第三代壓水堆核電站CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件研制及鑒定試驗(yàn)

王慶玖，張 軍，嚴(yán)振杰，呂 波

(1.江蘇華侃核電器材科技有限公司，江蘇 常州 213011；2.上海交通大學(xué)，上海 200240；3.國核工程有限公司，上海 200233；4.中國科學(xué)院等離子體物理研究所,安徽 合肥 230031)

我國《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出繼續(xù)推進(jìn)非化石能源的規(guī)模化發(fā)展，規(guī)劃和建設(shè)一批水電、核電重大項(xiàng)目，穩(wěn)步發(fā)展風(fēng)電、太陽能等可再生能源。據(jù)有關(guān)單位預(yù)測(cè)，到2030年前后，我國核電裝機(jī)規(guī)模應(yīng)達(dá)到1.5億千瓦左右，新增8臺(tái)三代百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組，每年可減少約8億噸二氧化碳排放[1]。2008年國務(wù)院批準(zhǔn)了《大型先進(jìn)壓水堆核電站重大專項(xiàng)總體實(shí)施方案》，制定了在引進(jìn)消化吸收AP1000技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)世界領(lǐng)先的CAP1400、CAP1700及實(shí)施CAP1400示范工程建設(shè)的決議[2]。

殼內(nèi)電纜附件主要連接安全殼內(nèi)電纜和電纜、電纜和貫穿件、電纜和其他電氣設(shè)備，起到恢復(fù)電纜結(jié)構(gòu)、再絕緣以及密封保護(hù)等作用，是核電廠不可缺少的主要輔助設(shè)備。目前二代核電廠用殼內(nèi)(K1類)電纜附件與第三代核電技術(shù)要求相比，使用壽命、核環(huán)境性能以及結(jié)構(gòu)形式都存在顯著差異，三代核電對(duì)殼內(nèi)電纜附件的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二代，因此應(yīng)用于第三代核電的電纜附件必須在第二代技術(shù)基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)開發(fā)。

目前，核電廠用1E級(jí)殼內(nèi)(K1類)電纜附件，基本上由美國Tyco Electronics(Raychem)公司壟斷供貨，AP1000全球首堆項(xiàng)目4臺(tái)核電機(jī)組均采用該公司產(chǎn)品。雖然該公司產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，具備全球400多座核電站的供貨經(jīng)驗(yàn)，但是產(chǎn)品價(jià)格高、供貨周期長(zhǎng)，并且在當(dāng)前中美貿(mào)易摩擦的大環(huán)境下，未來很有可能受到出口限制，另外其產(chǎn)品是否能應(yīng)用于CAP1400，截至目前尚無試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明。

圍繞CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件裝備國產(chǎn)化，作者陸續(xù)完成了材料研發(fā)(國家授權(quán)發(fā)明專利)，樣件制作，且通過第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的鑒定試驗(yàn)。本文將依次介紹CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件研發(fā)過程開展的技術(shù)規(guī)范研究、材料研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研制工藝流程及鑒定試驗(yàn)等內(nèi)容，確保其滿足第三代核電廠安全殼內(nèi)使用要求。

1 技術(shù)要求

CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件的設(shè)計(jì)主要參照美國西屋公司的CPP—EY20[3]系列技術(shù)規(guī)范以及上海核工程研究設(shè)計(jì)院的SNG—EY20[4]國核壓水堆示范工程系列規(guī)范書。根據(jù)SNG—GX—VP—060解釋，CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件安裝在安全殼內(nèi)及5區(qū)和10區(qū)回路，以保證核電廠正常運(yùn)行工況、異常運(yùn)行工況、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況期間及之后的可運(yùn)行性，從而使電纜能夠保持可運(yùn)行性，并且確保電纜接頭或終端的完整性；在嚴(yán)重事故工況下應(yīng)保證其可用性[4]。這就要求使用的電纜附件必須經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)驗(yàn)證，其除具有正常的電纜附件使用功能外，還應(yīng)具有以下特性[3,4]：

