核電站1E級(jí)儀表環(huán)境鑒定技術(shù)探析

劉松林，張楠，王蘭蘭（中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 引言

為了減少由于環(huán)境影響而導(dǎo)致核電站1E級(jí)儀表共模失效的潛在可能，并證明1E級(jí)儀表有能力完成其安全設(shè)計(jì)功能，必須對(duì)1E級(jí)儀表進(jìn)行環(huán)境鑒定。目前我國核電站的1E級(jí)儀表環(huán)境鑒定主要遵循GB、IEEE和RCCE系列標(biāo)準(zhǔn)。隨著國內(nèi)核電技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，1E級(jí)儀表的環(huán)境鑒定技術(shù)逐漸完善，本文對(duì)三代核電站的1E級(jí)儀表環(huán)境鑒定技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，并與二代改進(jìn)型核電站的1E級(jí)儀表環(huán)境鑒定技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，詳細(xì)論述了1E級(jí)儀表環(huán)境鑒定技術(shù)的發(fā)展和完善。

2 儀表環(huán)境鑒定方法[1]

1E級(jí)儀表鑒定方法有試驗(yàn)法、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)法、分析法和組合法。

試驗(yàn)法是鑒定設(shè)備執(zhí)行其安全功能的首選方法，它適用于大部分設(shè)備的質(zhì)量鑒定。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)法是指，已成功運(yùn)行的設(shè)備可以被認(rèn)為已經(jīng)在嚴(yán)酷程度相同或較低的運(yùn)行條件下經(jīng)過質(zhì)量鑒定。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)芴峁┩馔茦O限值、故障模式和故障率方面的資料。

分析法是為了證明試驗(yàn)件已經(jīng)滿足或超過了對(duì)試驗(yàn)件自身的要求，證明其可以在正常、異常、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBE）環(huán)境下執(zhí)行其指定的安全功能。分析法是建立在一些已成立的定理和部分試驗(yàn)的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。所有的這些假設(shè)，包括推理，都必須根據(jù)認(rèn)可的定理或可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

組合法是指使用上述方法的任意組合對(duì)設(shè)備進(jìn)行鑒定。

3 環(huán)境鑒定分類

在三代核電站的環(huán)境鑒定中，將環(huán)境分為和緩環(huán)境、輻射-嚴(yán)酷環(huán)境和嚴(yán)酷環(huán)境三類，如表1所示。

3.1 和緩環(huán)境儀表鑒定

和緩環(huán)境是正常運(yùn)行工況和僅有抗震要求的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件（DBE）異常工況區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)。應(yīng)用于和緩環(huán)境的儀表，設(shè)備鑒定前應(yīng)使用分析的方法確定其是否存在老化機(jī)理。

位于此類區(qū)域內(nèi)的且沒有明顯老化機(jī)理儀表可以不要求鑒定壽命。位于和緩環(huán)境的儀表存在顯著老化機(jī)理時(shí)，必須進(jìn)行老化試驗(yàn)，并且根據(jù)已知的顯著老化機(jī)理和可靠性數(shù)據(jù)確定儀表的設(shè)計(jì)壽命。

3.2 輻射-嚴(yán)酷環(huán)境儀表鑒定

高放射性環(huán)境是指設(shè)備所處環(huán)境高于一定輻射水平，無論其他的環(huán)境條件處于正常或非常狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備所處環(huán)境放射性累計(jì)劑量超過104rads（102Gy）（γ）[對(duì)設(shè)備中的I&C 電子和微處理器部件為103rads（10Gy）（γ）]時(shí)，環(huán)境鑒定試驗(yàn)中應(yīng)包括輻照老化試驗(yàn)。

3.3 嚴(yán)酷環(huán)境儀表鑒定

嚴(yán)酷環(huán)境是指冷卻劑喪失事故（LOCA）、主蒸汽管道破裂（MSLB）或高能管道破裂（HELB）條件下安全殼內(nèi)的環(huán)境和高HELB事故或LOCA 事故后安全殼外的環(huán)境。

對(duì)處于嚴(yán)酷環(huán)境的設(shè)備進(jìn)行鑒定應(yīng)采取試驗(yàn)法或者試驗(yàn)加分析的方法。試驗(yàn)應(yīng)包括熱老化試驗(yàn)和機(jī)械老化試驗(yàn)、輻照試驗(yàn)、極端環(huán)境條件試驗(yàn)、地震和振動(dòng)影響試驗(yàn)。儀表的環(huán)境鑒定試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)設(shè)備所處的特定工作環(huán)境，并考慮一定裕量，按照IEEE 323-2003規(guī)定的順序進(jìn)行。

