核電廠(chǎng)安全級(jí)光纜鑒定內(nèi)容研究

蘇玉軍，麻金娜，孫 偉，張龍強(qiáng)

(中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518172)

0 引言

數(shù)字化儀控系統(tǒng)在核電領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用已成為核電領(lǐng)域工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的新方向。隨著數(shù)字化、智能化設(shè)備的應(yīng)用，核電廠(chǎng)不斷提升對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能、可靠性、抗干擾能力的需求，采用光纜傳輸介質(zhì)替代傳統(tǒng)電纜是行業(yè)的必然趨勢(shì)。

隨著智能儀表及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、光纖傳感等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，光纜在核電廠(chǎng)中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，特別是在核電廠(chǎng)特殊環(huán)境條件下的應(yīng)用，對(duì)光纜的技術(shù)參數(shù)和采購(gòu)規(guī)范的要求更為嚴(yán)苛。但目前針對(duì)核電廠(chǎng)安全級(jí)光

纜及其附件的鑒定技術(shù)尚無(wú)成熟的、統(tǒng)一認(rèn)可的鑒定體系。隨著國(guó)內(nèi)核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，結(jié)合核電走出去戰(zhàn)略需求，國(guó)家逐步將安全級(jí)光纜納入監(jiān)管。因此，針對(duì)安全級(jí)光纜鑒定內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的研究意義重大，其可指導(dǎo)安全級(jí)光纜設(shè)計(jì)、選型、制造及鑒定相關(guān)活動(dòng)。本文通過(guò)研究安全級(jí)光纜功能需求、應(yīng)用環(huán)境條件、關(guān)鍵性能指標(biāo)，結(jié)合光纜的結(jié)構(gòu)特性、與電纜的差異性，確定安全級(jí)光纜的鑒定內(nèi)容，鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目的參考標(biāo)準(zhǔn)，形成我國(guó)核電安全級(jí)光纜的鑒定體系，從而促進(jìn)光纜設(shè)計(jì)、制造和采購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，提高電站建設(shè)及投運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

1 核電廠(chǎng)安全級(jí)光纜鑒定要求

1.1 功能要求

根據(jù)核電安全級(jí)別劃分，核電廠(chǎng)敷設(shè)的光纜可分為安全級(jí)和非安全級(jí)兩大類(lèi)。

大多數(shù)光纜布置在安全殼外，僅有少數(shù)布置在安全殼內(nèi)。光纜主要用于核電廠(chǎng)的工藝設(shè)備向電廠(chǎng)控制系統(tǒng)傳輸運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，或是Level 2層機(jī)柜間、安全系統(tǒng)機(jī)柜間以及不同安全級(jí)別機(jī)柜間的數(shù)據(jù)通信。其中，安全級(jí)光纜應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的質(zhì)量鑒定，驗(yàn)證其具備在正常環(huán)境條件下、在一些設(shè)備規(guī)定的事故條件下以及在地震載荷、規(guī)定的輻照條件下完成其規(guī)定的功能[1]。

安全級(jí)光纜在整個(gè)安裝壽期內(nèi)應(yīng)滿(mǎn)足或高于規(guī)定的性能要求。光纜按照適用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造，且符合質(zhì)保大綱要求來(lái)實(shí)現(xiàn)。質(zhì)保大綱包括但不限于設(shè)計(jì)、鑒定和制造過(guò)程中的質(zhì)量控制。鑒定的主要目的是證明安全級(jí)光纜在鑒定壽期內(nèi)或鑒定條件下，發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件(design basis event,DBE)前、事件中和事件后，能夠執(zhí)行其安全功能，且不發(fā)生共因故障。

鑒定要求如圖1所示。

圖1 鑒定要求

1.2 環(huán)境條件

環(huán)境條件包括周邊條件和運(yùn)行條件。周邊條件是指設(shè)備外部條件，比如溫度、輻照、壓力等；運(yùn)行條件是指存在于設(shè)備內(nèi)部的條件(如流量、流體溫度、流體壓力)，或者設(shè)備本身物理、機(jī)械相關(guān)的條件，如自熱、振動(dòng)等。