(1)低煙/無鹵/阻燃；

(2)在90 ℃工作溫度下，具有60年及以上的使用壽命；

(3)耐正常工況下γ射線輻照；

(4)耐異常工況環(huán)境；

(5)耐事故工況下γ射線輻照和β射線輻照；

(6)耐設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況(DBA)，HELB、MSLB、LOCA等；

(7)耐嚴(yán)重事故工況下NaOH溶液浸沒305天；

(8)耐極端pH(Extreme pH condition)，H3BO3溶液加溫浸沒30天，NaOH溶液加溫浸沒30天。

對(duì)于電纜附件產(chǎn)品來說，低煙/無鹵/阻燃是要求熱收縮部件滿足ASTM D2863、IEC61304、IEC60754—2、IEC60332—1—2及IEC60332—3—23規(guī)定的要求。技術(shù)要求的第(2)條至第(8)條可由逐次環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[3-6]。

2 材料研究

可用于制造電纜附件的材料主要有：熱縮材料、硅橡膠、乙丙橡膠等[7]；由于本次研制的電纜附件應(yīng)用于CAP1400核電廠安全殼內(nèi)，對(duì)其壽命和耐輻照性能以及其他的核環(huán)境性能都有極高的要求，故選擇熱縮材料作為CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件的主要材料。本項(xiàng)目中應(yīng)用到的主要輔助材料為熱熔膠和密封膠，熱熔膠采用乙烯共聚物熱熔膠，密封膠以三元乙丙橡膠和丁基橡膠的混合物為基體，通過改性使其滿足使用要求。

2.1 材料配方及試驗(yàn)

熱縮材料配方的主要成分有：①聚乙烯：20～30份；②乙烯—乙酸乙烯酯共聚物：20～30份；③乙烯—辛烯共聚物：40～60份；④阻燃劑：100～140份；⑤復(fù)合抗氧劑：2～4份；⑥防老劑：2～4份;⑦潤(rùn)滑劑：3～5份；⑧交聯(lián)助劑：1～2份[8]。

將各組按照質(zhì)量份備料，備好料后將聚乙烯、乙烯—乙酸乙烯酯共聚物、乙烯—辛烯共聚物、阻燃劑、復(fù)合抗氧劑和防老劑放入密煉機(jī)中密煉，然后將潤(rùn)滑劑及交聯(lián)助劑加入密煉機(jī)中混煉，在130～150 ℃溫度范圍內(nèi)混煉15～20 min，然后提升至雙螺桿擠出機(jī)中在90～120 ℃溫度范圍內(nèi)風(fēng)冷擠出造粒，即可得到第三代核電廠用熱縮材料[8]。熱縮材料經(jīng)Φ70×25D擠出機(jī)，制作成不同規(guī)格的熱縮套管，然后輻照交聯(lián)，再按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行性能測(cè)試。

2.2 測(cè)試結(jié)果

熱縮套管測(cè)試前均經(jīng)過電子加速器輻照交聯(lián)；為模擬安全殼內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境，主要進(jìn)行了如下測(cè)試：機(jī)械性能、電氣絕緣性能、低煙無鹵阻性能、耐高溫性能、耐γ和β射線輻照性能、耐酸堿、濕熱性能及耐熱壽命。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)上對(duì)材料配比進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，配方的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 熱縮套管測(cè)試結(jié)果

續(xù)表

2.3 材料配方選擇機(jī)理

熱縮材料之所以選擇聚乙烯(PE)、乙烯—乙酸乙烯酯共聚物(EVA)和乙烯—辛烯共聚物(POE)進(jìn)行共混，是因?yàn)檫@樣可以充分發(fā)揮各組分的性能優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道交聯(lián)聚乙烯(XLPE)的耐γ射線可以達(dá)103kGy[9]，再通過其他添加劑的添加使其抗輻照性能更優(yōu)；且交聯(lián)型EVA、XLPE抗飽和蒸汽性能好，有利于通過LOCA及浸沒試驗(yàn)，在高溫高壓下不產(chǎn)生永久塑性變形，保持電纜附件正常結(jié)構(gòu)。

