華龍一號安全重要壓力變送器設(shè)備鑒定研究

高鵬

（中核集團中原運維海外工程有限公司，上海 200233）

近年來，我國核電技術(shù)不斷發(fā)展，由中核集團自主研發(fā)具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的先進壓水堆華龍一號（HPR1000）在成熟性、安全性和經(jīng)濟性滿足三代核電技術(shù)要求[1]，在海內(nèi)外穩(wěn)步推進建設(shè)。HPR1000在設(shè)計上的創(chuàng)新，安全性能上的大幅提高[2]，對于設(shè)備，尤其是安全重要設(shè)備的可靠性也提出了更高的要求。

安全重要壓力變送器是核電廠常用的儀表設(shè)備，用于測量壓力、流量和液位等過程參數(shù)，為保護系統(tǒng)或事故后監(jiān)測系統(tǒng)提供信號[3]，對核電廠的安全運行起到重要作用。

根據(jù)HAF 102 的規(guī)定[4]，安全重要設(shè)備應(yīng)進行設(shè)備鑒定。對于安全重要壓力變送器，設(shè)備鑒定是確定其能消除共因故障（CCF），在設(shè)計基準(zhǔn)事故時或超設(shè)計基準(zhǔn)事故時能執(zhí)行安全功能的重要佐證。

針對應(yīng)用于HPR1000 的安全重要壓力變送器，其設(shè)備鑒定的實施通常參考RCC-E 標(biāo)準(zhǔn)和NB/T 20149，RCC-E 對安全重要電氣設(shè)備的通用鑒定流程給出了規(guī)定[5]，而NB/T 20149 則推薦了安全重要壓力變送器的鑒定規(guī)程[6]，RCC-E 及NB/T 20149 具備很好的實操性，但對于安全重要壓力變送器設(shè)備鑒定的邏輯與機理并未進行探討，合理性上不夠充分。

1 研究方法與研究目的

依托于HPR1000 的建設(shè)，我司聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)方進行了HPR1000 用安全重要壓力變送器的自主研發(fā)，在國內(nèi)首次通過了設(shè)備鑒定試驗。本文將基于對國內(nèi)外安全重要電氣設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)體系的理解，結(jié)合壓力變送器自身技術(shù)特點，同時參考實際鑒定實施過程，詳細(xì)研究安全重要壓力變送器的鑒定理論，分析影響其安全性能的環(huán)境因素，識別其顯著老化機理，說明基于數(shù)學(xué)模型的加速老化過程，對安全重要壓力變送器的鑒定實施提供合理的闡述，并提供鑒定實施流程，為國內(nèi)后續(xù)安全重要壓力變送器的鑒定實施提供參考。

2 安全重要設(shè)備鑒定體系及鑒定理論簡述

設(shè)備鑒定是形成并保存證據(jù)以證明設(shè)備能在正常、異常運行條件下及假設(shè)的設(shè)計基準(zhǔn)事件發(fā)生時滿足系統(tǒng)運行要求的過程[7]，其作為一項專業(yè)的核安全相關(guān)的技術(shù)管理活動，經(jīng)過不斷的發(fā)展，在實際實施過程中通常認(rèn)為形成了美國和法國兩大體系。

美國的設(shè)備鑒定體系是一個由法律，法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組成的金字塔結(jié)構(gòu)。美國核管會（NRC）發(fā)布并經(jīng)美國聯(lián)邦發(fā)布的法律10 CFR 50.49 對安全重要電氣設(shè)備在嚴(yán)酷環(huán)境下鑒定的通用要求做出了頂層規(guī)定，其發(fā)布的系列導(dǎo)則（Regulation Guideline）對鑒定的通用實施給出了指導(dǎo)，而國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）發(fā)布的以IEEE Std 323 為基礎(chǔ)的多項工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)針對不同設(shè)備的鑒定提供方法。

法國自從美國西屋公司引進壓水堆技術(shù)起，積極推進壓水堆的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，在安全重要電氣設(shè)備鑒定上統(tǒng)一執(zhí)行由法國核島設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則協(xié)會（AFCEN）編制的RCC-E 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備鑒定進行分類并規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的實施程序[5]，RCC-E 中也引用了大量國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)和法國國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

美國的設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)體系理論完善，方法清晰，而法國的體系則簡潔明了，易于操作；我國由于核電技術(shù)路線的多樣性，在設(shè)備鑒定上對美國和法國的體系均有參考。