根據(jù)光纜在核電廠(chǎng)應(yīng)用的區(qū)域，光纜所在環(huán)境條件[2]主要包括周邊條件。正常、和緩以及事故環(huán)境條件如表1所示。

表1中，需要注意的是：①設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故與嚴(yán)重事故不同時(shí)發(fā)生，事故累積劑量不疊加;②此事故累積劑量值已結(jié)合光纜布置區(qū)域情況，考慮了60年正常運(yùn)行中的輻照老化劑量，因此嚴(yán)重事故光纜不需要再額外考慮60年常規(guī)輻照老化劑量。

表1 正常、和緩以及事故環(huán)境條件

1.3 關(guān)鍵性能指標(biāo)

①壽命要求。

光纜須具備60年壽命(熱和輻照老化)，在核電廠(chǎng)60年壽期內(nèi)免更換。

②材料要求。

涂覆層熱塑性彈性體材料，纖芯單護(hù)套、加強(qiáng)件和填充等均需為低煙無(wú)鹵材料自熄材料，光纜外護(hù)套需為熱固性低煙無(wú)鹵阻燃材料。若外護(hù)套使用熱塑性材料，需考慮環(huán)境應(yīng)力對(duì)護(hù)套開(kāi)裂的影響[3]。

③阻燃要求。

考慮到橋架和導(dǎo)管敷設(shè)的光纜可能會(huì)經(jīng)受火災(zāi)的狀況，須通過(guò)成束燃燒和單芯燃燒試驗(yàn)驗(yàn)證阻燃性能。

④設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(design basis accident,DBA)要求。

光纜須具備耐受DBA和DBA后的事故輻照、化學(xué)噴淋、溫度和壓力等環(huán)境因子的能力[3]。

⑤安裝要求。

滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)安裝半徑要求及承受相應(yīng)的安裝負(fù)荷[3]。

2 光纜與電纜差異分析

2.1 光纜與電纜結(jié)構(gòu)差異

光纜外形是圓形，基本結(jié)構(gòu)一般由纜芯、加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套，以及填充繩、包帶組成，是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸?shù)囊环N通信線(xiàn)路。

電纜通常是由幾根或幾組金屬導(dǎo)線(xiàn)(每組至少兩根)絞合而成，類(lèi)似繩索。每組導(dǎo)線(xiàn)之間相互絕緣，并圍繞一根中心扭成，整個(gè)外部包有高度絕緣的覆蓋層。電纜具有內(nèi)通電、外絕緣的特征。

光纜和電纜在結(jié)構(gòu)上存在相似點(diǎn)和不同點(diǎn)，具體如下。

①傳輸介質(zhì)不同：電纜以金屬導(dǎo)體為傳輸介質(zhì)，傳輸?shù)氖请娦盘?hào)；光纜以光纖為傳輸介質(zhì)，光纜傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)。

②結(jié)構(gòu)組成不同：電纜傳輸?shù)氖请娦盘?hào)，其相較于光纜的特殊組成部件主要是絕緣和屏蔽，因此在電纜的性能試驗(yàn)中需要對(duì)電纜絕緣及屏蔽進(jìn)行試驗(yàn)。

③外護(hù)套材質(zhì)類(lèi)似：都要求低煙無(wú)鹵阻燃，但電纜使用熱屬性低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套，光纜使用熱固性低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套。