熱縮材料要求低煙無鹵阻燃，通過單根垂直燃燒試驗(yàn)和B類成束燃燒試驗(yàn)，并且20 ℃和80 ℃氧指數(shù)差值不超過2，故配方中采用了無機(jī)氫氧化物AL(OH)3、Mg(OH)2以及復(fù)合阻燃劑共用，同時(shí)控制添加比例，避免對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生影響。

配方中采用復(fù)合抗氧劑及防老劑，通過控制添加比例，使其達(dá)到90 ℃工作溫度使用60年以上，同時(shí)要經(jīng)受高劑量γ射線輻照。

由于防老劑的加入，對(duì)交聯(lián)速度產(chǎn)生影響；因此在配方體系中加入交聯(lián)助劑。輻射交聯(lián)一般在非結(jié)晶區(qū)發(fā)生，但也能使結(jié)晶區(qū)變小。結(jié)晶的程度與分布以及交聯(lián)密度與分布對(duì)形狀記憶聚合物形狀記憶性能有決定性作用，所以對(duì)材料的共混工藝與輻射交聯(lián)工藝的控制是得到高性能熱縮材料的關(guān)鍵[10]。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件按照種類分中間接頭和終端兩大類，其接口和功能各不相同，其中中間接頭用于電纜與電纜的連接以及電纜和貫穿件的連接，起到恢復(fù)電纜結(jié)構(gòu)、再絕緣及密封防護(hù)的作用。本文就中間接頭幾種典型的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行描述，設(shè)計(jì)過程中參考EY20系列規(guī)范，結(jié)構(gòu)和尺寸則根據(jù)產(chǎn)品功能要求以及安裝使用空間進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體情況見表2及圖1～圖5。

表2 CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件(中間接頭)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

圖1 h型中間接頭結(jié)構(gòu)圖

圖2 V型中間接頭結(jié)構(gòu)圖

圖3 直通型中間接頭結(jié)構(gòu)圖

圖4 1對(duì)多型中間接頭結(jié)構(gòu)圖

圖5 90 ℃角型中間接頭結(jié)構(gòu)圖

3.1 熱收縮原理

熱收縮材料,又稱為高分子形狀記憶材料,主要是利用結(jié)晶或半結(jié)晶的線性高分子材料經(jīng)高能射線照射或化學(xué)交聯(lián)后形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而具有獨(dú)特的“記憶效應(yīng)”。當(dāng)交聯(lián)高分子處于高彈態(tài)(橡膠態(tài)),使其變形(拉伸或者擴(kuò)張), 并在該狀態(tài)下迅速冷卻“ 凍結(jié)” 變形成拉伸或擴(kuò)張的狀態(tài), 而當(dāng)再加熱至熔點(diǎn)以上時(shí), 材料又恢復(fù)到原來的形狀, 這就是具有形狀記憶功能的熱收縮材料[10]。

3.2 熱收縮部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足核環(huán)境高能射線輻照、高溫高壓蒸汽入侵、酸性和堿性溶液浸沒的要求，對(duì)熱收縮部件進(jìn)了特殊設(shè)計(jì)，且確保各部件配合使用性能更優(yōu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 熱縮收縮部件結(jié)構(gòu)圖

(1)熱縮套管：雙壁管結(jié)構(gòu)，由熱縮材料和熱熔膠雙層構(gòu)成，外層實(shí)現(xiàn)熱縮、再絕緣及密封防護(hù)作用，內(nèi)層熱熔膠能緩沖機(jī)械應(yīng)變和加強(qiáng)密封性。收縮倍率為2∶1和3∶1，與不同接口配套。