IEEE 和IEC 聯(lián)合發(fā)布的IEC/IEEE 60780-323[8]可認(rèn)為是核電廠安全重要電氣設(shè)備鑒定的理論基礎(chǔ)，其基本的邏輯在于基于安全重要設(shè)備需執(zhí)行的安全功能和運行條件，將具備顯著老化機理的設(shè)備加速至鑒定壽命的末期，然后將其置于設(shè)計基準(zhǔn)事件（DBE）帶來的事故中或事故后，要求其仍能執(zhí)行設(shè)計要求的安全功能。

設(shè)備鑒定的方法包括型式試驗，運行經(jīng)驗，分析法及綜合法，型式試驗是普遍推薦的方法，本文討論的設(shè)備鑒定方法也將限于型式試驗法。

3 壓力變送器的基本原理與性能指標(biāo)

對設(shè)備的基本原理和性能指標(biāo)的充分理解是實施設(shè)備鑒定的基礎(chǔ)。壓力變送器根據(jù)其測量壓力的方式，分為壓阻式，電感式以及電容式，其中電容式壓力變送器在HPR1000 中應(yīng)用最為廣泛，通過將壓力值的變化轉(zhuǎn)換為電容值的變化，再將電容值的變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或者電流信號實現(xiàn)壓力值的測量[9]。圖1 為典型的電容式壓力變送器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 典型壓力變送器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Typical pressure transmitter structure

壓力變送器的基本性能指標(biāo)包括功能精度、響應(yīng)時間和絕緣電阻值[10]，其性能的劣化與否便體現(xiàn)在其基本性能指標(biāo)的變化上。

4 HPR 1000 安全重要壓力變送器的環(huán)境條件

HPR 1000 中安全重要壓力變送器大量應(yīng)用于執(zhí)行安全功能的系統(tǒng)以及在事故后參與保護公眾的系統(tǒng)，如反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，專設(shè)安全設(shè)施，主蒸汽系統(tǒng)等，用于對系統(tǒng)正常運行時、嚴(yán)重事故時、事故后的壓力，差壓，液位，流量的監(jiān)測，其所置于的環(huán)境可分為和緩環(huán)境和嚴(yán)酷環(huán)境[11]。

在和緩環(huán)境下，安全重要壓力變送器需在安裝期間、運行前、正常運行時確保其結(jié)構(gòu)完整、性能不劣化。表1 為安裝在HPR1000 的典型和緩環(huán)境條件。

表1 環(huán)境條件Tab.1 Environment conditions

而位于嚴(yán)酷環(huán)境下的安全重要壓力變送器，則需在設(shè)計基準(zhǔn)事件條件下或嚴(yán)重事故條件下仍然能執(zhí)行其安全功能，表2 為HPR1000 的典型的事故環(huán)境條件。

表2 事故環(huán)境條件Tab.2 Accident environment conditions

5 環(huán)境因素對安全重要壓力變送器性能指標(biāo)的影響分析

H.M.Hashemian 指出溫度，輻照，壓力，濕度，振動，電壓，電磁干擾等環(huán)境因素均可能導(dǎo)致壓力變送器性能的劣化[12]。

溫度是影響核電廠安全重要壓力變送器性能的主要環(huán)境因素[13]。溫度變化會導(dǎo)致壓力變送器的檢測部件如測量膜片初始張力發(fā)生變化，充液體積改變[14]，此外其電子部件的性能也會受到影響，如絕緣性能下降，進而導(dǎo)致精度的下降。根據(jù)實際的試驗數(shù)據(jù)，溫度每變化10 ℃，對安全重要差壓變送器精度影響絕對值約為0.3% F.S。

輻照對安全重要壓力變送器的性能影響則僅次于溫度[12]，輻照會對其電子部件，有機材料（如密封墊）產(chǎn)生電離作用，影響其物理、化學(xué)、電氣、機械特性。

壓力是另外一個可能導(dǎo)致安全重要壓力變送器性能劣化的重要環(huán)境因素，持續(xù)的壓力波動會加速其檢測部件的磨損，異常的壓力沖擊可能使內(nèi)部充液泄漏。

而安全重要壓力變送器安裝位置附件的長期機械振動，地震事件帶來的隨機低頻振動也不可忽視，其可能帶來壓力變送器的疲勞損壞或部件脫落。

6 安全重要壓力變送器的顯著老化機理分析

導(dǎo)致安全重要壓力變送器性能劣化的因素很多，但設(shè)備鑒定需要確定導(dǎo)致其顯著老化的環(huán)境因素。IEEE Std 627-1980 提出了符合顯著老化機理必須滿足的4 條準(zhǔn)則[8]，但在2019 年進行了升版，與IEC/IEEE 60780-323 2016 中對顯著老化機理的判斷準(zhǔn)則進行了統(tǒng)一：即設(shè)備完成生產(chǎn)后，在存儲和/或正?；虍惓５倪\行環(huán)境下，使設(shè)備在安裝壽期內(nèi)性能劣化趨勢明顯而無法在事故條件下執(zhí)行其安全功能的老化機理[15-16]，基于這樣的判斷準(zhǔn)則，可得出以下：

