核电厂在役电缆寿命评估技术初探

核电厂在役电缆寿命评估技术初探顾申杰上海核工程研究设计院 电气、仪表和控制所 摘要：本文叙述了在役电缆寿命评估技术在核电厂中所不可替代的必要性，并基于上海核工程研究设计院关于秦山核电公司PSR的技术服务，和国防科工委立题的“核级电缆老化及寿命评估技术研究”工作，提出了该项技术的基本要求，同时介绍了一些可用于这一目标的潜在技术手段，以期能启发并推动国内这一领域相关技术的研发。关键词：在役电缆，寿命评估，1E级电缆鉴定，鉴定合格寿命，老化评价。1. 概述担当着核电厂神经网络职责的电缆系统是核电厂得以在可控状态下安全运行的重要保障。电缆以其动力或信号传输媒介的功能，在核电厂纵横交错并遍布各个角落，从而成为核电厂中分布最广的不可更换物项。于是，如何适时探测这些不可更换物项的技术状态，尤其是其中承担着重要安全功能的1E级电缆，评价其老化劣化状况及成因，从而指导消除或减弱老化应力，以确保1E级电缆在预期寿期内的安全功能完整状态对电厂的安全运行起着至关重要的作用，并因此而为业主所关注。值得一提的是，在法国、美国等核电发达国家，随着大量早年投运核电厂接近设计寿命，电厂延寿工作已纷纷提上日程。于是，针对电缆的延寿评估自然地被赋予了更为重要的意义。可以说，针对核电厂电缆的寿命评估技术，已日益成为核电厂安全运行的重要保障手段之一。2. 1E级电缆质量鉴定一直以来，核电厂1E级电缆的寿命是由其质量鉴定程序所确立的合格寿命（Qualified Life）来表征的。1E级电缆的鉴定程序是一个产生并保持证据的过程，该证据证明1E级电缆能在其预期的鉴定合格寿期内的任意时刻及时投运，并满足系统所需性能要求，从而确保核电厂的安全。1E级电缆鉴定本质上是一个证明鉴定对象不存在可能导致其安全功能完整性丧失的潜在共因故障机理的过程，其实质性目标即为确立1E级电缆的合格寿命。1E级电缆鉴定的思想基础是确定论方法（相对于概率论而言），即一个以一系列假想的设计基准事件（DBE）为目标事件，而展开的针对鉴定对象能力的考核过程。这些DBE事件包括一些预想的偶发事件（如失电、地震等），以及一些实际不可能，但理论上却可能发生的事件，如严重的失水事故（LOCA）。为获得对鉴定对象在预期寿期内所要求能力的考核和验证，上述事件总是保守地在预想的最不利时机施加。在此过程中，由于具有一定覆盖性的典型鉴定对象的选取，以及保守环境条件和运行工况的使用和适当安全裕度的引入，最终的鉴定结果往往意味着一个高可信度的电缆可靠性保障。既然1E级电缆的鉴定已经能够确定电缆的合格寿命，那么，在役电厂的电缆寿命评估的意义又何在呢？ 1E级电缆鉴定是基于下列框架：1) 设计正常环境和假想事故环境；2) 基于环境条件的老化评价；3) 基于特定模型的加速老化模拟。而实际情况却远比预想的来得复杂。首先，电缆的运行环境具有一定的不确定性，尤其是安全壳内环境，由于屏蔽效果、设备发热、机械振动等等因素与设计预期的差异而导致的局部小环境，往往更加剧了这种不确定性；其次，电缆的负载率本身也是一个不确定因素；最后，由于受工程进度和供货商投入成本的限制，1E级电缆鉴定往往采用了过高的加速率以缩短寿命模拟时间，从而导致模拟结果偏离实际情况。由于这些不确定性的存在，实际电缆的寿命往往会偏离质量鉴定所预期的情况。而当存在负偏差时，即电缆面临着比预期更严酷的环境时，过于迷信电缆的鉴定合格寿命可能会导致灾难性的后果。显然，电缆的鉴定合格寿命并不能一劳永逸地解决电缆的运行安全问题。因此，适时的寿命评估对于1E级电缆这一重要的不可更换物项而言，有着极其重要的安全意义。