華龍一號(hào)核電廠安全級(jí)儀控就地盤箱柜的鑒定

聶洪權(quán)，鄭 燃，王 欣

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

隨著三代核電技術(shù)的日趨成熟，安全級(jí)設(shè)備的鑒定要求也越來(lái)越高。在華龍一號(hào)(ACP1000)核電廠內(nèi)，安全級(jí)儀控就地盤箱柜作為核電廠設(shè)備控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量、模擬量的信號(hào)匯集，就地控制設(shè)備的控制、指示、電源配電以及電纜轉(zhuǎn)接等功能，具有數(shù)量眾多、功能要求各異、內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異大、設(shè)備安裝環(huán)境十分復(fù)雜等特點(diǎn)。為了保證核電廠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，安全級(jí)儀控就地盤箱柜樣機(jī)的設(shè)備鑒定便顯得尤為重要[1]。設(shè)備鑒定的目的是為了證明安全級(jí)重要設(shè)備在需要時(shí)及時(shí)投運(yùn)，可以滿足系統(tǒng)所需的性能要求；在設(shè)計(jì)壽期內(nèi)，正常工況及事故工況產(chǎn)生的環(huán)境條件下，能夠執(zhí)行其安全功能。設(shè)備鑒定的實(shí)質(zhì)也是為了證明安全級(jí)重要設(shè)備具備核安全功能的過(guò)程[2-4]。本文根據(jù)華龍一號(hào)核電廠實(shí)際工況，以及新增的鑒定要求，確定鑒定程序，選擇適合的樣機(jī)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析、計(jì)算，使樣機(jī)最終通過(guò)鑒定試驗(yàn)，為后續(xù)設(shè)備鑒定提供借鑒和參考。

1 鑒定需求

1.1 鑒定等級(jí)

RCCE—2005版B卷相關(guān)要求如下[5]。

K1類:適用于安裝在安全殼內(nèi)、應(yīng)在正常運(yùn)行條件、事故條件、事故后條件(必要時(shí))以及地震荷載下保證完成其功能的設(shè)備。

K2類：安裝在安全殼內(nèi)，可在正常運(yùn)行工況和地震荷載下工作的設(shè)備。

K3類:適用于安裝在安全殼外、應(yīng)在正常運(yùn)行條件和地震荷載下，以及必要時(shí)在惡化的環(huán)境條件下保證完成其功能的設(shè)備。

根據(jù)華龍一號(hào)項(xiàng)目設(shè)備分級(jí)情況，安全級(jí)儀控就地盤箱柜可分為K1類和K3類。

1.2 設(shè)計(jì)要求

①設(shè)計(jì)壽命增加。

以往項(xiàng)目，儀控就地盤箱柜的使用壽命一般為K1類40年、K3類為10年。而華龍一號(hào)項(xiàng)目對(duì)于K1使用壽命要求是60年，K3類不變。因此，需要根據(jù)環(huán)境條件，對(duì)設(shè)備老化試驗(yàn)進(jìn)行重新計(jì)算。

②新增K3類就地盤箱柜耐輻照鑒定要求。

由于RCCE—2005版在引入嚴(yán)重事故條件鑒定程序概念的同時(shí)，也增加了嚴(yán)重事故下設(shè)備“必須使用”的概念。為了確保這些設(shè)備在嚴(yán)重事故條件下能夠正常運(yùn)行，對(duì)于安全殼外的安全級(jí)就地盤箱柜，也需要考慮耐輻照鑒定。即K3類就地盤箱柜需要進(jìn)行耐輻照鑒定，這是華龍一號(hào)對(duì)安全級(jí)儀控設(shè)備新增加的鑒定要求。

③核電廠設(shè)計(jì)參數(shù)變化。

與以往核電站相比，華龍一號(hào)地面加速度峰值由0.2 g提高至0.3 g，這對(duì)就地盤箱柜的抗震鑒定提出了更高的要求。因此，需要對(duì)其箱體結(jié)構(gòu)、支架等進(jìn)行改進(jìn)，以滿足試驗(yàn)要求，確保設(shè)備在此工況下可以正常執(zhí)行其規(guī)定的功能。

以上是華龍一號(hào)在設(shè)計(jì)要求上與以往項(xiàng)目的差別。本文通過(guò)對(duì)鑒定試驗(yàn)內(nèi)容的詳細(xì)設(shè)計(jì)，確保儀控就地盤箱柜能夠順利通過(guò)各項(xiàng)鑒定試驗(yàn)。

2 鑒定程序

2.1 樣機(jī)選型原則

由于儀控就地盤箱柜類型較多，箱型尺寸、安裝方式、結(jié)構(gòu)形式以及內(nèi)部元件都有較大差異，且安裝位置遍布全廠，因此鑒定樣機(jī)的選擇應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面[6]。

