反應(yīng)堆儀控電纜絕緣降低原因分析及對(duì)策研究

涂彩清，李 偉，宋 雨，苑偉宇

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

1 電纜絕緣降低及初步處理情況

2004年5月，某核電機(jī)組熱試以后發(fā)現(xiàn)，儀控系統(tǒng)的電纜絕緣下降，進(jìn)一步檢查確認(rèn)，該系統(tǒng)從反應(yīng)堆豎井到安全殼貫穿件之間的殼內(nèi)電纜絕緣下降。分析表明，由于噴淋試驗(yàn)以及空氣潮濕等原因，造成從反應(yīng)堆豎井到安全殼貫穿件之間的殼內(nèi)電纜孔道內(nèi)聚集大量的水汽，并在反應(yīng)堆豎井的電纜孔道端口處凝結(jié)，導(dǎo)致殼內(nèi)電纜絕緣值下降。雖然該系統(tǒng)殼內(nèi)電纜絕緣最低要求為0.5 MΩ，但從縱深防御的角度考慮，只要存在電纜絕緣下降的趨勢(shì)，在絕緣值降低到遠(yuǎn)大于最低限值要求前就應(yīng)該著手處理。

為了處理殼內(nèi)電纜絕緣問(wèn)題，通過(guò)分析比較以及多次試驗(yàn)，確定了選用E1-Cast 1-F-5TAB型環(huán)氧樹脂將電纜接頭和電纜芯線焊接處的焊點(diǎn)密封、并在環(huán)氧樹脂表面涂抹防輻照漆的處理方案。由于環(huán)氧樹脂良好的密封性能，經(jīng)過(guò)處理后，殼內(nèi)電纜絕緣全部恢復(fù)到1 000 MΩ以上。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，部分殼內(nèi)電纜絕緣又出現(xiàn)下降趨勢(shì)，特別是裝料運(yùn)行后，電纜絕緣下降趨勢(shì)更為明顯。

2 殼內(nèi)電纜絕緣降低原因分析

2.1 電纜孔道設(shè)計(jì)不合理

反應(yīng)堆豎井周圍的電纜孔道設(shè)計(jì)為橫向布置，且豎井壁處的電纜接頭處于電纜孔道內(nèi)的相對(duì)低點(diǎn)，因此孔道內(nèi)的凝結(jié)水和潮氣會(huì)聚集在電纜接頭處(如圖1所示)，造成電纜絕緣下降。

2.2 環(huán)氧樹脂開裂

2005年2月和10月，2根殼內(nèi)儀控電纜通道絕緣值分別降低到100 MΩ以下，在反應(yīng)堆豎井壁處剪下電纜接頭，分別測(cè)量電纜和電纜接頭的絕緣情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電纜絕緣情況良好，電纜接頭絕緣降低，更換電纜接頭以后電纜絕緣恢復(fù)正常。

2007年2月，機(jī)組小修期間，在反應(yīng)堆豎井處進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，電纜接頭處存在大量凝結(jié)水，部分電纜接頭的環(huán)氧樹脂出現(xiàn)明顯開裂情況。關(guān)于環(huán)氧樹脂開裂的原因，與國(guó)內(nèi)科研院所進(jìn)行了交流，了解到：

(1) 工業(yè)上用于處理絕緣問(wèn)題的環(huán)氧樹脂種類有數(shù)十種，有單一試劑加固化劑的(現(xiàn)場(chǎng)使用的就是這種類型)，也有雙試劑加固化劑的，后者使用效果較好；

(2) 根據(jù)其他核電工程所做試驗(yàn)，用環(huán)氧樹脂處理電纜絕緣問(wèn)題，其優(yōu)點(diǎn)是固化后硬度較高，缺點(diǎn)是脆性較大，不耐輻照，抗熱應(yīng)力效果較差，能長(zhǎng)期工作的環(huán)境溫度一般不超過(guò)80 ℃；