(2)分支手套：雙壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理與熱縮套管一致；分支手套主要應(yīng)用于多芯電纜的分支與密封。收縮倍率為2∶1和3∶1，與不同電纜配套。

(3)熱縮封帽：雙壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理與熱縮套管一致；熱縮封帽套主要應(yīng)用于單芯/多芯電纜的分支密封以及備用線芯密封。收縮倍率為2∶1和3∶1，與不同電纜配套。

(4)熱收縮帶：雙壁結(jié)構(gòu)，由可熱收縮的基帶與可熱熔融層復(fù)合制得；收縮原理與熱縮套管一致。但其不同于熱縮套管，其使用方便、靈活, 且不受場(chǎng)合條件限制, 可應(yīng)用在熱收縮套管無法應(yīng)用的地方完成絕緣、密封等作用。該熱收縮部件是本項(xiàng)目中難度系數(shù)最大的，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及安裝工藝要求極高。

3.3 中間接頭設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原則

(1)實(shí)現(xiàn)電纜與電纜、電纜與貫穿件的電氣連接，不降低電纜及貫穿件原有性能；

(2)具有再絕緣及密封防護(hù)作用，防止潮氣、水汽、等化學(xué)介質(zhì)入侵；

(3)設(shè)計(jì)合適應(yīng)力參數(shù)，在確保密封性能的前提下，在高溫高壓下不發(fā)生開裂及移位；

(4)結(jié)構(gòu)尺寸緊湊合理，安裝工藝簡(jiǎn)單，便于核電廠狹小空間的施工。

3.4 研制工藝流程

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖7工藝流程。

圖7 CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件(中間接頭)研制工藝流程圖

4 鑒定試驗(yàn)[6]

鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及要求主要參考CPP—EY20[3]系列技術(shù)規(guī)范、SNG—EY20[4]系列規(guī)范書、IEEE 383[11]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范書；并編制適合本項(xiàng)目的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和鑒定試驗(yàn)大綱。

4.1 鑒定試驗(yàn)樣品的選擇及安裝

參照IEEE Std 383TM—2003標(biāo)準(zhǔn)第3.3條，選擇鑒定試驗(yàn)樣品。

由于電纜附件的特殊性，不能單獨(dú)進(jìn)行鑒定試驗(yàn)，要將其安裝在電纜上進(jìn)行試驗(yàn)。本項(xiàng)目安裝示意圖如圖8所示，試驗(yàn)電纜系統(tǒng)(電纜附件+電纜)長(zhǎng)度不小于3.05 m[11]。

圖8 試驗(yàn)電纜系統(tǒng)(電纜附件+電纜)組裝示意圖

4.2 關(guān)鍵鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及鑒定試驗(yàn)流程

4.2.1 鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目

綜合EY20技術(shù)規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求確立了如下鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目(見表3)。

4.2.2 鑒定試驗(yàn)流程

根據(jù)SNG—GX—VP—060技術(shù)規(guī)范要求，并參考IEEE 383[11]，制定了鑒定試驗(yàn)流程(見圖9)。

表3 鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及要求

4.2.3 關(guān)鍵鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目

(1)材料熱壽命評(píng)定試驗(yàn)：選取135 ℃、150 ℃、165 ℃、180 ℃四個(gè)點(diǎn)為熱老化試驗(yàn)溫度；壽命終止點(diǎn)取斷裂伸長(zhǎng)率保留率為50%。試驗(yàn)結(jié)果(見圖10)。

圖9 CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件鑒定試驗(yàn)流程圖

圖10 溫度指數(shù)曲線

(2)60年等效加速熱老化試驗(yàn)：根據(jù)材料的熱壽命，按照IEC 60216—1計(jì)算出材料的活化能(121.7 kJ/mol)；設(shè)定加速熱老化溫度，最終推到計(jì)算出加速熱老化時(shí)間。

