不同鑒定標準對核電站閥門鑒定的影響分析及評價

□龔 釗 曲昌明 張 衛 李棟梁

一、概述

HAF 102[1]和IAEA安全標準文件SSR-2/1[2]要求，必須采用設備鑒定來確認核電站安全重要物項能夠在其整個設計運行壽期內滿足處于需要起作用時的環境條件下執行其安全功能的要求。IAEA在安全報告系列文件的第46號文件[3]指出，通過設備鑒定，能夠提高核電站縱深防御的能力。

鑒定是指：制造和維持證據以證明設備能夠按要求運行以滿足系統運行的要求。設備鑒定通常包括老化、抗震鑒定和環境鑒定。

閥門是核電站中重要組成部分。核電站運行的安全保障由大大小小的各種回路來實現，而實現其功能，管路上的各類閥門是必備的設備，閥門在各種工況下的可靠運行對核電站來講至關重要。此外，核電站在設計上采用的安全準則是多重屏障和縱深防御，作為第三道屏障的相關設備，例如安全殼隔離閥和止回閥，對電站的安全性更有著不可或缺的作用。核電站安全級的閥門，必須通過鑒定的方式證明閥門能夠滿足該閥門所在系統對其的安全要求。

由于閥門的鑒定的重要性，核電站閥門鑒定工作越來越得到重視。其中閥門標準研究和建設是閥門鑒定工作的重要組成部分。目前國內主要使用的核電閥門鑒定的相關標準如表1所示。

正是有了完善的鑒定標準，閥門鑒定才能有據可依的進行。但是在鑒定實踐中，發現對于同樣的鑒定項目，不同的鑒定標準的要求卻不完全一致，甚至會有沖突。如何選取適當的標準，成為閥門鑒定實踐中的一個突出問題。

為了研究這個問題，本文結合國內核電閥門鑒定實際工作，找出了相關鑒定標準中不一致的鑒定項目：涉及到熱老化試驗、輻照試驗、基頻測定試驗以及閥門執行機構的振動老化試驗等；針對這些標準要求不一致的鑒定項目，本文逐一分析，并對其進行評價，以便更好地開展后續閥門鑒定工作。

表1 閥門鑒定的相關標準

二、熱老化試驗

熱老化試驗的目的是使設備在設計基準事件試驗之前處于預計(熱)壽命末期。

RCC-E對于熱老化的要求引用了NF M64-001(1991版)“核事故環境的電氣設備鑒定”，NF M64-001給出了熱老化試驗時間的計算公式為：

(1)

式中t為試驗時間，θ為試驗溫度，最小試驗溫度為100小時。該計算公式未明確說明對應的鑒定時間，但根據M310工程實踐，其對應的是鑒定壽命為40年時的熱老化時間，如果鑒定壽命為其他時間，則相應進行比例換算。

IEEE 382對于熱老化的要求引用了IEEE 1205-2000“核電站用1E級設備老化影響的評價、監視和減輕”，進行熱老化試驗的公式為：

t2/t1=exp{(φ/k)[(1/T2)-(1/T1)]}

(2)

式中t2為鑒定壽命，t1為熱老化試驗時間，φ為材料的活化能，k為波爾茲曼常數0.8617x10-4Ev/K，T1為正常使用的環境溫度，T2為熱老化的試驗溫度。IEEE 1205-2000并未對活化能做進一步規定，但在其他的標準或資料中，對于活化能有相關規定。

NB/T 20079對熱老化的試驗要求引用了GB/T 2423.2-2008“電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗B：高溫”，并且規定：“如果缺少計算數據，可以使用10℃定律，40年壽命可使用135℃，950小時進行老化試驗。”這個要求與RCC-E的要求相同。

NB/T 20093對老化的試驗要求引用了GB/T 12727“核電廠安全系統電氣設備質量鑒定”，NB/T 20086“核電廠安全級電氣設備老化評估、監測和緩解”和IEEE 101-1987“熱時效試驗數據的統計分析指南”等標準。其中只有NB/T 20086給出了熱老化公式，與IEEE 1205公式相同。