①功能代表性。樣機(jī)應(yīng)具有與被鑒定設(shè)備在事故工況、事故后工況以及地震期間和地震之后執(zhí)行的功能相同或相近代表性。

②機(jī)械結(jié)構(gòu)代表性。樣機(jī)應(yīng)具有與被鑒定設(shè)備相似的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性，充分考慮其包絡(luò)代表性及保守性。

③包絡(luò)部件或元件的代表性。樣機(jī)應(yīng)包含所代表的被鑒定設(shè)備中的各類部件或元件，并考慮到實(shí)際設(shè)備的安裝位置以及內(nèi)部安裝元件和實(shí)現(xiàn)功能最多。

④接口和連接的代表性。設(shè)備樣機(jī)應(yīng)充分考慮到被鑒定設(shè)備的實(shí)際安裝方式以及與外部的電氣連接和電纜,并選擇安裝方式中最為苛刻的固定方式為設(shè)備樣機(jī)安裝方式。

根據(jù)以上四個(gè)方面的要求，結(jié)合現(xiàn)有箱型經(jīng)過(guò)充分的分析論證，選出具有典型性、包絡(luò)性且最不利于抗震的箱型；箱內(nèi)元器件應(yīng)涵蓋所有類型且元器件在箱內(nèi)的布置也以最接近實(shí)際安裝位置為原則；就地箱功能應(yīng)選取典型的調(diào)節(jié)、控制回路。

2.2 鑒定要求

儀控就地盤箱柜對(duì)于鑒定等級(jí)、質(zhì)保等級(jí)、防護(hù)等級(jí)、抗震等級(jí)以及使用壽命有嚴(yán)格的要求。鑒定要求如圖1所示。

圖1 鑒定要求

除此之外，華龍一號(hào)與以往項(xiàng)目正常運(yùn)行期間的環(huán)境條件也不相同，尤其是環(huán)境溫度、大氣壓等參數(shù)不同。正常運(yùn)行期間環(huán)境條件如表1所示。

表1 正常運(yùn)行期間環(huán)境條件

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

安全級(jí)儀控就地盤箱柜包含K1類和K3類樣機(jī)的鑒定試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目的分析，其鑒定試驗(yàn)內(nèi)容存在一定差異[7-9]。鑒定試驗(yàn)如表2所示。

表2 鑒定試驗(yàn)

3 鑒定試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)方法選擇

根據(jù)RCCE—2005版B卷描述，安全級(jí)設(shè)備的鑒定可以采取試驗(yàn)法、分析法或者混合法。在試驗(yàn)法中，設(shè)備應(yīng)經(jīng)受設(shè)計(jì)規(guī)定的環(huán)境條件和運(yùn)行條件，同時(shí)在這些條件下測(cè)定其性能。由于該方法屬于型式試驗(yàn)，因此必須有一定數(shù)量的樣機(jī)能夠涵蓋設(shè)備的所有類型。分析法是通過(guò)定性或定量的論證證明該設(shè)備具有完成期望能力的功能，同時(shí)分析法中應(yīng)包括對(duì)所采用方法、理論和假設(shè)正確性的論證。雖然分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果外推和確定局部的設(shè)計(jì)變更對(duì)已試驗(yàn)過(guò)的設(shè)備的影響是有效的，但一般情況下僅用分析法對(duì)就地盤箱柜進(jìn)行質(zhì)量鑒定則顯得過(guò)于復(fù)雜。混合法則是將試驗(yàn)法和分析法相結(jié)合。

通常來(lái)說(shuō)，對(duì)于環(huán)境鑒定，一般采用試驗(yàn)方法。對(duì)于抗震鑒定，其鑒定方法的原則是：對(duì)于能動(dòng)(即通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其安全功能)的安全級(jí)電氣設(shè)備，應(yīng)采用試驗(yàn)方法。而華龍一號(hào)的安全級(jí)儀控就地盤箱柜則屬于試驗(yàn)法范疇，因此安全級(jí)就地盤箱柜的鑒定采用試驗(yàn)法。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 熱老化溫度計(jì)算

熱老化試驗(yàn)的原則是：既要盡可能地縮短老化時(shí)間，又要確保設(shè)備元器件不因?yàn)闇囟冗^(guò)高而損壞。因此，老化溫度應(yīng)低于元器件材料的耐受允許值，并留有一定的裕量。大量的試驗(yàn)與研究顯示，非聚合類(金屬、礦物質(zhì)、陶瓷、玻璃等)對(duì)溫度效應(yīng)不敏感，即不存在熱老化機(jī)理。而對(duì)于聚合類材料，當(dāng)所含非金屬材料的熱壽命大于合格鑒定壽命目標(biāo)值的3倍時(shí)，即可判定為無(wú)明顯熱老化機(jī)理[10]。

