CAP系列核電站1E級(jí)儀控設(shè)備的鑒定方法

袁冬英， 尚 恒

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

隨著溫室效應(yīng)及大氣污染的日趨嚴(yán)重，各國都在積極發(fā)展清潔能源。核能作為一種清潔、高效的能源，至今已有幾十年的發(fā)展歷程，而保證核安全是核能發(fā)展和利用的前提。在核電設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程中，設(shè)備鑒定是質(zhì)量證明的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保障核電站安全運(yùn)行的必要技術(shù)手段。

儀表和控制系統(tǒng)是核電站的中樞神經(jīng)，為核電站的穩(wěn)定運(yùn)行和各類工況處理提供安全保障，其設(shè)備可靠性尤為重要。核電站中的儀控設(shè)備根據(jù)其用途和功能可劃分為安全級(jí)(1E級(jí))和非安全級(jí)(NC級(jí))兩大類。1E級(jí)儀控設(shè)備是指發(fā)生事故時(shí)和事故后會(huì)影響到核電站核安全的設(shè)備，這些設(shè)備主要包括用于反應(yīng)堆緊急停堆、安全殼隔離、堆芯應(yīng)急冷卻及其他主要用于防止放射性物質(zhì)向環(huán)境過量釋放的系統(tǒng)設(shè)備等。1E級(jí)以外的用于保障核電站正常運(yùn)行的其他儀控設(shè)備屬于NC級(jí)。筆者就CAP系列核電站1E級(jí)儀控設(shè)備鑒定方法進(jìn)行探討，旨在為同行核級(jí)儀控系統(tǒng)的設(shè)備鑒定提供參考。

1 適用標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國核電設(shè)備鑒定主要遵循法國RCC-E、歐洲IEC和美國IEEE標(biāo)準(zhǔn)體系。在鑒定方法方面，RCC-E—2005 《壓水堆核電廠核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》主要針對試驗(yàn)法，IEEE 323—2003 《核電廠1E級(jí)設(shè)備的質(zhì)量鑒定》和IEC 60780—1998 《核電站安全系統(tǒng)的電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定》均將設(shè)備鑒定方法分為型式試驗(yàn)法、分析法和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)法。IEEE 323—2003將環(huán)境條件分為和緩環(huán)境和嚴(yán)酷環(huán)境，RCC-E—2005將環(huán)境條件分為正常環(huán)境和事故環(huán)境，而IEC 60780—1998則未對環(huán)境條件進(jìn)行區(qū)分。IEEE 323—2003、IEC 60780—1998和RCC-E—2005對鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目類型的規(guī)定沒有明顯區(qū)別。RCC-E—2005及其配套規(guī)范在我國各壓水堆核電站設(shè)備鑒定中已得到了廣泛應(yīng)用。歐洲主要以IEC 60780—1998作為核電站1E級(jí)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定的通用標(biāo)準(zhǔn)，RCC-E—2005 B卷也認(rèn)可IEC 60780—1998中的相關(guān)要求。我國已將IEC 60780—1998轉(zhuǎn)換成我國電氣設(shè)備鑒定的主體標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12727—2002 《核電廠安全級(jí)系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定》，該標(biāo)準(zhǔn)是目前我國電氣設(shè)備鑒定的頂層標(biāo)準(zhǔn)，而EJ/T 1197—2007 《核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定試驗(yàn)方法與環(huán)境條件》作為GB/T 12727—2002的配套標(biāo)準(zhǔn)，較詳細(xì)地給出了環(huán)境試驗(yàn)相關(guān)要求。IEEE 323—2003具有先進(jìn)的鑒定理論，是美國核電行業(yè)普遍遵守的1E級(jí)電氣設(shè)備環(huán)境鑒定標(biāo)準(zhǔn)，我國CAP系列是在消化吸收美國AP1000的基礎(chǔ)上，通過再創(chuàng)新形成的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電堆型。因此，我國CAP系列核電站儀控設(shè)備鑒定以IEEE 323—2003作為主體標(biāo)準(zhǔn)。