2.2 光纜與電纜鑒定內(nèi)容差異

通過(guò)比較光纜和電纜的結(jié)構(gòu)差異，可知光纜鑒定試驗(yàn)與電纜鑒定試驗(yàn)在鑒定試驗(yàn)內(nèi)容、參考標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收原則等方面存在異同。電纜在核電廠(chǎng)中的成熟應(yīng)用及核級(jí)鑒定方面的經(jīng)驗(yàn)豐富，試驗(yàn)方案、試驗(yàn)內(nèi)容及參考標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成完整。目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)相應(yīng)的安全級(jí)光纜鑒定標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，而國(guó)際上有美國(guó)電氣和電子工程協(xié)會(huì)發(fā)布的核電廠(chǎng)安全級(jí)光纜、連接器以及光纖拼接鑒定標(biāo)準(zhǔn)(IEEE-1682-2011)。

2.2.1 型式試驗(yàn)差異

光纜型式試驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證光纖及成纜在正常環(huán)境下的光學(xué)性能、結(jié)構(gòu)特性及機(jī)械特性、外護(hù)套的結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械性能及阻燃性能等。根據(jù)光纜與電纜結(jié)構(gòu)、傳輸信號(hào)類(lèi)型的差異性，電纜與光纜型試試驗(yàn)的主要區(qū)別是電纜驗(yàn)證在正常環(huán)境下的電性能。因此，針對(duì)安全級(jí)光纜的型式試驗(yàn)與普通光纜及電纜梳理型式試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)存在異同。

光纜、電纜型式試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析如表2所示。

表2 光纜、電纜型式試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

2.2.2 鑒定試驗(yàn)差異分析

安全級(jí)光纜的鑒定試驗(yàn)是為確定在鑒定壽期內(nèi)或核電廠(chǎng)特殊工況條件下，能夠滿(mǎn)足預(yù)期壽命、執(zhí)行其安全功能且不發(fā)生共因故障。

根據(jù)安全級(jí)光纜及其附件應(yīng)用環(huán)境工況條件、滿(mǎn)足的功能需求等因素，確定了鑒定試驗(yàn)內(nèi)容，包括火焰試驗(yàn)、熱老化、輻照老化試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)等。但相關(guān)試驗(yàn)需求的試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)條件、驗(yàn)收準(zhǔn)則以及失效判據(jù)等需進(jìn)一步研究明確。

光纜與電纜在功能要求、外護(hù)套材質(zhì)上的相似性，且應(yīng)用環(huán)境相同。通過(guò)參考普通光纜及電纜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合電纜在核電廠(chǎng)中的成熟應(yīng)用及核級(jí)鑒定方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，梳理了光纜、電纜在鑒定試驗(yàn)的差異性。

光纜、電纜鑒定試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析如表3所示。

表3 光纜、電纜鑒定試驗(yàn)對(duì)比分析

3 光纜鑒定試驗(yàn)內(nèi)容研究

3.1 鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目

電纜明確了K1、K2和K3級(jí)所需開(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目[4]，如表4所示。

由于光纜在核電站的應(yīng)用不斷深入，光纜的應(yīng)用環(huán)境條件、功能要求以及驗(yàn)收準(zhǔn)則與電纜相同。結(jié)合上述光纜與電纜的在結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)內(nèi)容及參考標(biāo)準(zhǔn)等方面的差異性對(duì)比，光纜的鑒定項(xiàng)目可參照電纜鑒定項(xiàng)目執(zhí)行。

表4 安全級(jí)功能驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目

注：為要求的試驗(yàn)項(xiàng)目；為有要求時(shí)試驗(yàn)項(xiàng)目；—為不要求試驗(yàn)項(xiàng)目

3.2 安全級(jí)光纜鑒定試驗(yàn)內(nèi)容及參考標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)光纜的鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合光纜本身的結(jié)構(gòu)特性，參考普通光纜、電纜的成熟應(yīng)用及在鑒定方面的充分經(jīng)驗(yàn)和完善的鑒定規(guī)范。根據(jù)上述鑒定項(xiàng)目，安全級(jí)光纜試驗(yàn)[5]可分為安全級(jí)光纜型式試驗(yàn)和安全級(jí)光纜鑒定試驗(yàn)。

3.2.1 安全級(jí)光纜型式試驗(yàn)