(3) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，環(huán)氧樹脂在高輻照和溫度變化較大的環(huán)境中使用，可能出現(xiàn)裂縫。一般在沒有輻照的地方使用環(huán)氧樹脂，而在有輻照的地方使用硅橡膠或K1級(jí)的熱縮套管。

通過(guò)分析可知，殼內(nèi)電纜絕緣降低的根本原因?yàn)椋簹?nèi)電纜通道設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致凝結(jié)水在反應(yīng)堆豎井電纜接頭處聚集，而用于密封電纜接頭焊點(diǎn)的環(huán)氧樹脂在高輻照和溫度變化較大環(huán)境下開裂，導(dǎo)致潮氣滲入接頭焊點(diǎn)處，使得電纜絕緣降低。

3 殼內(nèi)電纜絕緣問(wèn)題處理方案可行性分析

3.1 殼內(nèi)電纜絕緣問(wèn)題處理總體思路

由于從反應(yīng)堆豎井到安全殼貫穿件之間的電纜孔道無(wú)法完全密封，而反應(yīng)堆在冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)電纜孔道內(nèi)溫度變化較大，因此當(dāng)反應(yīng)堆處于冷態(tài)時(shí)，不可避免地會(huì)在豎井的電纜接頭處產(chǎn)生凝結(jié)水。

在電纜接頭的環(huán)氧樹脂上涂抹的防輻照漆實(shí)際上并沒有起到防止環(huán)氧樹脂開裂的效果，因此，處理殼內(nèi)電纜絕緣下降問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)電纜接頭的處理，應(yīng)使其在有凝結(jié)水的環(huán)境中仍能保持正常的絕緣。處理思路是考慮對(duì)殼內(nèi)電纜進(jìn)行整體更換或者對(duì)絕緣低的電纜通道進(jìn)行個(gè)別處理。

對(duì)殼內(nèi)電纜(包括電纜接頭)進(jìn)行整體更換可以徹底解決絕緣下降問(wèn)題，但這個(gè)方案所需費(fèi)用高昂(根據(jù)機(jī)組建設(shè)期報(bào)價(jià)，材料費(fèi)用大概需要數(shù)千萬(wàn)元人民幣)，并且至少需要占用4個(gè)星期的大修主線，因此整體更換的方案在現(xiàn)階段不可行。

對(duì)于絕緣值低于或接近運(yùn)行限值的電纜通道進(jìn)行個(gè)別改造，費(fèi)用較低并且可不占用大修主線時(shí)間，是現(xiàn)階段可行的處理方案。

通過(guò)分析，可以考慮以下3種處理方案：

(1) 更換電纜接頭；

(2) 在環(huán)氧樹脂上增加其他的密封材料；

(3) 加強(qiáng)電纜孔洞內(nèi)電纜接頭的對(duì)流通風(fēng)。

3.2 更換電纜接頭方案的可行性分析

電纜接頭上環(huán)氧樹脂開裂是導(dǎo)致殼內(nèi)電纜絕緣降低的內(nèi)在原因，因此更換電纜接頭并使用硅橡膠或K1級(jí)熱縮管作為密封材料，理論上可以解決電纜絕緣降低的問(wèn)題。

在實(shí)驗(yàn)室使用硅橡膠對(duì)電纜接頭進(jìn)行了密封試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：由于儀控電纜接頭芯線較多(28芯)，而硅橡膠在固化前流動(dòng)性較差，固化后無(wú)法完全包裹每個(gè)芯線焊點(diǎn)，密封效果不理想(如圖2所示)。

由于電纜接頭后側(cè)有一個(gè)5 mm的凸臺(tái)，只使用K1級(jí)熱縮套管密封的話，會(huì)導(dǎo)致在凸臺(tái)處密封不嚴(yán)密。考慮到環(huán)氧樹脂良好的密封性能，可以考慮先用環(huán)氧樹脂密封接頭，隨后在環(huán)氧樹脂表面使用K1級(jí)熱縮套管密封。這樣一來(lái)，即使環(huán)氧樹脂由于輻照和熱應(yīng)力影響出現(xiàn)開裂，也不會(huì)影響到電纜接頭的密封性能。