(3)B類成束燃燒試驗(yàn)：由于電纜附件(熱縮套管)成束燃燒試驗(yàn)是首次提出，無標(biāo)準(zhǔn)可供使用，故只能參考IEC 60332—3—23電纜的B類成束燃燒試驗(yàn)；為排除其他干擾因素，將熱縮套管安裝在電纜導(dǎo)體上進(jìn)行試驗(yàn)，熱縮套管的長(zhǎng)度和數(shù)量計(jì)算與電纜一致。

(4)事故工況下輻照老化試驗(yàn)：γ射線輻照和β射線輻照；由于兩種射線的損傷機(jī)理不一樣，需獨(dú)立進(jìn)行評(píng)價(jià)；但是國內(nèi)目前尚無鑒定機(jī)構(gòu)可以對(duì)成品電纜附件進(jìn)行β源輻照，只能對(duì)材料試片進(jìn)行輻照。

依據(jù)SNSG—GX—VP—060 第8.3.1.1條，可采用60Co源以施加相同的劑量來代替β源進(jìn)行試驗(yàn)。鑒于以上，本項(xiàng)目制定了β與γ射線輻照轉(zhuǎn)換試驗(yàn)大綱；經(jīng)國家能源核電站儀表研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心進(jìn)行測(cè)試，其比例關(guān)系為β∶γ=1∶0.7(檢測(cè)報(bào)告編號(hào)：C17—020—HD)；故將β射線等效轉(zhuǎn)換為γ射線進(jìn)行事故工況下輻照。試驗(yàn)結(jié)果見圖11～圖13。

圖11 β射線輻照擬合結(jié)果

圖12 γ射線輻照擬合結(jié)果

圖13 等效比例曲線

(5)LOCA試驗(yàn)及浸沒試驗(yàn)：試驗(yàn)溫度和壓力曲線涵蓋了CAP1000及CAP1400；溫度+8 ℃增加到整個(gè)瞬態(tài)曲線上，壓力+10%增加到每個(gè)峰值上，噴淋、浸水pH及浸水壓力均+10%。LOCA噴淋前3小時(shí)H3BO3溶液pH=4.05，后21小時(shí)NaOH溶液pH=8.58～8.64；浸沒305天，NaOH溶液pH=8.58～8.64。試驗(yàn)情況見圖14～圖16。

圖14 環(huán)境區(qū)域1、5、10區(qū)域設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和事故后溫度包絡(luò)線

圖15 環(huán)境區(qū)域1、5、10區(qū)域設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和事故后壓力包絡(luò)線

圖16 典型試驗(yàn)照片

5 結(jié)束語

綜上所述，CAP1400 1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件在核島內(nèi)使用環(huán)境異常苛刻，對(duì)材料技術(shù)、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鑒定試驗(yàn)要求甚高。經(jīng)過數(shù)年試驗(yàn)研究，材料的性能達(dá)到了核環(huán)境的極限應(yīng)用要求(授權(quán)發(fā)明專利ZL 2014 1 0416063.5)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)符合規(guī)范書的要求。本項(xiàng)目研制的樣品在2017年10月送國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試，并于2019年9月順利通過鑒定試驗(yàn)。

在鑒定試驗(yàn)過程中通過技術(shù)手段解決配套試驗(yàn)電纜熱壽命與電纜附件不匹配問題。同時(shí)通過材料配方技術(shù)、熱收縮倍率控制技術(shù)、密封配合技術(shù)以及最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)方案，解決了不同類型電纜附件在核環(huán)境下的密封、耐化學(xué)噴淋腐蝕、耐高溫濕熱及浸液；且試驗(yàn)過程中不發(fā)生因電纜附件失效引起的電流和電壓中斷。

第三代核電用1E級(jí)殼內(nèi)電纜附件的技術(shù)在國內(nèi)處于起步階段，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法和手段不夠完善；本工作為未來國產(chǎn)化電纜附件應(yīng)用于第三代壓水堆核電廠CAP1400殼內(nèi)打下了基礎(chǔ)。