光纜型式試驗(yàn)內(nèi)容及參考標(biāo)準(zhǔn)[6]如表5所示。

表5 光纜型式試驗(yàn)內(nèi)容及參考標(biāo)準(zhǔn)

光纜型式試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證光纖及光纜在正常環(huán)境下的光學(xué)性能、結(jié)構(gòu)特性及機(jī)械特性，外護(hù)套的結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械性能以及阻燃性能等。

安全級(jí)光纜的型式試驗(yàn)只是驗(yàn)證其本身的特性，不受使用環(huán)境的制約。因此，內(nèi)容及方法可以參照普通光纜及電纜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 安全級(jí)光纜鑒定試驗(yàn)

安全級(jí)光纜的鑒定試驗(yàn)是為確定在鑒定壽期內(nèi)或核電廠(chǎng)特殊工況條件下，能夠滿(mǎn)足預(yù)期壽命、執(zhí)行其安全功能且不發(fā)生共因故障。

根據(jù)安全級(jí)光纜及其附件應(yīng)用環(huán)境工況條件、滿(mǎn)足的功能需求等因素確定了鑒定試驗(yàn)內(nèi)容，包括火焰試驗(yàn)、熱老化試驗(yàn)、輻照老化試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)等。

光纜與電纜在功能要求、外護(hù)套材質(zhì)上具有相似性，應(yīng)用環(huán)境相同。因此，參考普通光纜及電纜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合電纜在核電廠(chǎng)中的成熟應(yīng)用，以及在核級(jí)鑒定方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，研究光纜、電纜在鑒定試驗(yàn)的差異性，確定了安全級(jí)光纜鑒定試驗(yàn)內(nèi)容、參考標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)要求[6]。

光纜鑒定試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 光纜鑒定試驗(yàn)及參考標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表6

4 關(guān)鍵技術(shù)研究說(shuō)明

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用要求及目前光纖光纜制造工藝與發(fā)展情況，開(kāi)展安全級(jí)光纜鑒定，在光纜鑒定壽命計(jì)算和光纜輻照老化試驗(yàn)方面存在困難。

4.1 光纜鑒定壽命計(jì)算

光棒和光通信發(fā)展至今50余年，國(guó)內(nèi)光棒發(fā)展不到10年，光纖發(fā)展不到30年。單純從光纜實(shí)際使用壽命來(lái)看，其尚不足60年，無(wú)法從經(jīng)驗(yàn)值得到超過(guò)光纜使用壽命的鑒定壽命值。光纜外護(hù)套與電纜外護(hù)套的類(lèi)似性，其鑒定壽命也可以參照電纜鑒定壽命的計(jì)算方式，采用阿倫紐斯公式來(lái)計(jì)算。光纖不同于電纜導(dǎo)體，其鑒定壽命不能單純整合在外護(hù)套的鑒定壽命計(jì)算方法中。

研究光纖機(jī)械壽命的模型和方法有3種：靜態(tài)疲勞試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)和篩選試驗(yàn)。通常,采用動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃秃Y選試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)期光纖壽命。篩選試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)期光纖壽命主要根據(jù)篩選斷裂點(diǎn)的頻次、長(zhǎng)度和使用應(yīng)力的斷裂概率來(lái)進(jìn)行。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)指導(dǎo)和明確計(jì)算方法。故針對(duì)安全級(jí)光纜鑒定，特別是光纖壽命鑒定的計(jì)算方法，仍需要進(jìn)一步研究，并通過(guò)國(guó)內(nèi)行業(yè)權(quán)威認(rèn)可。

另外，從光纖光纜的發(fā)展歷史看，據(jù)廠(chǎng)家反饋，國(guó)內(nèi)最早一批光纖光纜若沒(méi)有出現(xiàn)自然災(zāi)害或嚴(yán)重人為損壞，其通信仍正常。真正需要關(guān)注的是產(chǎn)品的更新?lián)Q代。原來(lái)的產(chǎn)品已不足以滿(mǎn)足現(xiàn)代化通信帶寬的要求，早期的配套光電產(chǎn)品也早已停產(chǎn)或升級(jí)。所以，未來(lái)的光纖光纜發(fā)展也可能出現(xiàn)同樣的情況，是否真正能夠使用到60年，需要綜合考慮多方因素。

