核電廠專用儀控設(shè)備鑒定試驗(yàn)研究

陳 義，葉順流

（中廣核研究院有限公司，成都 610000）

0 引言

核電因高效、清潔、經(jīng)濟(jì)等原因在世界范圍內(nèi)得到了快速的發(fā)展，中國也相繼出臺了多項(xiàng)政策積極推進(jìn)核電建設(shè)，大力發(fā)展核電技術(shù)。2007 年10 月，為了貫徹落實(shí)國家“積極推進(jìn)核電建設(shè)”的方針，國家發(fā)改委組織行業(yè)專家編寫了《國家核電發(fā)展專題規(guī)劃2005 ～2020》，明確了中國核電后續(xù)發(fā)展目標(biāo)：到2020 年，核電運(yùn)行裝機(jī)容量爭取達(dá)到4000 萬千瓦，核電年發(fā)電量達(dá)到2600 億千瓦時(shí)～2800 億千瓦時(shí)[1]。但是核電又有別于一般的電廠，它是通過核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來制造蒸汽，推動汽輪機(jī)發(fā)電，在這個過程中需要利用不同功能的專用儀控設(shè)備對堆芯進(jìn)行精確地監(jiān)控，防止發(fā)生核泄漏等事故。因此，要求核電廠專用儀控設(shè)備必須具有很高的安全性和可靠性，而對設(shè)備開展的質(zhì)量鑒定活動則是評估其安全性、可靠性的一種有效手段。

目前，國內(nèi)對核電廠專用儀控設(shè)備的鑒定試驗(yàn)還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各設(shè)備供應(yīng)商在執(zhí)行鑒定時(shí)參考的標(biāo)準(zhǔn)也比較雜亂，鑒定效果也不理想；或者是按照安全級DCS的鑒定方法對專用儀控設(shè)備實(shí)施鑒定，這就大大增加了設(shè)備鑒定成本，降低了產(chǎn)品的競爭力。本文對RCC-E 進(jìn)行深入解讀，結(jié)合某電站壓力容器水位信號測量系統(tǒng)的鑒定實(shí)踐，梳理出一套適用于核電廠專用儀控設(shè)備的鑒定思路和方法，為行業(yè)內(nèi)相關(guān)設(shè)備的鑒定提供一定的指導(dǎo)。

1 鑒定目的

為了保證核電廠在規(guī)定的條件下可靠地工作，HAF102《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》中提出：“必須采用設(shè)備鑒定的程序來確認(rèn)安全重要物項(xiàng)能夠在其整個設(shè)計(jì)運(yùn)行期間滿足正常運(yùn)行、預(yù)計(jì)運(yùn)行事件和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件等工況的要求”[3]。RCC-E 在B 卷中也明確指出要用鑒定的方法來證明設(shè)備滿足以下要求：

1）能實(shí)現(xiàn)設(shè)備規(guī)定的安全功能。

2）在規(guī)定的運(yùn)行和使用條件下，不產(chǎn)生能導(dǎo)致設(shè)備預(yù)防措施失效的故障。

3）不能妨礙其他設(shè)備執(zhí)行安全功能。

2 鑒定方法

在RCC-E 中提供了3 種鑒定方法：試驗(yàn)法是通過一系列型式試驗(yàn)對設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，這種方法是大多數(shù)設(shè)備在鑒定時(shí)所選擇的方法，一般要求設(shè)備在初始鑒定時(shí)必須選擇此方法；分析法是利用與其相似的其他設(shè)備之前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行類比分析，此方法多用于針對設(shè)備外形結(jié)構(gòu)（如機(jī)柜、機(jī)箱等）方面的鑒定，如利用機(jī)柜結(jié)構(gòu)相同的其他設(shè)備的抗震試驗(yàn)數(shù)據(jù)來評估待鑒定樣機(jī)的抗震性能；混合法是利用試驗(yàn)法和分析法相結(jié)合的方法對鑒定樣機(jī)進(jìn)行鑒定，在常規(guī)的鑒定活動中，由于設(shè)備規(guī)模和實(shí)驗(yàn)室場地限制等原因，不可能將整套系統(tǒng)的所有設(shè)備都運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。因此，需要選擇一套具有代表性的鑒定樣機(jī)，用試驗(yàn)加分析的方法開展鑒定。