以環境溫度40℃，試驗溫度135℃，活化能0.8eV，鑒定壽命40年為輸入，可以根據RCC-E的計算公式得到熱老化試驗時間；設定不同的活化能數值，則可以根據IEEE 1205計算得到熱老化試驗時間。如表2所示。

表2 熱老化試驗時間示例

從表2可以看出，在其他輸入一定的情況下，選取不同的活化能，對IEEE 1205計算得到的熱老化試驗時間影響很大；而RCC-E則為定值，等于IEEE 1205以活化能0.692eV計算的結果。

單個材料可能具有多種熱退化的物理性質，因此，材料對每種性質表現出不同的活化能。選定的活化能是反映對執行安全功能或考慮設計基準事故作用于材料的應力有關的最重要的物理特性。然而，在實際慣例中，很少有這么簡單的，閥門電動執行機構總是由多種材料組成。在很多情況下，所用材料的任何化學細節不明而只知道一個總的有機或工業商用名稱，就是無法知道合適的活化能。當反映材料或部件以及感興趣的物理特性的活化能無法得到時，一個單一保守的活化能得到了采用。雖然IEEE 1205對活化能未作深入論述，但其它標準或資料中有相關論述：一是EJ 1197明確，在活化能未知時，可選擇不大于0.8eV的數值，除非另有材料試驗可以證明，加速因子t2/t1應小于250，加速老化時間不應低于1,000h；二是EPRI基于170種材料提出了活化能的分布圖[4]。西屋公司對活化能數據進行了分析研究，表明有95%的活化能都大約超過0.6eV。西屋公司認為，當具體活化能不可用時，則選定0.5eV用于熱老化試驗中。

因此，在進行閥門執行機構熱老化試驗時，如果使用IEEE 1205的計算公式，應對活化能進行分析，選取合理的活化能，否則保守起見，宜選用0.5eV，但此時其試驗時間將大大超過RCC-E公式計算得到的試驗時間。由此可見，選用RCC-E公式計算更加方便可行。

三、輻照試驗

輻照試驗包括輻照老化試驗和事故輻照試驗。輻照老化試驗的目的是使設備在設計基準事件試驗之前處于預計(輻照)壽命末期。事故輻照試驗的目的是證明樣機在事故輻照后的可運行性。輻照老化試驗和事故輻照試驗可以結合起來進行。

RCC-E(NF M64-001)和NB/T 20079對于閥門電動執行機構要求為：輻照老化的輻照劑量率為1KGy/h，累積劑量250KGy；安全殼內設計基準事故后輻照劑量率為1KGy/h，累積劑量600KGy。

IEEE 382等IEEE系列相關標準，以及NB/T 20093同樣要求進行輻照老化試驗和事故后輻照試驗，要求按照規定的輻照記錄進行試驗，但未明確劑量率和劑量。

事實上，目前每個工程均有具體的輻照劑量要求，事故工況也從上述標準的設計基準事故延伸至嚴重事故。因此，在進行新樣機的輻照試驗時，應根據每個工程的具體要求進行。但是RCC-E給出了劑量率，因此在進行輻照試驗時，建議輻照試驗按照RCC-E給出的劑量率進行試驗。

四、基頻測定試驗

基頻測定試驗的目的是確定固有頻率。HAF J0053規定：動態特性探查試驗的激勵的輸入幅值不大于0.2g；ASME QME-1(2007版)引用了IEEE 344-1987“核電站1E級設備抗震鑒定評定推薦規程”。IEEE 344 §7.1.4.1規定：掃頻輸入振幅為0.2g，此外為了避免設備損壞，可以調低輸入振幅，或者考慮非線性而調高輸入振幅；ASME QME-1(2002版)QVP-7341規定：對于振動臺法進行基頻測定時，輸入正選掃描波的振幅不小于0.2g。其目的是為了保證輸入振幅應足夠以便能激勵機構的共振；NB/T 20036.2 §6.4規定：探查性試驗的正選掃描波的幅度不低于0.05g，建議用0.1g。