考慮到儀控就地盤箱柜的鑒定壽命以及存在老化機(jī)理的設(shè)備/部件均為有機(jī)材料，因此熱老化試驗(yàn)通常采用基于阿倫紐斯定律的熱老化試驗(yàn)方法。公式如下：

(1)

式中：t1為鑒定壽命；t2為加速老化時(shí)間；φ為材料的活化能；k為玻爾茲曼常數(shù)；T1為正常環(huán)境溫度；T2為加速老化溫度。

3.2.2 輻照劑量計(jì)算

根據(jù)RCCE—2005版提出嚴(yán)重事故下設(shè)備“必須使用”的概念，對(duì)于安全殼外的安全級(jí)儀控就地盤箱柜，需要考慮耐輻照鑒定。同時(shí)，根據(jù)華龍一號(hào)殼外劑量對(duì)設(shè)備影響的情況，首先界定了對(duì)于老化敏感的設(shè)備，如果設(shè)備暴露在100 Gy(對(duì)于微型設(shè)備或IC電子設(shè)備和微處理器為10 Gy)以上輻照環(huán)境條件的應(yīng)考慮進(jìn)行輻照老化鑒定。對(duì)于K3類儀控就地盤箱柜，應(yīng)歸為微型設(shè)備或IC電子設(shè)備和微處理器分類，即暴露在超過(guò)10 Gy的環(huán)境下就需要進(jìn)行耐輻照鑒定。

K3類儀控就地盤箱柜耐輻照鑒定所需劑量主要由以下兩部分組成。

①壽期內(nèi)正常運(yùn)行累計(jì)劑量。

②嚴(yán)重事故下必須使用的就地盤箱柜所在房間，在事故后的累計(jì)劑量。

由于K3類就地盤箱柜的耐輻照鑒定劑量主要來(lái)自于嚴(yán)重事故后累積劑量，因此對(duì)嚴(yán)重事故下必須執(zhí)行安全功能的設(shè)備進(jìn)行整理分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重事故下必須執(zhí)行安全功能的儀控就地盤箱柜均為接線箱，并不包含電子類及機(jī)電類元件。因此，只要K3類接線盒能夠滿足殼外嚴(yán)重事故環(huán)境條件下的耐輻照試驗(yàn)劑量，即可保證K3類設(shè)備能在嚴(yán)重事故下執(zhí)行相應(yīng)的安全功能。

對(duì)于其他K3類就地盤箱柜，則只需考慮正常壽期累計(jì)劑量和基準(zhǔn)事故下累計(jì)劑量即可。

而電子類元器件依然無(wú)法滿足該條件下的耐輻照要求，因此考慮對(duì)電子類元件進(jìn)行100 Gy的耐輻照試驗(yàn)。該數(shù)值可涵蓋殼外除橙區(qū)之外所有廠房的10年正常運(yùn)行累計(jì)劑量。而經(jīng)過(guò)排查，橙區(qū)內(nèi)的K3類儀控就地盤箱柜內(nèi)的確不含有電子類元器件。若按照以上分段進(jìn)行耐輻照試驗(yàn)依然無(wú)法通過(guò)，則只能通過(guò)布置手段規(guī)避輻照劑量比較高的房間。

3.2.3 抗震鑒定試驗(yàn)

抗震鑒定試驗(yàn)是為了驗(yàn)證鑒定樣機(jī)(樣機(jī)上安裝有經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)的原件)在地震荷載的作用下和/或作用后能否正常工作，保證其完整性和可運(yùn)行性，以履行其安全功能。儀控就地盤箱柜一般采用多頻法、雙向人工時(shí)程試驗(yàn)法，使用所有廠房設(shè)備安裝位置標(biāo)高最高的樓層反應(yīng)譜的包絡(luò)譜作為要求的地震反應(yīng)譜，阻尼比選為5%。在抗震試驗(yàn)前、后均應(yīng)重復(fù)進(jìn)行基準(zhǔn)性能試驗(yàn)，并在抗震試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行功能試驗(yàn)，以便檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果的可接受性。

根據(jù)抗震要求的特點(diǎn)，在鑒定樣機(jī)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)考慮對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的加固和特殊設(shè)計(jì)，以確保滿足抗震試驗(yàn)的要求。

①對(duì)鑒定樣機(jī)進(jìn)行加固，確保結(jié)構(gòu)在抗震鑒定中的完整性。例如樣機(jī)上下采用2個(gè)不銹鋼手柄螺栓進(jìn)行固定，中間采用門鎖進(jìn)行固定，門鎖鎖舌行程為右旋，通過(guò)角度止旋卡位，鎖舌加長(zhǎng)并折彎加筋，增加鎖舌剛性強(qiáng)度，保證控制箱門與門框的牢固鎖合。