3 樣機(jī)的選擇

鑒定樣機(jī)應(yīng)是一個能夠代表被鑒定對象典型功能和性能，以及典型配置的設(shè)備。鑒定樣機(jī)的選擇應(yīng)考慮以下因素：

◇ 應(yīng)具有被鑒定對象典型架構(gòu)。

◇ 應(yīng)包含被鑒定對象所有的設(shè)備類型、信號類型。

◇ 應(yīng)具備被鑒定對象典型的軟、硬件配置。

◇ 應(yīng)具有被鑒定對象的典型功能和性能。

◇ 應(yīng)能代表被鑒定對象的典型負(fù)荷（功耗）。

◇ 應(yīng)保持和被鑒定對象相同的安裝方式等。

4 鑒定程序

設(shè)備需要根據(jù)其安裝位置和所要執(zhí)行的功能，選擇適合的鑒定程序。鑒定程序可分為：

1）正常環(huán)境條件下的鑒定程序

該程序是為了檢驗(yàn)鑒定樣機(jī)在正常環(huán)境條件下執(zhí)行其功能的能力，在執(zhí)行下面4 個程序之前總是要先執(zhí)行本程序。

2）K1 鑒定程序

程序適用于安裝在安全殼內(nèi)的設(shè)備，需要在正常運(yùn)行條件、事故條件、事故后條件（必要時(shí)），以及地震條件下檢驗(yàn)設(shè)備的功能和（或）性能指標(biāo)。

3）K2 鑒定程序

程序適用于安裝在安全殼內(nèi)的設(shè)備，需要在正常運(yùn)行條件、地震條件下檢驗(yàn)設(shè)備的功能和（或）性能指標(biāo)。

4）K3 鑒定程序

程序適用于安裝在安全殼外的設(shè)備，需要在正常運(yùn)行條件、地震條件下檢驗(yàn)設(shè)備的功能和（或）性能指標(biāo)。

5）嚴(yán)重事故條件的鑒定程序

該程序適用于在嚴(yán)重事故條件下需保持其安全功能的設(shè)備。

與安全相關(guān)的核電廠專用儀控設(shè)備（如堆芯測量系統(tǒng)、棒控棒位系統(tǒng)、堆外核測量系統(tǒng)等）一般都放置于安全殼外的安全廠房區(qū)儀控房間，鑒定時(shí)應(yīng)選擇K3 鑒定程序。

5 鑒定大綱

鑒定大綱是整個鑒定活動的重要依據(jù)，在工程樣機(jī)（或模擬件）的研制之初就要根據(jù)設(shè)備技術(shù)規(guī)格書的要求進(jìn)行編制，為了確定鑒定大綱的符合性，還需組織上游設(shè)計(jì)院和業(yè)主方的專家進(jìn)行評審。鑒定大綱主要包含以下信息：

◇ 鑒定樣機(jī)的范圍及說明。

◇ 正常和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的環(huán)境條件。

◇ 鑒定樣機(jī)需要執(zhí)行的典型功能和滿足的性能指標(biāo)。

◇ 每項(xiàng)試驗(yàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)等級。

◇ 各項(xiàng)試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則。

◇ 在鑒定過程中，對不滿意結(jié)果的處理等。

6 鑒定實(shí)施

圖1 核電廠儀控設(shè)備試驗(yàn)順序Fig.1 Test sequence of I&C equipment for nuclear power plant

RCC-E 并未對試驗(yàn)順序做強(qiáng)制規(guī)定，只提到試驗(yàn)順序應(yīng)與設(shè)備的種類相適應(yīng)。從RCC-E 的章節(jié)安排來看：在鑒定試驗(yàn)中，首先應(yīng)進(jìn)行基準(zhǔn)試驗(yàn)，基準(zhǔn)試驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)作為后續(xù)條件試驗(yàn)的比較基準(zhǔn)，用于判斷設(shè)備在后續(xù)條件試驗(yàn)中的功能性能是否滿足技術(shù)要求；其次，進(jìn)行極限運(yùn)行條件下的試驗(yàn)和設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)，特別提到設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)應(yīng)按照規(guī)定的順序進(jìn)行，但當(dāng)大綱有規(guī)定時(shí)，設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)也可以和極限運(yùn)行條件下的試驗(yàn)交替進(jìn)行；地震試驗(yàn)最后進(jìn)行。因此，RCC-E 規(guī)定的試驗(yàn)順序基本按照圖1 的順序進(jìn)行。

6.1 基準(zhǔn)試驗(yàn)

基準(zhǔn)試驗(yàn)需要在正常大氣條件下進(jìn)行，其測試數(shù)據(jù)作為后續(xù)各項(xiàng)條件試驗(yàn)的比較基準(zhǔn)，RCC-E 中規(guī)定的正常大氣條件指向標(biāo)準(zhǔn)NF EN 60068-1，具體條件如下：

◇ 溫度：15℃～35℃。

◇ 相對濕度：25%～75%。

◇ 大氣壓力：86kPa ～106kPa。

基準(zhǔn)試驗(yàn)的主要測試內(nèi)容為：

◇ 目視檢查和機(jī)械檢查

◇ 電氣特性試驗(yàn)

——絕緣電阻測量

——介電強(qiáng)度試驗(yàn)