安裝位于和緩環(huán)境的安全重要壓力變送器，地震是其唯一考慮的設(shè)計基準(zhǔn)事件，振動及壓力循環(huán)帶來的部件松脫與疲勞可能造成與地震一致的相關(guān)故障模式，影響壓力變送器的精度與響應(yīng)時間，但該故障可通過定期的檢查維護，標(biāo)定予以識別和消除，因此認(rèn)為其不存在顯著老化機理。

而安裝位于嚴(yán)酷環(huán)境的安全重要壓力變送器，其需考慮設(shè)計基準(zhǔn)事件如地震，LOCA，MSLB 及超設(shè)計基準(zhǔn)事件所帶來的環(huán)境工況，溫度，輻照，壓力，振動及濕度對壓力變送器作用的老化機理屬于顯著老化機理。

7 安全重要壓力變送器的鑒定壽命與加速老化分析

7.1 鑒定壽命

對于存在顯著老化機理的安全重要壓力變送器，應(yīng)通過老化評價確定其鑒定壽命[16]?；谌A龍一號本身的設(shè)計壽期（60 年），另結(jié)合核電廠換料大修周期和經(jīng)濟性，同時考慮安全重要壓力變送器本身為電子類設(shè)備，其鑒定壽命通常確定為不超過20 年。

7.2 加速老化

顯然我們無法等待安全重要變送器自然老化至鑒定壽命的末期，因此需要采用加速老化的方法。Carfagno，S.P.基于對設(shè)備故障模式的研究，指出代表環(huán)境激勵的應(yīng)力函數(shù)對表征設(shè)備物理狀態(tài)的資源分布函數(shù)和故障密度函數(shù)起到放大作用[17]，因此可通過增大環(huán)境因素的激勵來提前使設(shè)備到達(dá)壽命末期，即加速老化。

阿倫紐斯模型（The Arrhenius Model）是最常用的加速熱老化模型，阿倫紐斯模型有多種表達(dá)形式，式（1）是實際工程應(yīng)用中使用最為廣泛的公式[17]。

式中：

E——活化能值（eV）；

k——玻爾茲曼常數(shù)（eV·K?1）；

τ——鑒定壽命（s）；

T——正常運行溫度（K）；

τ?——加速壽命（s）；

T?——加速運行溫度（K）。

對于壓力變送器，因其組成含多種有機材料，活化能值E的選取應(yīng)基于影響壓力變送器安全功能的活化能值最小的材料，表3 為國內(nèi)外部分型號變送器的E值參考。

表3 部分壓力變送器活化能取值列表Tab.3 EV lists of partial types of transmitters

由于阿倫紐斯模型體現(xiàn)的是材料的化學(xué)反應(yīng)速率，而同一材料在不同溫度下的反應(yīng)速率是變化的，因此加速運行溫度值的選擇應(yīng)趨于保守。

加速輻照老化采用的模型通常是同劑量/同破壞（Equal dose/Equal damage）模型[17]，即在進行實際輻照試驗時，不考慮輻照類型和輻照率，只考慮設(shè)備吸收的總的能量（輻照劑量），從而簡化了輻照老化試驗的操作。在實際試驗中，輻照源通常選用Co 60，輻照率則取0.5～1.0 Mrad/h。

濕度通常與溫度共同作用來加速變送器電路部分的老化，Eyring 提出溫度與其他環(huán)境因素共同作用的通用公式[20]，如式（2）所示；而Peck 基于對環(huán)氧樹脂的包裝的研究在式（2）基礎(chǔ)上提出了Peck 關(guān)系式（Peck′s relationship）[21]，如式（3）所示，盡管其并不具備普適性，但為加速濕熱老化提供了理論支持。IEC 60068-2-30 則為濕熱老化試驗提供了具體的操作流程[22]。

式中：

τ——壽命（s）；

T——溫度（K）；

k——玻爾茲曼常數(shù)（eV·K?1），A，B，C，D 為基于數(shù)據(jù)的常數(shù)；

V——環(huán)境因素變量。

式中：

E——活化能值（eV）；

K——玻爾茲曼常數(shù)（eV·K?1）；

A——常數(shù)；

T——溫度（K）；

RH——相對濕度（%）。

循環(huán)運行（壓力）老化暫無通用的數(shù)學(xué)模型，在實際試驗中，通常對其鑒定壽命期間內(nèi)的循環(huán)次數(shù)進行估算，同時考慮一定的裕量進行實施；對于安全重要壓力變送器，其循環(huán)運行（壓力循環(huán)）次數(shù)通常不少于10 萬次。

