類。并基于Arrhenius公式編寫了熱老化效應計算程序，分析了計算程序中的微分步長Δt2和活化能E的取值對熱老化效應包絡性判斷的影響。計算機程序不僅可以用來進行熱力環境條件分析法鑒定中的熱老化效應包絡性判斷，還能用于指導補充證明材料或試驗進行進一步的熱老化效應包絡性分析。