海上核電站儀控設備鑒定的方法與建議

黃 勇 ，何伯陽 ，郭 偉

（1.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中廣核研究院有限公司，深圳 518031）

隨著對海洋經濟的倚重，世界各核電大國也紛紛將目光投向海上浮動核電站，以突破海上開發的能源供給瓶頸，為偏遠島嶼和海上石油天然氣開采平臺提供電力、熱力和淡水資源。世界上首座海上浮動核電站——俄羅斯 “羅蒙諾索夫院士”（Akademik Lomonosov）號已下海測試；我國也在加速發展海上浮動核電站，并被國家發改委納入能源科技創新“十三五”規劃。

海上浮動核電站是核電應用新技術，它將陸上的發電堆引入船舶，具有船舶和核電站雙重屬性。因此，海上浮動核電站儀控系統設計既需要符合核電站建設相關法律法規，也需要符合船舶建造設計規范，還需要綜合考慮海上環境對核電儀控設備的影響。

1 海上浮動核電站應考慮的環境條件

設備的鑒定因素基于設備的使用條件，即設備在其壽期內經歷的所有環境條件和運行條件。環境條件是指存在于設備外部的條件，比如溫度、輻照、壓力、沖擊等。文獻[1-2]對海洋氣候環境條件和機械環境條件的要求進行了規定；文獻[3]對船舶電氣設備設計的環境條件要求進行了規定。相對于陸上核電站儀控設備的使用條件而言，海上浮動核電站增加了海洋環境條件下的使用要求，主要有船舶撞擊（沖擊）、極端風浪（傾斜、搖擺）、化學及生物條件（鹽霧、霉菌）下設備的適應性要求。

為此，海上浮動核電站儀控系統的設計應考慮以下環境條件：

1）氣候環境條件 包括氣溫、濕度、鹽霧、霉菌、沙粒和沙塵、降雨、冰雹、降雪、結冰、太陽輻照等；

2）機械環境條件 包括傾斜、搖擺、振動、沖擊等。

其中的傾斜、搖擺、鹽霧、霉菌、沖擊是海上核電站特定的海洋環境條件，其對儀控設備設計的影響應予重點考慮。

2 海洋環境條件對儀控設備的影響

2.1 沖擊

海上浮動核電站在航行過程中，會受到推進發電機的振動、海浪正常碰擊與甲板上浪沖擊的綜合影響。在事故工況下，還可能會受到船體碰撞、飛機墜落撞擊等劇烈的事故沖擊影響。沖擊、碰撞工況產生的沖擊力會傳遞到船上設備，對設備的結構和支承影響較大。

這些沖擊對海上浮動核電站儀控設備的結構及功能造成影響，具體包括：設備產生疲勞而損壞、可靠性下降及功能和性能異常等；設備之間、設備與船體構筑物之間產生相對位移而引起碰撞、擠壓；部件連接斷開；電子元器件管腳斷開、導線連接斷裂，電氣短路，粘層、鍵合點松脫，開關觸點瞬間斷開；等[4]。因此，海上核浮動電站設計時，需綜合考慮海底抨擊、船首沖擊、碰撞、墜物等載荷對移動平臺強度的影響。

儀控設備設計時，應對沖擊的措施有：設備底部安裝減震器；使用強度高、延伸率大的材料；避免采用懸臂式構件；焊縫盡可能遠離高應力區；電氣設備的接線應有足夠的松弛長度；設備與外部的連接應有撓性；可動部件盡可能采用動平衡設計；等。

2.2 傾斜與搖擺

傾斜、搖擺是海上平臺上安裝的所有設備都將承受的一種基本的機械環境載荷。

傾斜指由于海上平臺事故浸水、操縱、裝載不平衡和風浪所造成的縱向或橫向的最大傾角。

搖擺有縱搖、橫搖、首搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩等6種形式。縱搖、橫搖和首搖，是指船舶在最大航行狀態下，由于受風和波浪而產生的不利于航向的3個方向的最大搖動；縱蕩、橫蕩、垂蕩是指船體航行時，由于波浪和操作引起的在3個坐標軸方向的往復平移運動。

傾斜使海上核電站儀控設備承受靜態力，其大小與設備的安裝位置無關，而與平臺的傾斜角度和設備的結構有關。因此，傾斜條件對設備的影響主要是設備及部件的固定變形、斷裂、轉軸撓度過大，導致卡死、運動部件不能動作等。