CAP系列核電站安全相關(guān)電氣設(shè)備的鑒定主要由三部分組成：環(huán)境鑒定、抗震鑒定和電磁兼容(EMC)鑒定，一般采用型式試驗(yàn)法、分析法或兩者相結(jié)合的方法進(jìn)行。試驗(yàn)或試驗(yàn)與補(bǔ)充分析相結(jié)合的方法是在1E級(jí)電氣設(shè)備環(huán)境和抗震鑒定時(shí)優(yōu)先選用的方法。

2 試驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 老化機(jī)理評估

核電站設(shè)備運(yùn)行環(huán)境一般可以分為和緩環(huán)境和嚴(yán)酷環(huán)境，不同環(huán)境設(shè)備的鑒定要求不同。對于核電站1E級(jí)控制機(jī)柜類設(shè)備，其大多數(shù)安裝在具有通風(fēng)和空調(diào)的和緩環(huán)境中，在這種環(huán)境下，安全停堆地震(SSE)是需要考慮的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件。根據(jù)IEEE 323—2003，位于和緩環(huán)境中且沒有顯著老化機(jī)理的設(shè)備不需要確定其鑒定壽命，不必進(jìn)行抗震試驗(yàn)前的加速熱老化試驗(yàn)[1]。美國電力研究所(EPRI)對大量老化與未老化的電氣部件進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)比對[2-3]，結(jié)果表明核電站1E級(jí)控制機(jī)柜類設(shè)備用的許多儀控系統(tǒng)設(shè)備如電容器、板卡、電子報(bào)警器、斷路器、開關(guān)等，熱老化所產(chǎn)生的劣化不會(huì)明顯影響其在地震環(huán)境中的性能。因此，儀控系統(tǒng)設(shè)備不存在明顯熱老化機(jī)理，在地震試驗(yàn)前不必進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)[4]。

兩個(gè)設(shè)備上不同參考地間的電位差或者遠(yuǎn)距離設(shè)備連接電纜上的電位差會(huì)產(chǎn)生電磁干擾/射頻干擾。操作員接觸控制面板、機(jī)殼或機(jī)柜時(shí)會(huì)產(chǎn)生靜電放電干擾。對講機(jī)、手機(jī)、廣播、電臺(tái)和雷達(dá)站會(huì)產(chǎn)生電磁場輻射干擾。交流供電容易受到閃電和各種開關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生的浪涌干擾，因此，需要考慮進(jìn)行EMC試驗(yàn)。

在核電站和緩環(huán)境下運(yùn)行的設(shè)備，其40～60 a累計(jì)輻照劑量(包括正常和事故輻照)非常低，如AP1000/CAP1400在60 a內(nèi)累積輻照劑量不高于10 Gy，輻照為非明顯老化機(jī)理，可不考慮輻照老化。

機(jī)械老化對儀控系統(tǒng)設(shè)備(如微型斷路器、開關(guān)和繼電器等)壽命的影響主要源于機(jī)械疲勞和磨損。由于機(jī)械疲勞和磨損效應(yīng)對部件承受地震的能力的影響是無法預(yù)見的，除非已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，儀控系統(tǒng)設(shè)備在經(jīng)受合格壽期內(nèi)規(guī)定的操作次數(shù)并無明顯性能下降(即無明顯老化機(jī)理)，否則應(yīng)在規(guī)定條件下進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的機(jī)械老化試驗(yàn)。

儀控設(shè)備還需要考慮正常環(huán)境條件、異常環(huán)境條件、運(yùn)輸存儲(chǔ)環(huán)境條件，以及設(shè)備在運(yùn)行環(huán)境條件下所承受的地震以外的振動(dòng)累積效應(yīng)對其性能劣化的影響。

2.2 鑒定試驗(yàn)序列

根據(jù)以上對核電站儀控設(shè)備顯著老化機(jī)理的分析以及IEEE 323—2003中對設(shè)備鑒定要求的規(guī)定，得出位于和緩環(huán)境中的1E級(jí)儀控設(shè)備鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)序列(見表1)，設(shè)備鑒定應(yīng)按此順序在同一試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行。在鑒定試驗(yàn)前，需要進(jìn)行基準(zhǔn)功能試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)備是否能在正常環(huán)境條件下運(yùn)行并達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)格書所要求的全部性能要求。EMC試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和抗震試驗(yàn)根據(jù)具體要求還需要進(jìn)行試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)后的功能試驗(yàn)。