——機(jī)械接地的電氣連續(xù)性測試

◇ 功能特性測試

進(jìn)行電氣特性試驗(yàn)的目的主要是為了保護(hù)使用和維護(hù)人員的安全，屬于安規(guī)一類的試驗(yàn)，具體執(zhí)行時(shí)主要依據(jù)RCC-E MC 卷的規(guī)定執(zhí)行。

介電強(qiáng)度試驗(yàn)主要是用來驗(yàn)證儀控設(shè)備供電回路是否存在絕緣薄弱的地方，試驗(yàn)時(shí)用數(shù)倍電路額定電壓的電壓等級進(jìn)行試驗(yàn)。某核電站壓力容器水位測量系統(tǒng)電氣特性試驗(yàn)條件見表1。

6.2 極限運(yùn)行條件下的試驗(yàn)

RCC-E 中對極限運(yùn)行條件下的試驗(yàn)描述得比較籠統(tǒng)，只是簡單提到與設(shè)備相關(guān)的環(huán)境條件、安裝條件、供電特性、電磁干擾等，沒有細(xì)化，可執(zhí)行性不高。在B3500 章節(jié)又列出了一些特殊規(guī)定對鑒定大綱進(jìn)行補(bǔ)充，明確鑒定大綱需要按照IEC 60780（該標(biāo)準(zhǔn)已轉(zhuǎn)化為GB/T 12727，技術(shù)內(nèi)容等同）的5.3 節(jié)的規(guī)定制定，并在后面表格中規(guī)定了電磁兼容試驗(yàn)可以按照工業(yè)環(huán)境條件執(zhí)行，參考工業(yè)環(huán)境通用電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 61000-6-2 和IEC 61000-6-4。

表1 電氣特性試驗(yàn)條件Table1 Electrical characteristics test conditions

此外，在D5000 章節(jié)對電磁兼容進(jìn)行了專題介紹，并提供了一些關(guān)于設(shè)備電磁兼容的一些建議，以及如何根據(jù)設(shè)備的安裝位置選擇不同的試驗(yàn)類型和嚴(yán)酷程度，并指出應(yīng)優(yōu)先選擇產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61131-2“可編程控制器測試標(biāo)準(zhǔn)”），再選擇通用標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61000 系列標(biāo)準(zhǔn)）使用。

在某核電站水位信號測量系統(tǒng)鑒定試驗(yàn)中，極限運(yùn)行條件下的試驗(yàn)主要分為兩個部分：設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境條件（溫濕度和振動）和設(shè)備安裝處的電磁環(huán)境條件。溫濕度和振動等試驗(yàn)具體執(zhí)行上，主要根據(jù)GB/T 12727 的要求，按照GB/T 2423 系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)；而電磁兼容性試驗(yàn)則是按照IEC 61000 系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，同時(shí)也參考了行業(yè)上比較認(rèn)可的美國核管會出版的R.G.1.180 標(biāo)準(zhǔn)作為補(bǔ)充。電磁兼容性試驗(yàn)條件見表2。

溫濕度環(huán)境試驗(yàn)條件見表3。

6.3 設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)

將設(shè)備置于規(guī)定環(huán)境溫度條件下長時(shí)間運(yùn)行，通過監(jiān)視設(shè)備在一段時(shí)期內(nèi)的性能變化來評價(jià)設(shè)備的使用壽命。RCC-E 在這個章節(jié)中主要介紹了長期運(yùn)行試驗(yàn)和輻照老化試驗(yàn)，但是沒有列出執(zhí)行試驗(yàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)，也沒有明確具體的試驗(yàn)方法。

核電廠專用儀控設(shè)備位于安全殼外，沒有輻照老化的設(shè)計(jì)需求，可不執(zhí)行輻照老化試驗(yàn)。某電站壓力容器水位測量系統(tǒng)在鑒定時(shí)主要參考GB/T 12727 及其配套使用標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 1197 的規(guī)定執(zhí)行長期運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：將設(shè)備置于55℃溫度條件下運(yùn)行300h，再將設(shè)備置于40℃溫度條件下運(yùn)行300h。在整個試驗(yàn)中，每24h 對設(shè)備進(jìn)行功能測試，并全程持續(xù)監(jiān)視設(shè)備輸入/輸出等信號的變化情況。

表2 電磁兼容性試驗(yàn)條件Table 2 Electromagnetic compatibility test conditions

6.4 地震試驗(yàn)

地震試驗(yàn)用來考驗(yàn)設(shè)備在規(guī)定的地震荷載下能否完成其規(guī)定的功能，一般通過試驗(yàn)法來驗(yàn)證設(shè)備的抗地震能力，在某些特殊情況下，也可以用分析法或混合法代替。RCC-E 中針對地震試驗(yàn)推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)是IEC 60980（該標(biāo)準(zhǔn)已轉(zhuǎn)化為GB/T 13625，技術(shù)內(nèi)容等同），并規(guī)定在試驗(yàn)之前需要先進(jìn)行設(shè)備固有頻率的探查試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參考EN 60068-2-6 或EN 60068-2-57 中獨(dú)立加速度時(shí)程的雙軸試驗(yàn)法。