如果只更換電纜接頭而不更換電纜，在反應(yīng)堆豎井處電纜接頭的重新焊接和密封處理將會(huì)帶來(lái)較大的異物風(fēng)險(xiǎn)，并可能占用大修主線時(shí)間；此外部分電纜預(yù)留長(zhǎng)度不足，也無(wú)法滿足重新焊接的要求。因此，只能對(duì)電纜接頭連同電纜進(jìn)行整體更換，先將接頭與電纜焊接，并對(duì)接頭進(jìn)行預(yù)制后敷設(shè)到電纜孔道內(nèi)，最后在安全殼貫穿件處重新端接。

整體更換方案的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 可以對(duì)電纜接頭進(jìn)行預(yù)制，并選用合適的密封材料對(duì)電纜接頭進(jìn)行密封；

(2) 在經(jīng)過(guò)測(cè)試合格后再將預(yù)制好的電纜和接頭安裝到電纜通道內(nèi)，保證電纜絕緣滿足要求。

整體更換方案的缺點(diǎn)：

(1) 材料費(fèi)用較高，殼內(nèi)電纜、安全殼貫穿件端接材料和對(duì)接材料等都需要整體更換；

(2) 原有電纜橋架裕量較小，如果更換電纜數(shù)量較多，還需要重新搭建新的電纜橋架；

(3) 需要重新敷設(shè)電纜并進(jìn)行貫穿件上的端接工作，工期較長(zhǎng)。

3.3 在環(huán)氧樹脂上增加其他密封材料可行性分析

如能消除開裂、減少開裂或消除開裂的不利影響，使用環(huán)氧樹脂處理電纜絕緣下降問(wèn)題的效果還是比較好的。環(huán)氧樹脂的開裂說(shuō)明，在殼內(nèi)電纜接頭上涂抹的防輻照漆可能并未起到防輻照的效果。如果能在環(huán)氧樹脂表面增加其他密封材料(如K1級(jí)熱縮套管)，減少環(huán)氧樹脂受輻照影響，那么，即使環(huán)氧樹脂有一些開裂，也能保證密封，這樣，絕緣降低問(wèn)題在一定程度上可以得到解決。

從反應(yīng)堆豎井處電纜接頭示意圖可以看出，在灌注了環(huán)氧樹脂以后，如果在環(huán)氧樹脂上再增加其他密封材料的話，由于電纜接頭與電纜孔道內(nèi)壁的空間余量較小，電纜接頭可能無(wú)法回裝到電纜孔道內(nèi)。因此可以考慮在接頭的法蘭處增加鋼襯，將電纜接頭的環(huán)氧樹脂部分移到電纜孔洞外面。

電纜接頭副翼直徑為50 mm，電纜直徑為25 mm，如果選用熱縮套管的話，其內(nèi)徑必須大于50 mm，這樣套管熱縮到電纜上的厚度將超過(guò)5 mm，會(huì)導(dǎo)致電纜無(wú)法回裝到電纜孔道內(nèi)，而且由于熱縮套管內(nèi)徑過(guò)大，其密封效果也不好。經(jīng)過(guò)比較，美國(guó)瑞侃公司生產(chǎn)的NJRT-1N型K1級(jí)熱縮帶熱縮后厚度可達(dá)2 mm左右。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該熱縮帶的密封效果進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其操作工藝簡(jiǎn)便，密封性能優(yōu)良(如圖3所示)。

熱縮帶密封方案的優(yōu)點(diǎn)：不需更換電纜接頭，費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)單，不需占用大修主線時(shí)間。