而對于振動，由于安全重要壓力變送器所承受的實際水平難以估計或確認(rèn)，因此振動老化中的振動水平并無統(tǒng)一規(guī)定，需根據(jù)設(shè)備具體的運行環(huán)境而選擇不同的嚴(yán)酷等級。具體的振動老化試驗則通?？蓞⒖脊I(yè)標(biāo)準(zhǔn)如IEC 60068-2-6 來實施[23]。

7.3 加速老化試驗順序

對于存在顯著老化機理的安全重要壓力變送器，加速老化試驗是期望能最為合理地模擬實際老化過程，使設(shè)備達(dá)到壽命末期，同時處于性能最劣化狀態(tài)。典型的安全重要壓力變送器老化試驗及順序如圖2[24]。

圖2 典型老化試驗與順序Fig.2 Typical aging test sequence

8 HPR1000 安全重要壓力變送器設(shè)備鑒定流程概述

基于對IEC/IEEE 60780-323 2016 和RCC-E 2005鑒定理論的分析，我們可以更好地去理解NB/T 20149—2012 的安全重要壓力變送器的鑒定實施邏輯，從而可基于其運行環(huán)境針對性地給出鑒定實施的流程。

8.1 功能試驗

工業(yè)領(lǐng)域?qū)毫ψ兯推鞴δ艿男阅茉u價建立了標(biāo)準(zhǔn)的試驗程序與注意事項，包括精度，動態(tài)性能，電氣性能，環(huán)境影響量等試驗[25]。安全重要壓力變送器可參考工業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，進行精度，動態(tài)性能，電氣性能等功能試驗。

在功能試驗完成后的后續(xù)鑒定試驗間隔中，均需通過對壓力變送器的基本功能進行測試，以決定是否進入下一階段。

8.2 極限運行工況試驗

對于正常運行和異常運行的極限工況，包括溫度，濕度，電壓，壓力，電磁環(huán)境等，安全重要壓力變送器應(yīng)證明其可正常工作，可通過試驗也可提供其他證明文件。

8.3 安裝于和緩環(huán)境的安全重要壓力變送器

安裝于和緩環(huán)境的安全重要壓力變送器，因其不存在顯著老化機理，故無需進行加速老化試驗，在完成8.1、8.2 節(jié)試驗后即可基于安裝位置的樓層反應(yīng)譜進行模擬地震事故試驗。

8.4 安裝于嚴(yán)酷環(huán)境的安全重要壓力變送器

安裝于嚴(yán)酷環(huán)境的安全重要壓力變送器，應(yīng)參考圖2 進行加速老化試驗，然后進行模擬設(shè)計基準(zhǔn)事故試驗（包括地震，LOCA 或MSLB 等）或超設(shè)計基準(zhǔn)事故試驗（如嚴(yán)重事故工況）。

由于試驗條件限制以及經(jīng)濟性考慮，LOCA 或MSLB 試驗和超設(shè)計基準(zhǔn)事故試驗通常無法同時模擬高溫高壓噴淋及輻照環(huán)境，因此在實際操作中，往往將事故環(huán)境的輻照劑量累計至輻照老化試驗中。

事實上不難看出，RCC-E 中所提出的K1 類，K2 類，K3 類鑒定流程[5]，正是基于IEC/IEEE 60780-323 鑒定理論[16]所總結(jié)的操作流程，如8.1 至8.2 至8.3 對應(yīng)的便是K3 類鑒定流程，而8.1 至8.2 至8.4對應(yīng)的是實際的K1 類鑒定流程。設(shè)備鑒定的核心與難點便在于對具體設(shè)備在具體運行環(huán)境下老化機理的充分理解。

9 結(jié)論

核電站安全重要變送器的設(shè)備鑒定的實施可參考本文提出的鑒定流程，但需注意的是：其并非簡單的試驗累加，要避免出現(xiàn)過鑒定或鑒定不足的情況，應(yīng)基于科學(xué)的分析盡量真實地還原實際運行情況。

設(shè)備鑒定不應(yīng)只是一個獨立的技術(shù)管理過程，應(yīng)與核電站的安全設(shè)計理念，設(shè)備本身的故障機理和試驗檢驗技術(shù)緊密結(jié)合，只有這樣才能真正做到為核電廠的安全奠定基礎(chǔ)。