從上可以看出，不同的鑒定標準對基頻測定試驗的正選掃描波的輸入幅值要求不一致。

當輸出加速度響應值等于輸入加速度響應值的3倍或更高因子時的最低頻率，即為閥門的基頻。一般而言，基頻試驗中，輸入幅值越大，對鑒定設備的作用越大，更大的輸入幅值可以避免其他因素的影響，從而保證能夠產生激勵機構的共振。通過上述標準的規定，可以看出ASME QME-1(2002版)更加保守，而且也是可以實現的，因此，建議基頻測定試驗的輸入振幅不小于0.2g。

五、閥門執行機構的振動老化

振動老化試驗提供的振動環境代表核電廠正常情況下的振動，包括系統運行瞬變過程和其他的動態振動環境。振動老化試驗的目的是使執行機構在設計基準事件試驗之前經歷適當的振動老化。

RCC-E B3300要求設備考慮與安裝條件有關的影響量(例如振動)，但并未給出具體要求；實際工程中，以往M310閥門電動執行機構技術要求中，規定閥門電動執行機構振動老化試驗的掃描頻率為每分鐘1個倍頻程；在NF M64-001中，通常要求掃描范圍為10Hz-500Hz-10Hz；EJ/T 1197適用于參照法國RCC系列規范設計建造的壓水堆核電廠安全系統電氣設備進行質量鑒定的試驗方法和環境條件。EJ/T 1197§5.4.5的振動老化試驗引用了GB/T 2423.10-1995“電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc和導則：振動(正弦)”，GB/T 2423.10 §4.1.6規定掃描的速率應為每分鐘1個倍頻程；IEEE 382 §14.3規定，振動老化的掃描頻率為每分鐘2個倍頻程，掃描范圍5Hz-100Hz-5Hz；NB/T 20079在§5.4.5.1規定振動老化的試驗條件和方法見GB/T 2423.10。(如前所述，GB/T 2423.10規定的掃描頻率為每分鐘1個倍頻程)，但在§5.4.5.2又具體規定，振動老化的掃描頻率為每分鐘2個倍頻程，掃描范圍5Hz-100Hz-5Hz；NB/T 20093 §14.3規定，振動老化的掃描頻率為每分鐘2個倍頻程，掃描范圍5Hz-100Hz-5Hz。

可以看出，上述標準對于閥門執行機構的振動老化的倍頻程和范圍要求不完全一樣。

(一)倍頻程。RCC-E系列標準要求閥門電動執行機構的振動老化的掃描頻率為每分鐘1個倍頻程；IEEE系列標準(NB/T 20093是按照IEEE 382編制，而NB/T 20079主要參考了NB/T 20093)要求閥門電動執行機構的振動老化掃描頻率為每分鐘2個倍頻程。

可以看出，倍頻程越小，掃描時間越長，效果越好。但是鑒于1倍頻程和2倍頻程沒有本質沖突，并且由于IEEE 382、NB/T 20079和NB/T 20093的具體要求，許多鑒定實踐中選擇了2倍頻程。因此建議如果已有的閥門電動執行機構，按照1倍頻程或2倍頻程鑒定均可以接受，但后續進行新的鑒定時，應根據研制技術規格書的要求，選擇合適的倍頻程。

(二)掃描范圍。NFM64-001中，電氣設備掃頻范圍通常為10～500Hz，對于一些特殊鑒定程序，在經過確認后可以使用不同的范圍。而IEEE，NB系列標準的掃描范圍均為5Hz-100Hz-5Hz。

由于目前未有對閥門執行機構實際運行使用環境的頻率規定，因此，根據工程經驗和實踐，上述2種掃描范圍均可，但在具體工程中，特別是需要重新試驗鑒定的執行機構，應根據工程中具體規格書的要求執行。

六、結語

綜上所述，目前閥門鑒定實踐中，有一些鑒定項目存在鑒定標準要求有差異的情況。其中有的差異影響較大，例如動態特性探查試驗的激勵的輸入幅值等。因此在進行新的閥門樣機鑒定時，對于有可能造成影響的地方應特別關注，應按照規格書的要求選取合適的標準和方法。

此外，目前國內標準對于部分鑒定試驗要求存在不一致的地方，后續相關國內核電閥門標準制定中，應對這些差異處進行更詳細的分析，爭取統一，以更好地進行國產化標準的建設。