②調(diào)整鑒定樣機(jī)安裝支架固定板尺寸及厚度，避免由于支架剛性強(qiáng)度不夠而引起的加速度差異。

③調(diào)整鑒定樣機(jī)安裝支架的固定螺栓。

抗震試驗(yàn)按下列順序進(jìn)行：試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、外觀及結(jié)構(gòu)檢查、電氣性能檢查(抗震試驗(yàn)前、后)。進(jìn)行抗震試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備需處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

本項(xiàng)目在X、Y、Z方向的最大地震反應(yīng)譜包絡(luò)譜如圖2所示。

圖2 最大地震反應(yīng)譜包絡(luò)譜圖

3.2.4 嚴(yán)重事故環(huán)境試驗(yàn)

對(duì)于安全殼內(nèi)應(yīng)用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故的K1類鑒定樣機(jī)，除上述鑒定試驗(yàn)外，還需考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故溫度壓力鑒定試驗(yàn)及嚴(yán)重事故溫度壓力鑒定試驗(yàn)[6-7]。其中，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故溫度壓力鑒定試驗(yàn)需根據(jù)行標(biāo)EJ/T 1197相關(guān)要求[8]。LOCA鑒定曲線如圖3所示。

圖3 LOCA鑒定曲線

LOCA鑒定試驗(yàn)各階段試驗(yàn)內(nèi)容如表3所示。

表3 LOCA鑒定試驗(yàn)各階段試驗(yàn)內(nèi)容

4 鑒定試驗(yàn)結(jié)果及改進(jìn)

4.1 鑒定試驗(yàn)結(jié)果

K1類鑒定樣機(jī)經(jīng)過(guò)所有鑒定試驗(yàn)后，需要進(jìn)行基準(zhǔn)性能試驗(yàn)。K1類樣機(jī)鑒定試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 K1類樣機(jī)鑒定試驗(yàn)結(jié)果

K3類鑒定樣機(jī)經(jīng)過(guò)所有鑒定試驗(yàn)后，需要進(jìn)行基準(zhǔn)性能試驗(yàn)。K3類樣機(jī)鑒定試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 K3類樣機(jī)鑒定試驗(yàn)結(jié)果

由表4、表5中的試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)所有鑒定試驗(yàn)后，K1、K3類鑒定樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果均滿足鑒定要求。

4.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

在K1類樣機(jī)元器件鑒定過(guò)程中，老化試驗(yàn)后出現(xiàn)個(gè)別電纜密封頭產(chǎn)品密封圈焦化失去彈性的情況。由于前期設(shè)計(jì)選型中已選取冗余器件，因此，可將改類型電纜密封頭從樣機(jī)清單中刪除，并且使用通過(guò)鑒定試驗(yàn)的元器件完成所需的功能要求。

另外，在事故輻照后，出現(xiàn)個(gè)別橡膠密封圈單行降低、容易斷裂的情況。這對(duì)實(shí)際工況下的使用是非常不利的。因此，可以使用金屬不銹鋼墊圈替代原非金屬材料墊圈，以滿足嚴(yán)重事故后的環(huán)境條件。

5 結(jié)論

華龍一號(hào)安全級(jí)儀控就地盤箱柜在鑒定方面較以往項(xiàng)目有了更加嚴(yán)格的要求，對(duì)設(shè)計(jì)以及鑒定也帶來(lái)了非常大的影響。本文通過(guò)鑒定試驗(yàn)不斷改進(jìn)，提出合理、有效的鑒定方法。

①根據(jù)阿倫紐斯定律的計(jì)算樣機(jī)熱老化時(shí)間，并且根據(jù)各工況條件選取適合的元器件，使得樣機(jī)滿足鑒定壽命要求，順利通過(guò)熱老化鑒定試驗(yàn)。

②提出K3類儀控就地盤箱柜耐輻照劑量計(jì)算方法，試驗(yàn)結(jié)果可以滿足K3類設(shè)備在不同輻照劑量條件下使用要求。

③通過(guò)對(duì)箱體結(jié)構(gòu)、安裝支架的改進(jìn)，同時(shí)對(duì)全廠地震反應(yīng)譜進(jìn)行包絡(luò)，使得設(shè)備順利通過(guò)抗震鑒定試驗(yàn)。

④本文給出儀控就地盤箱柜嚴(yán)重事故環(huán)境的鑒定依據(jù)、鑒定步驟以及K1、K3類樣機(jī)鑒定試驗(yàn)后的基準(zhǔn)性能試驗(yàn)結(jié)果，以證明本華龍一號(hào)安全級(jí)儀控就地盤箱柜順利通過(guò)了所有鑒定試驗(yàn)，為后續(xù)項(xiàng)目提供了良好的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，該研究也為應(yīng)對(duì)后續(xù)核電廠更復(fù)雜工況下的安全級(jí)設(shè)備鑒定奠定了基礎(chǔ)。