表1 鑒定試驗(yàn)序列

根據(jù)IEEE 323—2003，EMC試驗(yàn)可結(jié)合鑒定試驗(yàn)執(zhí)行時(shí)的實(shí)際執(zhí)行情況調(diào)整到抗震試驗(yàn)之后執(zhí)行。

3 試驗(yàn)方法

3.1 基準(zhǔn)功能試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)備類型和所需要執(zhí)行的安全功能，在實(shí)施鑒定試驗(yàn)前需測定設(shè)備的基準(zhǔn)功能特性，用以確定設(shè)備在正常環(huán)境條件下運(yùn)行并達(dá)到設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的全部性能和各項(xiàng)特性參數(shù)，并作為設(shè)備在后續(xù)各鑒定試驗(yàn)中功能試驗(yàn)比對、判斷的基準(zhǔn)。主要包括外觀和結(jié)構(gòu)檢查、基本電氣性能試驗(yàn)和特定功能特性測試等。

3.2 EMC試驗(yàn)

根據(jù)美國核管會(huì)發(fā)布的RG1.180—2003 《安全級(jí)儀表和控制系統(tǒng)電磁和射頻干擾評估導(dǎo)則》，安全有關(guān)設(shè)備的EMC鑒定包括發(fā)射試驗(yàn)和抗擾度試驗(yàn)，其目的是驗(yàn)證設(shè)備對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)對所在環(huán)境存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度能力。EMC鑒定一般按照下列順序[5]執(zhí)行：

(1) 發(fā)射試驗(yàn)。

(2) 破壞性小的抗擾度試驗(yàn)。

(3) 破壞性大的抗擾度試驗(yàn)。

EMC試驗(yàn)參考MIL-STD-461E—1999 《子系統(tǒng)和設(shè)備的電磁干擾特性的控制要求》[6]和IEC 61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)。具體試驗(yàn)方法和條件見表2，發(fā)射試驗(yàn)的試驗(yàn)發(fā)射值應(yīng)低于發(fā)射限值。

表2 EMC試驗(yàn)方法和條件

抗擾度試驗(yàn)根據(jù)系統(tǒng)功能重要性不同，性能判據(jù)分為A、B、C三個(gè)等級(jí)。等級(jí)A為在試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)后，設(shè)備能按預(yù)定要求工作；等級(jí)B為在試驗(yàn)后，設(shè)備能按預(yù)定要求工作；等級(jí)C為允許設(shè)備暫時(shí)的功能喪失，但要求設(shè)備能夠自己恢復(fù)功能或可以通過控制來恢復(fù)功能。

3.3 機(jī)械老化試驗(yàn)

微型斷路器、手動(dòng)操作開關(guān)等儀控設(shè)備應(yīng)根據(jù)IEEE 649—2006 《核電廠1E級(jí)電動(dòng)機(jī)控制中心質(zhì)量鑒定》的要求，對其進(jìn)行與運(yùn)行老化機(jī)理相對應(yīng)的操作循環(huán)試驗(yàn)，以驗(yàn)證其在設(shè)計(jì)壽命末期仍能保持相應(yīng)的安全功能。設(shè)備運(yùn)行老化次數(shù)應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)增加相應(yīng)的裕量。

3.4 環(huán)境試驗(yàn)

環(huán)境試驗(yàn)用以考核設(shè)備在壽期內(nèi)存儲(chǔ)、正常環(huán)境條件、異常環(huán)境條件的耐受能力。環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)的選擇可參照標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 1197—2007執(zhí)行，考慮滿足三代核電應(yīng)用需求，應(yīng)增加TR-107330—1996 《核電廠安全相關(guān)應(yīng)用的商用PLC通用需求規(guī)格》中的溫濕綜合環(huán)境試驗(yàn)，針對含有板卡的電子設(shè)備，需要進(jìn)行長期運(yùn)行試驗(yàn)。具體的環(huán)境試驗(yàn)方法及條件見表3。