4.2 光纜輻照老化試驗(yàn)

核電廠(chǎng)的安全級(jí)光纜由光纖、加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套及可能有的填充繩、包帶組成。光纜以玻璃纖維為傳輸介質(zhì)傳輸光學(xué)信號(hào)，通信光纖對(duì)損耗的要求極高。而輻照影響光纖信號(hào)傳輸?shù)乃p率，其在耐輻照方面存在明顯的劣勢(shì)。光纜外護(hù)套使用的是熱固性低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套與電纜一致的產(chǎn)品，完全能夠滿(mǎn)足輻照和其他要求。

因此，光纖的耐輻照是目前影響產(chǎn)品定型的關(guān)鍵因素，需要從光纖甚至光纖預(yù)制棒生產(chǎn)、設(shè)計(jì)上尋找突破點(diǎn)，特別是原材料的純度、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝等方面。

根據(jù)鑒定壽命要求[7]，在目前已有的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和廠(chǎng)家積累的經(jīng)驗(yàn)可以逐步實(shí)現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)品本身的耐輻照水平的提升。但在產(chǎn)品輻照老化試驗(yàn)[8]過(guò)程中，對(duì)影響鑒定結(jié)果的諸多因素的考慮和實(shí)施還存在一定困難。

①損失恢復(fù)。大多數(shù)光纖在經(jīng)歷輻照老化后會(huì)展現(xiàn)出“恢復(fù)”特性。輻照后的溫度和時(shí)間對(duì)光纜衰減值的改變有一定影響，試驗(yàn)期間需考慮可能發(fā)生的損失恢復(fù)，并添加損失量。

但目前這部分要求沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范給予指導(dǎo)，且國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家也無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，需要在后續(xù)的鑒定試驗(yàn)中研究和探索。

②協(xié)同效應(yīng)。正常運(yùn)行環(huán)境與和緩環(huán)境條件下，光纜及附件的鑒定除了考慮熱老化以及輻照老化的試驗(yàn)順序，以及溫度對(duì)輻照老化后衰減退化帶來(lái)的影響外，暫時(shí)不作其他考慮。

開(kāi)展DBE工況下的設(shè)備鑒定，則需要考慮除了熱、輻照應(yīng)力之外的其他應(yīng)力，而這些應(yīng)力的同時(shí)作用或單獨(dú)作用對(duì)鑒定所產(chǎn)生的影響，需要在后續(xù)的鑒定試驗(yàn)中研究和探索。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究核電廠(chǎng)安全級(jí)系統(tǒng)內(nèi)光纜的鑒定要求、內(nèi)容及參考標(biāo)準(zhǔn)，考慮了光纜的自身特性，從光學(xué)性能、材料特征等方面提供了詳細(xì)說(shuō)明，從而有效指導(dǎo)光纜廠(chǎng)家開(kāi)展光纜鑒定。但由于目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)生產(chǎn)安全級(jí)光纜的廠(chǎng)家，且在安全級(jí)光纜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上處于正在研究階段，具體鑒定試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中還存在一定難度，比如鑒定壽命計(jì)算方法、實(shí)際樣品準(zhǔn)備、鑒定驗(yàn)收準(zhǔn)則鑒定以及失效判據(jù)的建立、試驗(yàn)過(guò)程中裕度的考慮等。

目前，這些鑒定均無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出準(zhǔn)確定義，需要通過(guò)后期的經(jīng)驗(yàn)積累，以及與鑒定機(jī)構(gòu)一起開(kāi)展試驗(yàn)與研究，摸索出滿(mǎn)足核電廠(chǎng)要求的產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)程序和要求。