搖擺使浮動平臺承受交變的力，并將其傳遞給船上儀控設備，使之產生方向交變的應力和加速度，導致設備工作失常、結構損壞和疲勞失效等。

對于傾斜、搖擺的影響，應對策略有：確保可動部件的潤滑；對固定或連接部件采取防松脫措施；增加設備的支撐，減少慣性；等。

2.3 鹽霧

高鹽度海洋環境帶來的鹽霧會隨著空氣進入艙室內部，而通風空調系統難以有效濾除鹽分以消除對艙室內設備的影響。鹽霧會加速金屬材料的腐蝕，降低絕緣材料的絕緣性能，使金屬材質發生電偶腐蝕。因此，在三高（高溫、高濕、高鹽）的環境條件中，鹽霧會對設備產生綜合性的腐蝕作用。鹽霧對儀控設備的主要影響如下：

1）腐蝕效應 鹽霧引起的電化學反應，導致金屬材料腐蝕；高溫、高濕環境條件下加速應力腐蝕；鹽霧中的化學成分在水中電離，形成酸堿溶液的腐蝕[6]。

2）電效應 絕緣材料腐蝕和金屬腐蝕；鹽沉積產生導電層；鹽沉積導致電子部件電氣性能下降、損壞。

3）物理效應 容易導致機械活動部件阻塞而降低可靠性；容易導致設備表面漆層的脫離[6]。

對于鹽霧的影響，應對措施有：電路板上噴三防漆；設計選型時使用耐腐蝕、耐老化材料；對于關鍵部件進行密封處理；等。

2.4 霉菌

霉菌在艙室內的“三高”環境下迅速生長，分解有機材料，導致其性能下降，從而破壞各類電子部件的絕緣性能；霉菌生長分泌的酸性物質還會腐蝕金屬材料。

霉菌生長對設備材料帶來的影響主要有：電子設備材料的絕緣電阻、電抗強度下降，導致電路板線路間短路；材料塑性變差，導致老化過程加速；橡膠密封件被破壞，導致密封性能下降；分泌酸性物質，導致金屬材料電解腐蝕。

對此，應對措施有：采用氣密結構；采用固體封裝技術；選擇耐腐蝕金屬材料；部件表面采取涂鍍工藝處理；等。

3 海上浮動核電站儀控設備的鑒定

3.1 設備鑒定思路

海上核電站儀控設備的鑒定思路是：參考陸上堆設備鑒定體系及方法，補充海洋環境條件特定的鑒定要求。

①參考陸上核電站設備鑒定的成熟鑒定體系、鑒定方法等，對海上核電站設備鑒定具有借鑒意義。②對設備性能的影響主要體現在環境條件的因素上，HAF 102中要求考慮設備壽期內所有的環境條件，故海上核電站需綜合考慮核及船的環境條件因素。其中，IEEE 382，RCC-E中已規定了陸上核電站核級設備所經受的環境因素；GB/T 6994，GB/T 4798.6等規定了船用的環境條件及分類。

3.2 鑒定標準體系

對于海上核電站，目前國際上尚未形成成熟的鑒定實踐。基于此，海上核電站的設備鑒定，可以參考現有的陸上核電站設備鑒定實踐，并結合相應的船用標準開展。所采用的實踐包括：

（1）陸上核電站實踐

——基于RCC-E規范和EDF相關規范的法國實踐；

——基于IEEE與ASME-QME-1標準的美國實踐；

——基于KTA標準的德國實踐；

——基于GB與NB標準的中國設計單位編寫相關規范的中國實踐。

（2）船用標準體系

——基于CCS入級規范及指導指南的標準體系，如GD22等；

——基于GB的船用標準體系，如GB/T 2423等；

——基于GJB的船用標準體系，如GJB 150等。

3.3 鑒定試驗順序

基于RCC-E規范和EDF相關規范的法國實踐，設備鑒定可分為4個階段：基準試驗、極限工況試驗、老化試驗、模擬事故試驗。對于特定海洋環境條件的傾斜、搖擺、鹽霧、霉菌、沖擊，其劃分和依據如下：

1）鹽霧、霉菌的鑒定，劃分為極限工況鑒定。鹽霧、霉菌的試驗通常為驗證在一定條件下（鹽霧、潮濕）一段時間的適應性能力，而不考慮老化累積效應；此外，鹽霧、霉菌造成的危害可以通過在役檢查或監督來評估，不符合IEEE 627中的顯著老化機理判定要求之一，不能稱為顯著老化機理。