熱縮帶密封方案的局限：

(1) 固定螺栓加長(zhǎng)后其強(qiáng)度會(huì)受到影響，需要使用高強(qiáng)度螺栓，需請(qǐng)專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)加長(zhǎng)的螺栓是否滿足應(yīng)力要求進(jìn)行分析計(jì)算；

(2) 對(duì)電纜接頭進(jìn)行處理時(shí)，需要在反應(yīng)堆豎井處將電纜向外拉出20 cm左右，部分電纜長(zhǎng)度裕量不足。

3.4 加強(qiáng)對(duì)流通風(fēng)方案可行性分析

根據(jù)此前反應(yīng)堆停堆時(shí)對(duì)電纜通道應(yīng)急處理的經(jīng)驗(yàn)，將電纜從孔道中拔出一段距離，使用自然通風(fēng)就可以在短時(shí)間內(nèi)提高電纜絕緣。如果加強(qiáng)反應(yīng)堆豎井電纜接頭處的對(duì)流通風(fēng)，可以避免潮氣在接頭處聚集，從而提高電纜絕緣。

在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)堆豎井內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)量較大。可以考慮在固定螺栓上增加比較厚的墊片，使得電纜孔道不密封，在電纜孔道中形成對(duì)流通風(fēng)，自然風(fēng)干接頭，有效避免凝結(jié)水在接頭處的聚集。

方案的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 無(wú)需更換電纜接頭，也無(wú)需包裹熱縮帶，操作簡(jiǎn)單；

(2) 對(duì)電纜長(zhǎng)度裕量要求不高，只需在反應(yīng)堆豎井處將電纜拉出2～3 cm即可操作。

方案的局限：電纜孔道內(nèi)的接頭失去密封，輻照對(duì)于環(huán)氧樹脂的影響可能會(huì)加大，有可能加速環(huán)氧樹脂的開裂。

3.5 加長(zhǎng)螺栓后的強(qiáng)度分析

增加密封材料的方案中采用了加長(zhǎng)的螺栓并增加了套筒，使接頭的受力情況發(fā)生變化。為了保證接頭有足夠的強(qiáng)度，不致因接頭損壞對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，需要對(duì)電纜接頭在反應(yīng)堆豎井環(huán)境下的強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。

2009年6月曾委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)反應(yīng)堆豎井環(huán)境下電纜接頭的強(qiáng)度(增加密封材料方案)進(jìn)行了分析計(jì)算。分析對(duì)象包括法蘭盤、保護(hù)套筒和連接螺栓。

計(jì)算中對(duì)改造后的殼內(nèi)接頭樣品結(jié)構(gòu)和受力進(jìn)行了詳細(xì)分析，采用了常規(guī)的計(jì)算分析和有限元分析。在ANSYS10.0環(huán)境下分別對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)載荷分析、熱載荷分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，計(jì)算與分析結(jié)果匯總見表1。

計(jì)算結(jié)果表明，各分析對(duì)象滿足使用條件和使用環(huán)境下的強(qiáng)度要求和剛度要求。從表1可以看出，各分析對(duì)象許用應(yīng)力最小余量也大于50 %，即從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度看，接頭的改造方案可行。

4 方案驗(yàn)證

由于反應(yīng)堆儀控電纜對(duì)于機(jī)組安全運(yùn)行非常重要，殼內(nèi)電纜的絕緣改造的各種方案都應(yīng)經(jīng)過(guò)充分的分析、論證和驗(yàn)證，最終選擇合適的處理方案。

表1 計(jì)算分析結(jié)果

曾有3根殼內(nèi)電纜絕緣值低于運(yùn)行限值，現(xiàn)已使用絕緣正常的其他備用電纜通道替代。選擇這3根有缺陷的電纜通道(分別標(biāo)記為A，B，C)，對(duì)三種絕緣處理方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.1 更換電纜接頭方案驗(yàn)證