3. 电缆寿命评估技术3.1. 基本要求由于上述种种原因，1E级电缆鉴定程序显然无法满足在役电缆的适时寿命评估要求。那么，怎样的技术才是适用的呢？寿命评估的要求是现行核安全文化所倡导的安全理念的具体体现，是核电厂实现老化管理的重要工具，更是核电厂延寿所不可逾越的必然要求。寿命评估的目标是通过适时探测获得的电缆老化特性参数，判断电缆当前性能对系统功能要求的满足程度，并在此基础上预判其中、远期性能走势以及其关于设计基准事故的生存能力，后者即为电缆的剩余寿命评估。基于这一目标，用作核电厂在役电缆寿命评估的技术手段应至少具备下列特质：1) 无损于电缆，也不妨害电缆的正常运行；2) 所测量的特性参数应反映老化所导致的电缆性能劣化和功能降级，并具有连续的可跟踪性；3) 适用于现役核电厂主流电缆类型和材料；4) 测试结果不受测试环境（即温度、湿度或辐照）影响或可修正，并具有重现性；5) 经济、轻便易于移动，并且现场操作简便；6) 可明确电缆失效判定值并能定位电缆缺陷；7) 可提前预警早期故障，以提供充分的时间采取纠正措施。尽管电缆质量鉴定程序无法直接提供电缆寿命评估所需的上述特质，但却是电缆寿命评估所不可缺少的基础。电缆寿命评估技术的应用对象是处于不同寿命阶段（如10年、20年、30年、40年直至60年）的电缆，其技术路线是通过对自然或人工老化至不同寿命阶段的电缆进行特定的老化特性参数测试，建立这些参数关于电缆寿命的数据链，并最终建立一个可用于电缆寿命评估的数据库。在这个过程中，等效加速地模拟电缆在各寿命阶段的技术状态，以及在这些阶段所测得的电缆绝缘和护套材料的断裂伸长率（EAB）数值，是建立电缆寿命评估数据库所须依赖的最重要的基石。 1E级电缆质量鉴定程序中的老化评价，是保障电缆人工加速老化等效性的最重要的手段。老化评价通过对电缆适用环境和运行条件的分析和评价，确定老化对电缆在各种运行工况下执行所要求功能的能力的影响程度。由于并非所有的老化效应都直接危及电缆的安全功能，因此，剔除那些不重要的、可以忽略的、并不危及电缆寿命的老化因子，而重点分析和评价那些具有决定意义的重要老化因子及其作用，就能确定电缆的重要或明显老化机理（significant aging mechanism），为加速老化模拟提供依据。在此基础上，正确地应用恰当的老化模拟模型，如“阿伦纽斯（Arrhenius）”模型和“等剂量/等破坏效应”模型等，并选定适当的加速率（如热老化加速率不大于250，辐照老化的剂量率不高于103Gy/h数量级，等等），即可加速模拟电缆各寿命阶段的技术状态。 EAB用以测定材料的柔韧性（ASTM D638-91），它被定义为材料在拉伸至断裂时的伸长增长百分率。国内外多年的经验已经证明，并且业内亦已一致公认，电缆的绝缘和护套材料的断裂伸长率（EAB）是表征电缆寿命状态的最可靠的特性参数，其随时间的关系曲线，具有极佳的寿命跟踪特性（如图1所示），因此，已为国内外业界广泛地用于电缆寿命评定。但是，由于绝缘和护套材料的断裂伸长率测定试验是破坏性的实验室试验，因而，无法用做核电厂电缆的适时寿命评估手段，但其良好的寿命跟踪特性，却可以成为其他寿命评估方法所测结果的寿命相关性的传递桥梁。在建立电缆寿命评估数据库的过程中，已加速老化至各寿命阶段的电缆均经受EAB及其他寿命评估技术的测试，并建立寿命评估技术测试结果与EAB之间的数据链，从而通过EAB的基准作用，获得某一寿命评估技术关于特定电缆材料的寿命特征值。3.2. 寿命评估技术3.2.1. 