電儀設備EQML的篩選方法研究

劉 華，游 洲，劉亞男，劉飛洋，王 偉，歐陽宏志，王新林

（1.南華大學電氣工程學院，湖南 衡陽 421001；2.中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術國家級重點實驗室，成都 610041）

環境鑒定是設備鑒定的主要內容之一，是驗證設備在正常與事故環境條件下的性能[1]。依據已有運行經驗，電儀設備異常導致的自動或強迫停堆檢修事件屢有發生，運行許可證延續（OLE）非常關注電儀設備的正常運行[2]。進行OLE必須開展電儀設備的環境鑒定（EQ）管理活動，確保處于嚴酷環境中的電儀設備在受到服役期間的老化影響后，仍具有在嚴酷環境中實現其預期功能的能力。鑒于上述原因和工程背景，在執照更新中，選取對核電廠安全運行有影響的電儀設備，形成環境鑒定電儀設備清單，作為環境鑒定時限老化分析（TLAA）的對象，需要開展設備鑒定物項清單（EQML）篩選方法研究。

1 電儀設備篩選的背景

1.1 電儀設備簡介

本文涉及的電儀設備是指安全重要且處于嚴酷環境下的電儀設備，該類設備通常可分為3類：①安全相關的電儀設備；②非安全相關的電儀設備，但其失效能夠影響安全相關電儀設備實現其預期功能；③事故后監測設備。嚴酷環境是指核電廠假想的設計基準事故和事故后工況下的預期環境，如由安全殼內的失水事故、主蒸汽管道破裂和高能管道破裂工況，安全殼外的高能管道破裂，或失水事故后工況引起的預期環境。

EQML指核電廠許可證持有者制定的需要環境鑒定的電氣設備清單。基于TLAA的EQML電儀設備篩選是基于電廠的執照更新和整體電廠評估來實施開展的。電儀設備EQML的篩選方法存在差異，各有特點和側重。

1.2 電儀設備篩選方法和程序的定位

按 照 導 則NEI95-10[3]、NUREG 1800[4]章 節4.4及NUREG1801[5]章節VI.B，電氣設備的環境鑒定是TLAA要考慮的組成部分，并應按照10CFR50.49進行。特別的，根據10CFR50.49(c)所述的環境鑒定不包括電氣設備的動態和抗震鑒定以及和緩環境下的環境鑒定。通常考慮的對象為電氣設備中的有機聚合物及金屬材料（NUREG1801 VI.B），通常的條件包括冷卻劑喪失事故LOCA、高能管道破裂HLB以及LOCA后的環境（如高熱、輻照、氧化、潮濕等惡劣環境）。因此，對于和緩環境下的電氣設備，如無顯著的老化機理，無需確定鑒定壽命。在這種情況下，無需開展復雜的TLAA分析，按照電廠正常的試驗維護程序進行管理即可。

電儀設備篩選方法、程序，可以從下面幾個方面進行定位：

1）實際電廠角度：篩選方法和程序應該與每個核電廠的實際情況結合起來，體現一定的靈活性和適應性。

2）項目實踐角度：電儀設備篩選方法和程序應該在尊重老化管理審查框架的基礎上，還要注重效率，適當優化，減少人力、物力的占用和消耗。篩選方法和程序應該體現出一定的EQML篩選收斂性。

3）工程學科角度：不同類型的設備或設備組，篩選方法和程序應該充分考慮這些設備的物理特點、環境特點、運行特點等。篩選方法和程序應該體現EQML的電儀設備對應性。

4）老化管理審查角度：EQML篩選方法和程序應該與儀控電設備老化管理的設備篩選方法具備承接特性和一致性。國外已有執照更新體系的角度：從宏觀角度，對國際原子能組織IAEA、法國、美國等主要技術體系的兼收并蓄，各取所長。IAEA長周期運行，基于全生命周期的老化管理，內容的系統性好；法國開展每10年的定期安全審查PSR；美國的執照更新，在核電廠40年運行基礎上再延長20年；從操作和細節角度，美國執照更新體系的電儀設備環境鑒定和TLAA可操作性強，依據具體、明確的篩選準則，評估和審查的流程簡潔，邏輯清晰。因此，篩選方法和流程可以遵循美國的體系為主，IAEA的作為輔助參考。

