陶 革，趙傳禮，高 軒，陶 鈞

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

環(huán)境參數(shù)（如溫度、輻照和濕度等）是影響核電廠設(shè)備老化過程和可靠性的關(guān)鍵因素。在核電廠的設(shè)計以及安全相關(guān)電儀設(shè)備的鑒定過程中，會對電儀設(shè)備的運行溫度、輻照水平和其他環(huán)境參數(shù)預先進行設(shè)定（也稱為“設(shè)計假設(shè)”）。核電廠電儀設(shè)備的選型和設(shè)計壽命也都是基于電儀設(shè)備的設(shè)計服役環(huán)境建立的。考慮到 “設(shè)計服役環(huán)境”參數(shù)的保守性，絕大多數(shù)電儀設(shè)備的實際服役環(huán)境較設(shè)計環(huán)境更為和緩，但是電廠也可能會存在少數(shù)的局部惡劣環(huán)境區(qū)域，其環(huán)境狀況比“設(shè)計服役環(huán)境”還要嚴酷［1，2］，如不能對設(shè)備的實際服役環(huán)境進行有效的識別、評估和管理，則可能會發(fā)生電儀設(shè)備提前老化和失效現(xiàn)象，甚至會對電廠的安全穩(wěn)定運行造成不利影響。例如，美國阿肯色州Arkansas Nuclear One 核電站的1 號機組，就發(fā)生過因局部溫度超過安全相關(guān)設(shè)備的環(huán)境鑒定溫度，從而導致部分安全相關(guān)設(shè)備發(fā)生降質(zhì)的事件［3］。

對電儀設(shè)備服役環(huán)境進行監(jiān)測，不僅有利于識別電廠局部惡劣設(shè)備環(huán)境并對該環(huán)境中電儀設(shè)備的老化進行有效管理，還有助于識別電儀設(shè)備環(huán)境鑒定參數(shù)中的過度保守量，為延長電儀設(shè)備的使用壽命提供基礎(chǔ)信息。此外，對電廠運行期間設(shè)備服役環(huán)境參數(shù)信息的收集，還可為核電廠運行許可證延續(xù)的老化評估提供數(shù)據(jù)支持。本文對實施核電廠電儀設(shè)備服役環(huán)境監(jiān)測（以下簡稱環(huán)境監(jiān)測）的通用要求和監(jiān)測流程、監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測儀表、監(jiān)測位置和監(jiān)測頻度等內(nèi)容進行了介紹和論述，可為國內(nèi)核電廠實施電儀設(shè)備服役環(huán)境監(jiān)測提供指導和參考。

1 環(huán)境監(jiān)測目的及基本要求

1.1 環(huán)境監(jiān)測目的

我國核安全導則《核動力廠老化管理》中明確指出要對現(xiàn)場環(huán)境狀況進行監(jiān)測，以探測任何與設(shè)計值的偏離［4］。核電廠在運行期間應(yīng)對“設(shè)計環(huán)境”參數(shù)進行驗證，以證明核電廠運行在設(shè)計基準之內(nèi)，確保電廠能夠安全穩(wěn)定的運行［5］。由于電廠已有測量系統(tǒng)往往是為工藝系統(tǒng)服務(wù)而設(shè)置的，因此其中真正能用于表征電儀設(shè)備服役環(huán)境狀況的測量儀表并不多；當電廠已獲取的實際環(huán)境參數(shù)信息無法滿足老化評估和分析驗證需求時，就需要有針對性地開展電儀設(shè)備的服役環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，以獲取和補充所需的設(shè)備實際服役環(huán)境信息。

電儀設(shè)備實際服役環(huán)境參數(shù)的獲取可用于以下目的：

（1）設(shè)計環(huán)境參數(shù)驗證；

（2）電儀設(shè)備鑒定壽命評估及延長；

（3）設(shè)備失效根本原因分析；

（4）為核電廠申請運行許可證延續(xù)提供支持；

（5）識別可能影響電廠可用性的惡劣環(huán)境并觸發(fā)相應(yīng)的糾正行動。

1.2 環(huán)境監(jiān)測的基本要求

本文討論的電儀設(shè)備服役環(huán)境監(jiān)測，是當電廠已有的實際環(huán)境參數(shù)信息無法滿足電儀設(shè)備的設(shè)計環(huán)境參數(shù)驗證、設(shè)備鑒定壽命延長、電廠運行許可證延續(xù)、設(shè)備失效根本原因分析等任務(wù)需求時而采取的“專項測量”活動。實施電儀設(shè)備環(huán)境監(jiān)測時應(yīng)考慮并遵循如下基本要求：