表3 環(huán)境試驗(yàn)方法和條件

在進(jìn)行交變濕熱試驗(yàn)時(shí)設(shè)備一般不通電，此時(shí)設(shè)備表面有結(jié)露，易造成儀控系統(tǒng)設(shè)備損壞，其他試驗(yàn)項(xiàng)目可根據(jù)需要決定是否通電。進(jìn)行低溫試驗(yàn)、溫濕綜合環(huán)境試驗(yàn)時(shí)也應(yīng)避免設(shè)備結(jié)露影響。

3.5 振動(dòng)試驗(yàn)

振動(dòng)試驗(yàn)用于模擬設(shè)備在運(yùn)行環(huán)境條件下所承受的地震以外的振動(dòng)累積效應(yīng)對其性能劣化的影響。振動(dòng)試驗(yàn)方法參考GB/T 2423.10—2008 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第 2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fc：振動(dòng)(正弦)》。

振動(dòng)試驗(yàn)采用連續(xù)正弦波信號(hào)在三個(gè)正交軸方向分別進(jìn)行單軸振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)，按照1 min掃描1倍頻程的速率在10～150 Hz進(jìn)行掃頻耐久性試驗(yàn)，交越頻率為57 Hz。低于交越頻率的位移幅值為0.075 mm，高于交越頻率的加速度幅值為1g(g為重力加速度)，循環(huán)掃頻次數(shù)為10次。

3.6 抗震試驗(yàn)

抗震試驗(yàn)是為了驗(yàn)證設(shè)備在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震事件期間及之后，能夠保持其結(jié)構(gòu)完整性并能執(zhí)行其安全功能?？拐鹪囼?yàn)在獨(dú)立的三軸試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，采用同步隨機(jī)、多頻率加速度的時(shí)程輸入。

根據(jù)IEEE 344—2004 《核電站1E級(jí)設(shè)備防震鑒定的推薦實(shí)施規(guī)范》要求，抗震試驗(yàn)應(yīng)包括 5 次運(yùn)行基準(zhǔn)地震(OBE)試驗(yàn)和至少 1 次SSE試驗(yàn)，試驗(yàn)前還需要進(jìn)行共振頻率搜索試驗(yàn)。試驗(yàn)按下列順序及方法進(jìn)行：

(1) 共振頻率搜索試驗(yàn)。

共振頻率搜索試驗(yàn)可通過正弦掃頻或隨機(jī)掃頻兩種方式進(jìn)行：正弦掃頻的頻率為1～100 Hz，采用三個(gè)正交軸線分別進(jìn)行，應(yīng)控制振幅不小于0.2g(峰值)，1 min掃描2倍頻程；隨機(jī)掃頻的頻率為1～100 Hz，隨機(jī)搜索的振幅至少為0.3g，試驗(yàn)至少持續(xù)180 s。

(2) 低水平地震試驗(yàn)。

根據(jù)IEEE 344—2004要求，低水平地震試驗(yàn)相關(guān)的低循環(huán)疲勞效應(yīng)可能在SSE之前出現(xiàn)，使用5次可接受的重復(fù)50%的SSE試驗(yàn)作為OBE的輸入等級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)。

(3) SSE試驗(yàn)。

設(shè)備進(jìn)行至少1次SSE的輸入等級(jí)試驗(yàn)。試驗(yàn)要求響應(yīng)譜按照設(shè)備在核電站所在的廠房樓面譜進(jìn)行，并考慮10%的裕量。

4 結(jié)語

隨著儀控系統(tǒng)向著數(shù)字化和集成化方向發(fā)展，并在我國新建核電站中廣泛應(yīng)用，使得1E級(jí)儀控設(shè)備的質(zhì)量鑒定有了更高的要求。通過對CAP系列核電站儀控設(shè)備運(yùn)行環(huán)境及顯著老化機(jī)理分析，結(jié)合國內(nèi)外法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，得出CAP系列核電站1E級(jí)儀控設(shè)備的鑒定方法，并對EMC試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和抗震試驗(yàn)等試驗(yàn)常用方法標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)參數(shù)給出了具體建議，為三代核電儀控設(shè)備的國產(chǎn)化及設(shè)備鑒定提供質(zhì)量保障。