1.3 老化管理的設備篩選方法

核電廠取得執照更新，EQML篩選需要充分結合已有的老化管理審查中使用的篩選方法和結論，從而使審查耗費的調查、時間和人力并不像預期那么多。

電站空間方法是執行電站范圍老化管理審查的一種方法。一些電廠將這種方法作為篩選和篩除程序的一部分。在篩選過程中，除特別篩除的電纜外，所有電纜都被認為在篩選范圍內。在電廠規定的大范圍（比如反應堆廠房、進水建筑物等）內，比較部件材料的老化特性與運行環境下的理論老化特性，以判定這些區域的材料是否提前老化。

邊界方法學，也是執行電站范圍老化管理審查的一種方法。初步篩選范圍主要包括所有的電站系統，進一步的篩選（擴展功能篩選）在篩選階段進行。從電廠電氣部件中篩選出非能動和長壽命部件，然后從留下的電氣設備組中進行再篩選（延伸功能篩選）。這些是通過采用類似電站空間方法對絕緣電纜和連接件進行審查來實現的。

1.4 考慮設備特性的電儀設備篩選

電儀設備篩選不同于機械設備的篩選。因為電氣和機械部件存在著一個基本區別是大多數電氣部件是非能動的而被篩除在整體電廠評估范圍外，另一個主要區別是機械部件的內環境比外環境老化跡象明顯。而電氣部件正好相反，其外環境通常老化的跡象即環境惡化的程度更明顯。例如，核電廠最大的電氣設備組——電纜和連接件在普通的電廠區域都有分布。在同一區域的電纜和連接件暴露在相同的外部環境中。

2 電儀設備篩選方法探討

2.1 系統邊界篩選方法

系統邊界篩選方法的基本出發點是電廠里的所有電氣和儀控系統都包含在執照更新范圍內。系統邊界篩選方法的范圍是最寬的，即電廠里的全部電氣和儀控系統[6]。

一般來說，系統邊界篩選方法默認的結論是所有的電氣和儀控系統都屬于執照更新范圍，這體現了一種用于電氣系統整體電廠評估的方法。這與機械系統和構筑物篩選的常規方法不同。由于該方法的篩選范圍過于寬泛，所以時間消耗大，效率低，操作起來不方便。

2.2 系統級預期功能篩選方法

系統級預期功能篩選方法具有較好的適應性和靈活性。不同于系統邊界篩選方法，系統級預期功能篩選的范圍縮小了，只在具有執照更新預期功能的系統中篩選即可。出發點可以說是基于執照更新預期功能為導向，這種方法需要鑒別和標識部件或部件類型。系統級預期功能篩選方法體現了做減法和層次性的思想，篩選的效率提高了。第一個層次的篩選和做減法：不具有執照更新預期功能的系統，就被篩除，不作為EQML集合里的系統或設備；第二個層次的篩選和做減法：非能動部件和長壽命部件因為不是老化管理審查的對象，被篩除出去，不作為EQML集合里的設備。采用這種方法，可以在篩選過程中，有效率地排除核電廠空間內任何沒有執照更新預期功能設備的區域，還能邏輯清晰地排除能動部件和短壽命部件，從而節省人力物力，提高篩選效率。

2.3 全系統和部件篩選方法

全系統和部件篩選方法依據美國聯邦法規§54.4中的標準，對相應系統中的電氣系統和部件進行細粒度的篩選，包括每一根絕緣電纜。§54.4涉及的篩選很寬泛，這種方法收斂性不好，EQML的結果過于龐雜，還需要依賴電纜數據庫。這種方法花費大，收益低，不建議使用[7]。

3 EQML篩選過程的考慮因素

EQML的篩選，是一個嚴謹的過程。篩選過程是與篩選方法緊密結合的。

1）最優篩選

電儀設備的EQML篩選實施過程中，最優的篩選方法和程序沒有絕對固定的衡量標準，有很多考慮因素，例如核電廠的現行執照基準（CLB）、實際運行經驗、其他核電廠運行經驗反饋以及核電廠現有的工程評估結果。在某個核電廠最優篩選可能意味著篩選留下的部件數量最小，在另一個核電廠最優篩選可能意味著篩選需要花費的時間和人力最少。