（1）針對不同的任務(wù)需求（如設(shè)計環(huán)境參數(shù)驗證、設(shè)備鑒定壽命延長、電廠運行許可證延續(xù)、設(shè)備失效根本原因分析）制定有針對性的環(huán)境監(jiān)測方案；

（2）環(huán)境監(jiān)測活動不應(yīng)對電廠的安全和正常運行造成不利影響；

（3）環(huán)境監(jiān)測儀表的安裝不應(yīng)對電廠的巡檢和檢修活動造成不利影響；

（4）獲取的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)必須能代表或包絡(luò)實際的運行環(huán)境狀況；

（5）環(huán)境監(jiān)測活動必須滿足核電廠的質(zhì)保要求，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性；

（6）環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的所有數(shù)據(jù)、文件及監(jiān)測結(jié)果應(yīng)當按照電廠文檔管理要求進行存檔。

2 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測流程

電儀設(shè)備服役環(huán)境監(jiān)測的通用流程見圖1。其中環(huán)境監(jiān)測方案的制定是整個流程中的重點環(huán)節(jié)，監(jiān)測方案的具體內(nèi)容應(yīng)根據(jù)環(huán)境監(jiān)測活動的上游任務(wù)需求而制定。上游任務(wù)的需求不同，會使得環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的類型、監(jiān)測頻度、監(jiān)測儀表的選擇等具體方案產(chǎn)生很大的差異。

圖1 環(huán)境監(jiān)測通用流程Fig.1 General flowchart of environmental parameters monitoring

3 環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的選擇

根據(jù)設(shè)備服役環(huán)境參數(shù)對電儀設(shè)備壽命和可靠性的影響大小以及可測量性的考慮，電儀設(shè)備服役環(huán)境監(jiān)測參數(shù)通常包括溫度、輻照、濕度三種類型。電廠可根據(jù)監(jiān)測目的的不同有針對性地選擇需要監(jiān)測的參數(shù)。典型的監(jiān)測目的與所需監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系見表1。

表1 典型監(jiān)測目的與所需的環(huán)境參數(shù)Table 1 Typical monitoring purpose and the required environmental parameters

3.1 溫度

溫度是影響大多數(shù)電儀設(shè)備使用壽命的最重要的環(huán)境應(yīng)力。溫度的測量包括三種類型：與時間變化有關(guān)的連續(xù)溫度測量、被測時段內(nèi)的等效溫度測量（指所獲取的溫度可直接用于阿倫紐斯［Arrhenius］模型中進行壽命計算）、最高溫度測量。連續(xù)溫度測量和等效溫度測量通常可滿足各種評估目的需求，環(huán)境監(jiān)測時只需選擇其中一種進行測量即可，最高溫度測量通常作為連續(xù)溫度測量和等效溫度測量的補充。

連續(xù)溫度測量是目前電廠使用最多、最熟悉也最成熟的測量方式，測量裝置通常由熱電偶或熱電阻等溫度傳感器、傳輸電纜、信號轉(zhuǎn)換器、記錄設(shè)備組成，能獲取隨時間變化的溫度值。

等效溫度也稱“阿倫紐斯等效溫度”，其測量裝置由光學性能會隨時間和溫度發(fā)生變化的特殊材料構(gòu)成，所獲取的溫度測量數(shù)據(jù)能夠直接用于Arrhenius 公式中進行計算，以實現(xiàn)對設(shè)備熱降質(zhì)情況的評估。該測量裝置的優(yōu)點是：屬于被動式測量裝置，具有體積小、重量輕、易于現(xiàn)場安裝的特點，溫度測量時長可涵蓋一個到數(shù)個燃料循環(huán)。其缺點是：等效溫度測量裝置的數(shù)據(jù)讀取無法在現(xiàn)場完成，需返回裝置制造廠讀取［6］。

最高溫度也稱峰值溫度，是指測量時段內(nèi)的溫度所能達到的最高值。峰值溫度的測量最常用的是采用溫度試紙，當溫度超過規(guī)定的溫度時，溫度試紙上的預涂材料會發(fā)生不可逆的化學變化并發(fā)生顏色變化，以表明溫度達到了試紙設(shè)定的溫度。溫度試紙價格低廉，可有多個設(shè)定溫度。最高溫度的測量常用于篩選，可快速確定給定時段（如一個燃料循環(huán)或者某一特定的異常事件期間）內(nèi)出現(xiàn)在所關(guān)注位置上的最高溫度，以初步分析溫度對設(shè)備是否有潛在的不利影響，并確定是否需要獲取進一步的數(shù)據(jù)或采取糾正行動。