氧诱导时间（OITM）氧诱导时间采用热天平（DSC）测量在恒定温度和流量的纯氧环境中的试样，发生快速氧化所需的时间。其用于寿命评估的理论依据是，随着电缆的老化，电缆材料中所添加的抗氧化剂会逐渐挥发直至丧失，相应地，OITM时间将会逐渐缩短。OITM试验仅需10mg左右的样品，因此，试验取样不会对电缆造成损害（参见图2、图3）。图3 OITMEAB相关性3.2.2. 氧诱导温度（OITP）与OITM相似，OITP也是采用DSC对采用相同方法准备的微量试样（约10mg）进行测定。所不同的只是，OITP是测定在恒定流量稳定升温的纯氧环境中的试样，发生快速氧化的温度（参见图4、图5）。图5 OITPEAB相关性3.2.3. 弹性模量（IM）弹性模量的定义是，在材料的弹性范围内，其所受压力与张力的比值。电缆绝缘和护套材料随着电缆老化而趋硬，这一趋势导致了材料弹性模量变大。因此，通过测定材料弹性模量的变化，就可预估材料的性能劣化程度。弹性模量的测定须采用Ogden硬度计（见图6），该装置具有一根由电脑和微电机驱动的探针，在测试时，该探针被压入所测材料，仪器此时测定规定位移所需的力，然后再换算成弹性模量。由于探针的行程由电脑控制在极其微小的范围内，因此该仪器不会对现场电缆造成损害。弹性模量与断裂伸长率的相关性见图7。图6 Ogend 硬度计3.2.4. 绝缘电阻测量绝缘电阻是最常用的确定电缆绝缘状态的技术手段，该方法具有经济、简便的优点。如果绝缘电阻值随着电缆老化而呈现可预期的下降，那么，这一参数即可用作电缆的寿命评估技术。但是这样做的前提是，必须克服绝缘电阻值所受的来自测试环境的温度和湿度的影响。为此，有必要对绝缘电阻测定的物理过程作一分析。当在电缆的导体和地之间施加了一个直流电压时，经由导体流入地的电流是电容充电电流、泄漏电流和介电吸收电流的总和，但三者随时间而变。在电压施加的瞬间，电容充电电流和介电吸收电流达到相对较高的峰值，而一旦绝缘电容达到电荷平衡，上述电流将逐步下降直至为零。对于完好的绝缘，泄漏电流一般在电压施加后的一定时间内达到一个稳定值。而一旦绝缘受损、受潮或有析出物时，泄漏电流值将变得很大，并随时间而增大。于是，在电压施加瞬间，流经试样的电流呈现一个高值，随即，在其后的几分钟内，电流逐步下降，下降的方式则取决于电缆绝缘的状况。反映在电阻值上，如果电缆的绝缘完好，在施加了电压后，其电阻值将稳步上升，直至达到稳定值。基于上述物理过程，当绝缘电阻测定用作电缆寿命评估技术手段时，应采用10分钟和1分钟所测得绝缘电阻值的比值（亦称为“极化指数”），来衡量电缆绝缘的状况。其优点首先是，提高了测试结果关于电缆绝缘劣化的灵敏度，改善了其关于电缆绝缘寿命的跟踪特性；其次，由于采用了比值这样一种相对指标作为比对参数，从而消除了温度、湿度对测试结果的影响。4. 结论综上所述，核电厂在役电缆寿命评估是核电厂安全运行的重要保障，它源于1E级电缆质量鉴定，但却超越了质量鉴定。由于适时、轻便、无损、寿命特性可跟踪性等特定的技术要求，电缆寿命评估所依托的技术手段，必须寻求全新的突破。目前，已有记录证明可用于电缆寿命评估的技术包括：OITM、OITP、IM模量、绝缘极化指数等。此外，还有一些技术仍处研究之中，它们包括：肖氏硬度、介电损耗、红外热成像、材料密度等等。需指出的是，无论上述何种方法，它们对于不同电缆材料的敏感度的差异极大。因此，只有经过大量的比对试验，才能确定特定材料的适用方法，并对该材料建立高分辨率的寿命评估数据库，以用于日常电缆检查和定期的寿命评估。5. 参考文献1) IAEA-TECDOC-932 Pil