2）傾斜和搖擺的鑒定，劃分為極限工況。對比GJB 150.23A—2009，GB/T 2423.101—2008，GD 22—2015中的傾斜和搖擺環境條件，驗證可知，目前針對艦船設備僅需要考慮傾斜和搖擺環境的適應性，因此劃分為極限工況。

3）沖擊的鑒定，劃分為事故工況。沖擊試驗是通過模擬外部沖撞，驗證設備在經受外力作用時的安全性、可靠性和有效性，因此屬于事故工況條件下的驗證。

綜上所述，海上核電站設備鑒定試驗順序建議見表1。

表1 海上核電站設備鑒定的試驗順序Tab.1 Test sequence of ONPP equipment qualification

3.4 海洋環境條件特殊鑒定要求及方法

3.4.1 傾斜和搖擺

海上浮動核電站的傾斜和搖擺與工作海況緊密聯系，標準GJB 4000—2000對1～9級海況進行了相關定義，并結合船舶與海洋工程規范要求和經驗，將6級及以下海況定義為核電站正常作業海洋條件，將8級海況定義為設計基準海洋條件，8級以上海況為極限工況。

依據《鋼制海船入級規范2015（第4分冊）》中，對所有電氣設備允許的最大傾斜角規定見表2。

表2 鋼質海船入級規范對電氣設備傾斜角的規定[1]Tab.2 Rule for the inclination angle of electrical equipment in classification rule of steel seagoing vessel

基于以上所述及標準 GB/T 2423.101—2008，結合海上核電站的實際情況，其傾斜和搖擺參數可參見表3。

表3 海上核電站傾斜和搖擺參數Tab.3 Parameters of inclination and swing in ONPP

對于儀控設備，傾斜和搖擺的鑒定建議采用試驗法。基于表3所列傾斜和搖擺參數，以及相關船用標準規定，對于通用設備，建議根據設備的種類及使用條件，參照GB/T 2423.101進行。對于特殊設備，其傾角、搖擺角、搖擺周期應符合設計方及船級社相應標準要求。

3.4.2 沖擊

依據《海上浮式裝置入級規范（2014）》：浮式裝置碰撞的動能，側面撞擊≮14 MJ，首部或尾部撞擊≮11 MJ，相當于一艘5000 t供應船以2 m/s速度撞擊的能量[9]。因而，海上浮動平臺沖擊的假設始發事件為5000 t的船以2 m/s的速度撞擊海上浮動平臺。

在GJB 150.18A—2009中，采用沖擊譜的形式進行沖擊試驗，并明確規定該試驗可用于評估設備的結構和功能承受裝卸、運輸和使用環境中不常發生的非重復性沖擊的能力；可用于測試裝備固定裝置的強度，該裝備安裝在可能發生碰撞的平臺上[10]。

基于此，海上核電站可采用沖擊譜的形式，對儀控設備進行鑒定。試驗方法主要采用擺錘沖擊試驗或振動臺沖擊試驗，其中，擺錘沖擊試驗可參照GJB 150，CB 1146等標準執行；振動臺沖擊試驗可參照GB2423等標準執行。

3.4.3 鹽霧及霉菌

依據GB/T 4798.6—2012和GB/T 14092.4—2009，海上核電站所處的化學環境條件為6C2級，鹽霧的質量濃度為2 mg/m3；生物環境條件為6B2級，所處的環境生物活動頻繁伴有各種生物災害。

對于采用了經過驗證的耐鹽霧、霉菌材料的設備，或已采用合理的涂漆、鍍金屬層等方式進行了防護處理，可認為其滿足防護的要求，不需要鑒定。對于需要進行鑒定的設備，鑒定可僅針對材料或易腐蝕的部件，采用試驗法或分析法進行，試驗法可參照GD 22或GB/T 2423等標準執行。

4 結語

文中根據海洋的特殊環境條件，討論沖擊、傾斜與搖擺、鹽霧、霉菌等鑒定因素對儀控設備的影響，基于這些影響提出儀控設備對應的鑒定要求，并將上述特殊環境因素納入儀控設備研發設計考量中。

由于海上浮動核電站的研發設計缺乏明確的法律法規指導，也無法照搬陸上堆的法律法規進行規范，因此文中僅給出一些綜合性建議，作為參考。目前亟待解決的問題是結合海洋環境法律法規和陸上堆相關規范，在原有法規標準的基礎上編制新的法規標準，形成海上核電站設計鑒定法規標準體系，以全面指導設計研發工作。