3.2 輻照和濕度

輻照也是影響電儀設(shè)備使用壽命的重要環(huán)境應(yīng)力。核電站的放射性主要來自裂變產(chǎn)物和活化腐蝕產(chǎn)物。核電廠常見的輻照類型有四種：α，β，γ 和中子，其中對電儀設(shè)備影響較大的主要是γ 和中子，中子對電儀設(shè)備的影響主要發(fā)生在反應(yīng)堆附近的未屏蔽區(qū)域。輻照劑量的測量通常采用累積劑量測量的方法，例如使用熱釋光劑量測量裝置（Thermoluminescent dosimeter，TLD）。

濕度測量結(jié)果常用于設(shè)計環(huán)境參數(shù)的驗證以及根本原因分析。在服役環(huán)境參數(shù)的測量實踐中，濕度測量不如溫度和輻照劑量測量普遍，電廠可根據(jù)具體的環(huán)境監(jiān)測目的和需求確定是否需要實施濕度測量。目前比較常見的濕度測量方式是，采用自帶溫濕度探頭和數(shù)據(jù)保存裝置的就地測量儀表來同時收集和保存被測位置的溫度和濕度信息，并定期從就地測量裝置中導出測量數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)送到計算機進行處理和分析。

4 環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測方式

根據(jù)環(huán)境參數(shù)測量數(shù)據(jù)存儲位置的不同，環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測可分為遠程監(jiān)測和就地監(jiān)測。

遠程環(huán)境監(jiān)測是將就地傳感器測量到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送到遠程計算機上進行存儲，其突出的優(yōu)點是可實現(xiàn)多參數(shù)多通道數(shù)據(jù)的實時采集和存儲，并可通過遠程計算機上的專用軟件對獲取的數(shù)據(jù)進行分析［6］。其缺點是當現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測點較多時，往往需要敷設(shè)大量的測量電纜并需考慮電廠備用的安全殼電纜貫穿件的數(shù)量。該監(jiān)測方式適用于需要存儲的數(shù)據(jù)量較大且要求能實時獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并進行分析的場合。

就地環(huán)境監(jiān)測的參數(shù)測量和數(shù)據(jù)存儲都是在就地完成的，較適用于無須獲取實時測量數(shù)據(jù)或測量信號遠程傳輸受限的應(yīng)用場合。就地環(huán)境監(jiān)測可將來自環(huán)境參數(shù)測量儀表的信號通過數(shù)字信號的形式存貯在就地的數(shù)字存儲設(shè)備上，并根據(jù)需要定期從就地數(shù)字存儲設(shè)備上下載數(shù)據(jù)用于分析評估。這類監(jiān)測儀表具有體積小、重量輕、費用低、現(xiàn)場安裝方便的特點，不僅減少了儀表電纜的安裝量，也無須考慮安全殼電纜貫穿件的問題。這種方法的缺點是，測量時長可能會受限于就地數(shù)據(jù)存儲器的容量以及自帶電源的大小（如適用），需要定期從就地數(shù)據(jù)存儲器下載數(shù)據(jù)；另外，該方法對現(xiàn)場測量裝置中電子設(shè)備的耐高溫耐輻照要求較高。

電廠可根據(jù)監(jiān)測任務(wù)的具體需求，并綜合考慮需監(jiān)測的數(shù)據(jù)量大小、監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用需求情況（如是否要獲取實時數(shù)據(jù)并進行分析）、被監(jiān)測區(qū)域在電廠運行期間的可達性、電廠現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備資源等信息來選擇適合的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測方式，包括采用遠程監(jiān)測與就地監(jiān)測的組合方式。

5 監(jiān)測位置和儀表的選擇

5.1 監(jiān)測位置的選擇

環(huán)境參數(shù)監(jiān)測位置選取的基本原則是：獲取的環(huán)境參數(shù)必須具有代表性或包絡(luò)性。測量具體設(shè)備的環(huán)境參數(shù)時，測量位置應(yīng)盡量靠近被關(guān)注的設(shè)備［7］（如測量電纜的溫度時，測點應(yīng)當盡量靠近電纜）。測量區(qū)域的環(huán)境參數(shù)時，應(yīng)選擇具有包絡(luò)性的位置（如溫度測點不宜安裝在靠近通風系統(tǒng)冷風出口的位置；當溫度傳感器被固定在某一具體設(shè)備上來測量環(huán)境溫度時，必須考慮該設(shè)備的運行狀態(tài)是否會給測量結(jié)果帶來不利影響）。確定環(huán)境參數(shù)監(jiān)測位置時還應(yīng)綜合考慮以下因素：