表1 和緩、輻射-嚴(yán)酷、嚴(yán)酷環(huán)境下的型式試驗(yàn)[2]

4 環(huán)境鑒定內(nèi)容

AP1000 1E級(jí)儀表環(huán)境鑒定的要求和參數(shù)分為正常環(huán)境條件、異常環(huán)境條件和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件（地震、DBE和DBE后）三種情況。

不需要耐受DBE環(huán)境條件的設(shè)備，只需對(duì)正常和異常環(huán)境條件進(jìn)行鑒定即可；需要耐受DBE環(huán)境條件的設(shè)備首先應(yīng)滿足正常和異常環(huán)境條件下的鑒定，其次滿足DBE和DBE后環(huán)境鑒定。下面僅對(duì)環(huán)境鑒定的內(nèi)容進(jìn)行分析，對(duì)于抗震鑒定和DBE部分不作論述。

4.1 老化

首先對(duì)儀表進(jìn)行評(píng)估以確認(rèn)其是否存在潛在的顯著老化機(jī)理。這種老化可能導(dǎo)致設(shè)備性能退化，進(jìn)而漸漸地使設(shè)備失效，使其不能在DBE條件下執(zhí)行安全功能。

（1）磨損老化（機(jī)械/電子）

周期性操作的或頻繁操作的設(shè)備會(huì)發(fā)生機(jī)械內(nèi)構(gòu)件的周期性老化和磨損。對(duì)設(shè)計(jì)過程中存在顯著機(jī)械或電子老化機(jī)理的設(shè)備，在DBE試驗(yàn)之前應(yīng)先進(jìn)行機(jī)械/電子老化試驗(yàn)。如果鑒定試驗(yàn)程序中沒有進(jìn)行磨損老化，則必須進(jìn)行合理的分析。

（2）熱老化

熱老化試驗(yàn)是用來模擬設(shè)備在壽命末的退化影響。

熱老化試驗(yàn)等效的壽命通過阿倫紐斯定律和材料的活化能來計(jì)算。首先對(duì)儀表中各種材料的活化能進(jìn)行分析，從對(duì)安全相關(guān)功能影響最大的活化能中選擇一個(gè)最保守的值。在適當(dāng)條件下，需考慮源于溫度變化的材料熱疲勞損傷。

（3）輻照老化

輻照老化試驗(yàn)是模擬設(shè)備在壽期末輻照老化影響。輻照老化應(yīng)當(dāng)考慮預(yù)期壽命內(nèi)和DBE條件下所受γ輻照劑量總和的影響。位于嚴(yán)酷或是輻射-嚴(yán)酷環(huán)境的設(shè)備都要進(jìn)行輻照老化試驗(yàn)。基于偏保守的考慮，在地震和模擬事故環(huán)境工況試驗(yàn)前進(jìn)行輻照老化試驗(yàn)。

測(cè)試中受到的總輻照劑量（TID）包括正常、事故的劑量，等于或是超過要求輻射劑量的最高值。

（4）振動(dòng)老化

應(yīng)對(duì)產(chǎn)生的不同程度的磨損和振動(dòng)進(jìn)行評(píng)估以明確潛在的顯著設(shè)備老化。振動(dòng)老化（非地震）應(yīng)考慮自身引入的振動(dòng)和來自管道、泵、電動(dòng)機(jī)等運(yùn)行振動(dòng)。非地震性的振動(dòng)可能產(chǎn)生疲勞受損、機(jī)械磨損、公差調(diào)整度喪失、部件松動(dòng)等現(xiàn)象。非地震性振動(dòng)老化試驗(yàn)應(yīng)在抗震測(cè)試之前進(jìn)行。

IEEE382-2006對(duì)電廠正常運(yùn)行時(shí)管裝設(shè)備正常運(yùn)行所造成的運(yùn)行振動(dòng)進(jìn)行了明確要求。通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行以每分鐘2倍頻程從5Hz~100Hz~5Hz的正弦拍波試驗(yàn)，對(duì)振動(dòng)老化引起的潛在疲勞影響進(jìn)行評(píng)估。設(shè)備應(yīng)在每個(gè)正交軸向進(jìn)行90分鐘的振動(dòng)試驗(yàn)。以低頻狀態(tài)下0.75g（7.36m/s2）加速度或減速度的正弦信號(hào)為輸入信號(hào)，將雙振幅限定在0.635mm以內(nèi)[3]。