2010年4月機(jī)組大修期間，對(duì)電纜通道A進(jìn)行了處理。實(shí)施方案如下：

(1) 按照?qǐng)D紙，使用跟現(xiàn)場(chǎng)使用材料相同的材料焊接電纜接頭；

(2) 制作專用的灌澆模具，在電纜接頭處灌注環(huán)氧樹脂(見圖4)；

(3) 待環(huán)氧樹脂固化后在樹脂表面熱縮K1級(jí)熱縮套管(見圖5)；

(4) 將A電纜通道中的原來(lái)的電纜整體拆除，重新安裝預(yù)制好的電纜(見圖6)。

方案效果驗(yàn)證：

(1) 更換完成以后，從2010年4月開始每月一次定期對(duì)A通道電纜絕緣進(jìn)行檢查，其絕緣電阻值始終保持在500 MΩ以上；

(2) 更換電纜可與反應(yīng)堆主線工作并行，不需要占用大修時(shí)間。

4.2 增加密封材料方案驗(yàn)證

2008年10月機(jī)組小修期間，對(duì)電纜通道B進(jìn)行了處理。

實(shí)施方案如下(參見圖7和8)：

(1) 按照瑞侃公司提供的標(biāo)準(zhǔn)，使用NJRT-1N型K1級(jí)熱縮帶對(duì)電纜接頭進(jìn)行包裹；

(2) 在法蘭下增加2個(gè)長(zhǎng)度為50 mm的半柱形不銹鋼支撐件；

(3) 將固定螺栓由M6×25變?yōu)镸6×75；

(4) 不銹鋼支撐件使用不銹鋼喉箍固定。

方案效果驗(yàn)證：

電纜通道B進(jìn)行干燥處理前電纜絕緣為0.6 MΩ，干燥處理后絕緣恢復(fù)到100 MΩ，隨后使用熱縮帶進(jìn)行處理。從2008年11月開始，每月1次定期對(duì)該電纜通道絕緣進(jìn)行檢查，絕緣值始終保持在100 MΩ以上。

4.3 加強(qiáng)對(duì)流通風(fēng)方案驗(yàn)證

2009年10月機(jī)組小修期間，對(duì)電纜通道C進(jìn)行了處理。實(shí)施方案如下(參見圖9)：

(1) 將固定螺栓由M6×25改為M6×35；

(2) 在法蘭下、螺栓上增加一個(gè)約10 mm厚的墊片。

方案效果驗(yàn)證：

電纜通道C在機(jī)組第1次大修期間絕緣值曾降至0.03 MΩ，使用風(fēng)干的辦法也不能使其絕緣穩(wěn)定在1 MΩ以上。使用加強(qiáng)對(duì)流通風(fēng)的方案處理后，從2009年12月開始每月1次對(duì)該電纜通道絕緣進(jìn)行檢查，絕緣值始終保持在100 MΩ以上。

5 改造方案的確定

通過(guò)上述的驗(yàn)證試驗(yàn)，證明更換電纜接頭、增加密封材料、加強(qiáng)對(duì)流通風(fēng)3個(gè)方案對(duì)處理殼內(nèi)電纜絕緣降低問(wèn)題都是可行的。

每個(gè)機(jī)組殼內(nèi)電纜有數(shù)百根，目前絕大部分通道電纜絕緣值滿足運(yùn)行限值要求。對(duì)電纜通道的改造將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。后續(xù)改造策略如下：

(1) 對(duì)于電纜長(zhǎng)度裕量較多的通道選用增加密封材料方案；

(2) 對(duì)于電纜長(zhǎng)度裕量較少的通道選用加強(qiáng)對(duì)流通風(fēng)方案；

(3) 對(duì)于絕緣不能恢復(fù)的通道選用更換電纜接頭方案；

(4) 制訂殼內(nèi)電纜絕緣問(wèn)題處理計(jì)劃，在保證質(zhì)量并盡量不占用大修主線時(shí)間的原則下，在后續(xù)大修中分批對(duì)殼內(nèi)電纜通道進(jìn)行改造處理。