（1）被測量區(qū)域是否有重要電儀設(shè)備；

（2）被測量區(qū)域的設(shè)備布置及通風情況；

（3）被測量位置的可達性；

（4）測量裝置在被監(jiān)測位置的可安裝性；

（5）測量位置的現(xiàn)場供電情況；

（6）測量儀表的安裝對運行操作和巡檢的影響；

（7）測量儀表的安裝對維修工作的影響；

（8）電廠前期實施的服役環(huán)境監(jiān)測反饋。

需要特別注意的是，如果環(huán)境監(jiān)測儀表所選擇的位置附近有安全相關(guān)的設(shè)備存在，則監(jiān)測儀表位置的選擇及其安裝方式必須保證監(jiān)測儀表發(fā)生故障時不會影響安全相關(guān)設(shè)備執(zhí)行其預期功能。

5.2 環(huán)境監(jiān)測儀表的選擇

5.2.1 環(huán)境監(jiān)測儀表的分類

根據(jù)環(huán)境監(jiān)測儀表工作時是否需要供電，環(huán)境監(jiān)測儀表可分為能動式測量儀表和非能動式測量儀表。能動式測量儀表需要電源供電才能完成相應(yīng)的測量工作，絕大多數(shù)的測量儀表都屬于能動式的，包括使用外供電源的測量儀表與自帶電池供電的測量儀表。

非能動式測量儀表不需要電源即可完成相應(yīng)的測量工作。非能動式測量儀表通常是通過記錄被測量參數(shù)的累積效應(yīng)來進行測量的累積效應(yīng)型測量儀表，如測量輻射劑量用的熱釋光劑量計和美國西屋公司開發(fā)的用于測量等效溫度的裝置。這種非能動式測量裝置獲取的數(shù)據(jù)通常無法直接讀取，需要通過專門的讀取轉(zhuǎn)換后方可使用。

5.2.2 選擇監(jiān)測儀表需考慮的因素

環(huán)境監(jiān)測儀表的選擇需考慮多方面的因素，應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：

（1）監(jiān)測儀表的量程（應(yīng)覆蓋監(jiān)測區(qū)域的電廠設(shè)計環(huán)境參數(shù)范圍）；

（2）監(jiān)測儀表是否需要供電及供電方式；

（3）監(jiān)測儀表的安裝方式；

（4）監(jiān)測儀表的精度；

（5）監(jiān)測周期內(nèi)監(jiān)測位置的環(huán)境對儀表精度產(chǎn)生的影響；

（6）監(jiān)測儀表的標定有效期。

在選擇監(jiān)測儀表時，也需關(guān)注所選監(jiān)測儀表的自身局限性。例如，溫度試紙的測量原理決定了它雖然可以方便地給出所測量位置的峰值溫度值，但卻無法提供峰值溫度存在的時間長短。如果測量要求是既要獲取峰值溫度的數(shù)值也要獲取峰值溫度存在的時長，那么使用溫度試紙進行測量就不再是理想的選擇了，而應(yīng)考慮采用連續(xù)溫度測量。

對于同一監(jiān)測位置有多種參數(shù)監(jiān)測要求（如需同時監(jiān)測溫度和濕度），可考慮采用能同時提供多種參數(shù)測量的復合式儀表。對于帶有數(shù)據(jù)存儲器的就地監(jiān)測設(shè)備，還應(yīng)考慮現(xiàn)場環(huán)境對數(shù)據(jù)存儲器的影響，防止數(shù)據(jù)丟失；數(shù)據(jù)存儲器的存儲容量應(yīng)能滿足測量時長內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲需求。

5.3 監(jiān)測儀表的標定

對用于環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的儀表應(yīng)明確標定要求，包括測量儀表使用前的標定和環(huán)境監(jiān)測結(jié)束后用于驗證儀表性能的標定。對用于長周期環(huán)境監(jiān)測的儀表，還應(yīng)根據(jù)所用監(jiān)測儀表的技術(shù)規(guī)范建立定期標定的要求。

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣頻率

對于能動式（需要電源供電）的環(huán)境監(jiān)測儀表，在制定環(huán)境參數(shù)監(jiān)測方案時還需考慮并選取合適的監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣頻率。監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣頻率的選擇對于那些波動較大的參數(shù)測量影響較為明顯。數(shù)據(jù)采樣頻率過低可能無法準確地反映出被測參數(shù)的變化，而過高的數(shù)據(jù)采樣頻率往往會造成采樣數(shù)據(jù)的浪費，同時使得監(jiān)測成本上升。例如，對每天波動都較大的溫度測量，比較理想的采樣頻率應(yīng)是足以獲取每天溫度峰值的數(shù)據(jù)采樣頻率［8］。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣頻率應(yīng)根據(jù)被測量環(huán)境參數(shù)的波動速度和頻繁程度、預期的監(jiān)測時間和數(shù)據(jù)存儲裝置的存儲容量等因素綜合考慮確定。