4.2 電磁兼容性

電磁和射頻干擾（EMI/RFI）可能是來自于操縱員向控制盤、外殼或機(jī)柜的靜電釋放，或是對(duì)講機(jī)、手機(jī)、收音機(jī)和電視等相關(guān)的設(shè)備。

電磁兼容性（EMC）鑒定必須遵循NRC管理導(dǎo)則1.180進(jìn)行型式試驗(yàn)。NRC管理導(dǎo)則R.G. 1.180是關(guān)于核級(jí)設(shè)備的導(dǎo)則，當(dāng)非核級(jí)設(shè)備也要滿足核級(jí)設(shè)備的要求時(shí)，也可參照此導(dǎo)則。R.G. 1.180給出EMC鑒定方法，并且同樣認(rèn)可基于EPRI典型報(bào)告TR-102323的試驗(yàn)準(zhǔn)則和方法。[4]、[5]

儀控和電子設(shè)備的EMC鑒定標(biāo)準(zhǔn)用來保證設(shè)備性能和可用性。并且，相關(guān)分析不能作為設(shè)備EMC鑒定的主要方法，必須通過試驗(yàn)來論證其EMC性能。

5 三代核電站環(huán)境鑒定技術(shù)改進(jìn)

三代核電站對(duì)1E級(jí)儀表鑒定的特定環(huán)境條件和運(yùn)行條件所存在的各種因素都做了詳細(xì)的要求，并作了充分評(píng)價(jià)。下面從五個(gè)方面描述三代核電站在1E級(jí)儀表環(huán)境鑒定技術(shù)方面的改進(jìn)。

（1）事故后可操作時(shí)間

三代核電站對(duì)于不同儀表有不同的可操作時(shí)間要求，用DBE后的熱老化試驗(yàn)時(shí)間來表示DBE后儀表的可運(yùn)行時(shí)間。

（2）淹沒

三代核電站不同環(huán)境區(qū)域的儀表在DBE模擬事故試驗(yàn)時(shí)施加一個(gè)最小16.5 psig（113.65 KPa）的壓力，淹沒安全殼內(nèi)的液體初始的PH值為4.5的硼酸溶液，pH值在事故后的數(shù)小時(shí)內(nèi)增加到7.80~7.85之間。

（3）輻照老化試驗(yàn)

三代核電站要求，當(dāng)設(shè)備所處環(huán)境放射性累計(jì)劑量超過104rads（102Gy）（γ）[對(duì)設(shè)備中的I&C電子和微處理器部件為103rads（10Gy）（γ）]時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行輻照老化試驗(yàn)。

（4）鑒定壽命

三代核電站1E級(jí)儀表鑒定壽期的目標(biāo)為60年，當(dāng)達(dá)不到60年的壽期要求時(shí)，應(yīng)確定一個(gè)短期的鑒定壽命，并提供設(shè)備的更換程序文件。二代改進(jìn)型核電站參考的RCCE中沒有明確鑒定壽命的說法，但一般情況下，機(jī)械部件要求40年，電子部件要求10年。

（5）振動(dòng)老化

三代核電站設(shè)備以每分鐘2倍頻程從5Hz~100Hz~5Hz的正弦拍波試驗(yàn)，對(duì)振動(dòng)老化引起的潛在疲勞影響進(jìn)行評(píng)估，設(shè)備應(yīng)在每個(gè)正交軸向進(jìn)行90分鐘的振動(dòng)試驗(yàn)。二代改進(jìn)型核電站根據(jù)RCC-E D2221給出了各設(shè)備的振動(dòng)老化試驗(yàn)頻率為10~2000Hz。[6]

6 結(jié)語

綜上所述，1E級(jí)儀表是核電站安全系統(tǒng)保持其安全功能的重要保障，是核電廠安全縱深防御的重要環(huán)節(jié)。通過對(duì)1E級(jí)儀表環(huán)境鑒定條件的分析和研究，確認(rèn)了可能影響1E級(jí)儀表安全功能的潛在因素，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，運(yùn)用正確的方法對(duì)1E級(jí)儀表進(jìn)行環(huán)境鑒定，杜絕共模故障發(fā)生的可能。

[1] IEEE323-2003 IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations.

[2] APP-GW-VP-040 AP1000 Safety-Related Field Sensors Equipment Qualification Specification.

[3] IEEE382-2006 IEEE Standard for Qualification of Safety-Related Actuators for Nuclear Power Generating Stations.

[4] R.G.1.180 Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interference in Safety-Related Instrumentation and Control Systems.

[5] TR-102323 Guidelines for Electromagnetic Interference Testing in Power Plants.

[6] RCC-E D2221 Normal Ambient Conditions.