在地震試驗(yàn)的具體實(shí)施環(huán)節(jié)，RCC-E 分別介紹了地震試驗(yàn)可采用的試驗(yàn)方法：

1）正弦波激勵的單軸試驗(yàn)

可任意選擇正弦掃波和正弦拍波兩種方法的一種進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)符合EN 60068-2-6 和EN 60068-2-59 的規(guī)定。正弦拍波試驗(yàn)是利用相互隔開的5 個正弦拍波組成的一個試驗(yàn)波序列，沿著單個軸向依次在各試驗(yàn)頻率上進(jìn)行試驗(yàn)。

表3 溫濕度環(huán)境試驗(yàn)條件Table 3 Temperature and humidity environment test conditions

2）單軸加速度時(shí)程試驗(yàn)

該試驗(yàn)是利用規(guī)定的反應(yīng)譜加速度時(shí)程曲線在鑒定樣機(jī)的3 個軸向單獨(dú)進(jìn)行，加速度時(shí)程曲線需要滿足以下條件：

◇ 強(qiáng)震部分時(shí)間需大于10s。

◇ 人工地震波總持續(xù)時(shí)間需大于20s。

◇ 信號超過其最大值70%峰值的個數(shù)應(yīng)大于6。

◇ 在進(jìn)行SSE 試驗(yàn)前，先進(jìn)行5 次OBE 試驗(yàn)，OBE水平為SSE 的一半。

3）雙軸加速度時(shí)程試驗(yàn)

沿一對軸同時(shí)施加加速度時(shí)程曲線，兩個信號是分別合成的，且要符合以下規(guī)定：

◇ 強(qiáng)震部分時(shí)間需大于10s。

◇ 人工地震波總持續(xù)時(shí)間需大于20s。

◇ 信號超過其最大值70%峰值的個數(shù)應(yīng)大于8。

◇ 在進(jìn)行SSE 試驗(yàn)前，先進(jìn)行5 次OBE 試驗(yàn)，OBE水平為SSE 的一半。

在未規(guī)定試驗(yàn)方法時(shí)，一般推薦雙軸加速度時(shí)程進(jìn)行試驗(yàn)，對于試驗(yàn)阻尼比的選擇，在鑒定試驗(yàn)中推薦使用5%的阻尼比。在設(shè)備技術(shù)規(guī)格書沒有規(guī)定反應(yīng)譜的情況下，可選用RCC-E 中提供的通用反應(yīng)譜，如圖2、圖3 所示。

7 結(jié)束語

RCC-E 在MC 卷對電氣特性試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件進(jìn)行了詳細(xì)的說明，鑒定時(shí)可以直接按照設(shè)備自身供電特性選擇試驗(yàn)等級。在極限運(yùn)行條件下的試驗(yàn)和設(shè)備性能隨時(shí)間變化的試驗(yàn)，都只是規(guī)定了試驗(yàn)的方法和流程，沒有對具體的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行細(xì)化，執(zhí)行起來存在一定的難度。因此，在實(shí)際的鑒定活動中需要綜合參考設(shè)備技術(shù)規(guī)格書中的鑒定要求和RCC-E 指向的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61131-2《可編程控制器測試標(biāo)準(zhǔn)》）、通用標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61000 系列標(biāo)準(zhǔn)），并結(jié)合設(shè)備實(shí)際安裝位置的環(huán)境條件選擇適合的試驗(yàn)項(xiàng)目和嚴(yán)酷等級。

圖2 通用水平反應(yīng)譜，阻尼比5%Fig.2 General horizontal response spectrum, damping ratio 5%

針對地震試驗(yàn)，一般用設(shè)備技術(shù)規(guī)格書中提供的樓層響應(yīng)譜進(jìn)行試驗(yàn)，若規(guī)格書中未規(guī)定反應(yīng)譜，也可使用RCC-E 提供的通用反應(yīng)譜。

本文分析了RCC-E 中關(guān)于設(shè)備鑒定相關(guān)要求，并結(jié)合某專用儀控設(shè)備實(shí)際的鑒定經(jīng)驗(yàn)，給核電廠專用儀控設(shè)備的鑒定提供了一種新的思路，為核電廠其他專用儀控設(shè)備的鑒定提供一定的指導(dǎo)，也為儀控專業(yè)相關(guān)人員審視鑒定活動與標(biāo)準(zhǔn)的符合性，提供重要的參考價(jià)值。

圖3 通用垂直反應(yīng)譜，阻尼比5%Fig.3 General vertical response spectrum, damping ratio 5%