2）篩選結果的數量比例

非能動和長壽命部件的篩除，使老化管理審查刪除了大部分電氣部件。例如，非能動部件篩除，使NEI 95-10附錄B中90%以上的電氣設備組沒進入EQML。

3）篩選的粒度

篩選的粒度即篩選的精細程度。§54.4中的篩選規程沒有規定具體細化的篩選行為，而是提供了確定部件或系統是否屬于審查范圍的判斷標準。基于篩選準則，可操作性強。

4）篩選的時間點

一般來說，篩選可以在任何時候執行。對于絕緣電纜和連接件，如果將篩選推遲到AMR末尾的時間段，可以限制篩選次數。采用邊界方法時，篩選時間點可以是在役檢查期間（執照更新申請提交后）或老化管理大綱的實施執行期間。任何時候都可能出現部件不符合§54.4篩選標準的情況，鑒于執照更新要求的考慮，可以將其刪除。這為篩選程序提供了靈活性和機動性，而又不會增加過多工作量。

4 篩選方法的應用

系統級預期功能篩選作為美國核電廠許可證更新工作中的電儀設備篩選方法，具有可操作性強的優點，同時具備時間和效率優勢。多個運行核電廠均采用此方法，例如美國的Palisades核電廠、Point Beach核電廠、Oconee 核電廠、ANO-1核電廠等。結合國內運行許可證延續工作的開展和實踐，篩選方法和篩選過程的操作與美國核電廠的系統級預期功能篩選方法一致。

4.1 對電儀設備系統級篩選

篩選需識別各電儀系統所執行的功能。根據10CFR54.4(a)，屬于許可證延續考慮范圍內的系統的3條具體篩選判定準則如下：

1）篩選準則1：安全有關的系統、設備和部件

即系統在設計基準事故中和事故后需承擔或者支持以下功能：保持反應堆冷卻劑壓力邊界的完整性，保持停堆和維持停堆狀態的能力，防止放射性外泄事件或緩解外泄事件的后果，具體以CLB為準（10CFR54.4(a)(1)）。

2）篩選準則2：不執行安全功能的系統

不執行安全功能的系統，但系統的失效會影響準則1對安全有關系統執行其安全功能（10CFR54.4(a)(2)）。

3）篩選準則3：安全分析或電廠評估中依靠其功能，從而滿足防火（10CFR50.48）、環境鑒定（10CFR50.49）、承壓熱沖擊（10CFRS0.61）、未能緊急停堆的預期瞬態（ATWS）（1OCFR50.62），和全廠斷電（10CFR50.63）等功能的構筑物、系統和部件10CFR54.4(a)(3)。

針對每個電儀系統，根據上述3條篩選準則進行分析和篩選，對于篩選出來的系統，以表的形式進行匯總統計，具體見表1。

表1 系統級篩選清單（示例）Table 1 System-level screening list (example)

4.2 設備和部件篩選

在上述系統級篩選的基礎上，進一步確定需進行時限老化分析的設備和部件，篩選出需要時限老化分析的設備清單。根據10CFR54.3和NEI95-10的要求，篩選出的設備和部件必須完全滿足下述6條具體判定準則和有關CLB的鑒定要求：

1）在3.5.1系統級篩選的范圍內。

2）涉及老化效應的計算和分析，如材料損失、韌性降低、預應力降低、沉降、開裂、絕緣性能降低等。

3）目標期限為當前許可證年限，即30年。

4）電廠確定的與安全決策相關的計算和分析。

5）經3.5.1篩選出的電儀設備需執行預期功能，該設備和部件應能支撐上述功能或提供與結論依據相關的計算和分析。

6）CLB所包含或引用的計算和分析，分析結果以參考文件的形式納入CLB。

篩選和判定的邏輯：

上述6條準則，電儀系統及其設備只要有一條不滿足，就不進入篩選范圍，即不考慮TLAA；電儀系統及其設備必須6條準則全部滿足，才進入篩選，接下來開展TLAA分析。根據上述要求和CLB，篩選出需要滿足設備鑒定要求的電儀設備完整清單，篩選最終結果詳見表2。

表2 需要時限老化分析的設備清單（示例）Table 2 List of equipment requiring time-bound aging analysis (example)

5 總結

本文介紹電儀設備的宏觀范圍、篩選的意義和工程背景，分析了系統邊界篩選方法、系統級預期功能篩選方法、全系統和部件篩選方法；其次，探討了EQML篩選過程的考慮因素；最后，給出了一個適合國內運行核電廠的電儀設備EQML篩選方法和篩選過程，以及應用篩選方法后的篩選結果示例。通過電儀設備EQML篩選方法研究，從理論角度為運行核電廠的許可證延續提供方法支撐，助力國內運行核電廠的延壽實踐，積極推動和保障核電廠的安全運行，為國家的核能發展和雙碳目標貢獻力量。