非能動式環(huán)境監(jiān)測儀表是通過記錄被測量參數(shù)的累積效應(yīng)來進行數(shù)據(jù)收集的，因而不存在監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣頻率選擇問題。

7 監(jiān)測頻度

電儀設(shè)備的環(huán)境監(jiān)測可分為單次臨時性環(huán)境監(jiān)測、定期環(huán)境監(jiān)測和長期環(huán)境監(jiān)測。不論采用哪種監(jiān)測方式，環(huán)境監(jiān)測的時長都應(yīng)充分考慮電廠正常運行事件、大修、電廠啟停、功率運行、四季變化等產(chǎn)生的影響，最短不應(yīng)少于一個正常燃料循環(huán)。

單次環(huán)境監(jiān)測只實施一個測量周期，是獲取有代表性環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的最低頻次要求。定期環(huán)境監(jiān)測需按照監(jiān)測計劃規(guī)定的固定間隔時間（如每10 年進行1 次測量）定期實施環(huán)境監(jiān)測。對于某些重要區(qū)域的重要參數(shù)的監(jiān)測，也可采用安裝固定式的監(jiān)測設(shè)備進行不間斷的長期監(jiān)測。

相對于單次環(huán)境監(jiān)測，定期監(jiān)測和長期監(jiān)測能更加及時有效地反映電廠環(huán)境的實際情況，有利于對環(huán)境參數(shù)變化的趨勢進行跟蹤，并及時發(fā)現(xiàn)因各種原因而導致的設(shè)備服役環(huán)境變化和新產(chǎn)生的局部惡劣環(huán)境。但實施長期監(jiān)測也意味著需要投入更多的資金、時間和人力，監(jiān)測時長的頻度的選擇應(yīng)當在滿足基本監(jiān)測要求的基礎(chǔ)上進行綜合考慮。例如，如果環(huán)境監(jiān)測的目的是用于根本原因分析或現(xiàn)場變更后的環(huán)境驗證，則通常進行單次環(huán)境監(jiān)測就足以滿足監(jiān)測需求；對于那些安裝有安全相關(guān)的電儀設(shè)備且設(shè)備服役環(huán)境容易受到多種因素影響而時常發(fā)生變化的區(qū)域，長期監(jiān)測可能是比較合適的選擇。

需要注意的是，若實施監(jiān)測期間電廠發(fā)生了異常運行狀態(tài)（如非正常的長時間停堆），導致監(jiān)測數(shù)據(jù)不具有代表性時，需重新實施監(jiān)測或延長監(jiān)測時長，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性［6］。

8 環(huán)境監(jiān)測的質(zhì)保要求和文件保存

核電廠安全重要電儀設(shè)備服役環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測必須遵循電廠的質(zhì)保大綱要求，并貫穿于服役環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的整個過程，確保獲取的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)真實有效，能夠滿足電廠設(shè)計環(huán)境參數(shù)驗證、設(shè)備鑒定壽命延長、電廠運行許可證延續(xù)、設(shè)備失效根本原因分析的需求。

與電儀設(shè)備環(huán)境監(jiān)測活動相關(guān)的文件和數(shù)據(jù)都應(yīng)按核電廠的文檔管理要求以可追溯的方式存檔，建議在整個電廠壽期內(nèi)長期保存，以利于將來對環(huán)境數(shù)據(jù)的利用和驗證。

9 結(jié)語

核電廠電儀設(shè)備的服役環(huán)境會因為運行時間的不斷增加、現(xiàn)場的維修活動、設(shè)備的變更改造等發(fā)生變化，電廠往往需要通過獲取電儀設(shè)備的實際服役環(huán)境參數(shù)信息來證明安全重要電儀設(shè)備仍運行在設(shè)計規(guī)定的服役條件下，并能夠按設(shè)計要求實現(xiàn)預期的安全功能；另外，電儀設(shè)備鑒定壽命的管理和延長、電儀設(shè)備失效根本原因的分析、電廠運行許可證延續(xù)等活動也都離不開電儀設(shè)備實際服役環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)支持。本文介紹的核電廠電儀設(shè)備服役環(huán)境的監(jiān)測方法已在秦山核電320 MWe 機組和方家山2號機組上得到了運用［9，10］，并可對國內(nèi)其他核電廠獲取電儀設(shè)備的實際服役環(huán)境參數(shù)提供支持和指導。