華龍一號核電廠安全級儀控就地盤箱柜的鑒定

聶洪權，鄭 燃，王 欣

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

隨著三代核電技術的日趨成熟，安全級設備的鑒定要求也越來越高。在華龍一號(ACP1000)核電廠內，安全級儀控就地盤箱柜作為核電廠設備控制系統的重要組成部分，主要實現開關量、模擬量的信號匯集，就地控制設備的控制、指示、電源配電以及電纜轉接等功能，具有數量眾多、功能要求各異、內部結構差異大、設備安裝環境十分復雜等特點。為了保證核電廠安全、穩定運行，安全級儀控就地盤箱柜樣機的設備鑒定便顯得尤為重要[1]。設備鑒定的目的是為了證明安全級重要設備在需要時及時投運，可以滿足系統所需的性能要求；在設計壽期內，正常工況及事故工況產生的環境條件下，能夠執行其安全功能。設備鑒定的實質也是為了證明安全級重要設備具備核安全功能的過程[2-4]。本文根據華龍一號核電廠實際工況，以及新增的鑒定要求，確定鑒定程序，選擇適合的樣機，對關鍵技術進行分析、計算，使樣機最終通過鑒定試驗，為后續設備鑒定提供借鑒和參考。

1 鑒定需求

1.1 鑒定等級

RCCE—2005版B卷相關要求如下[5]。

K1類:適用于安裝在安全殼內、應在正常運行條件、事故條件、事故后條件(必要時)以及地震荷載下保證完成其功能的設備。

K2類：安裝在安全殼內，可在正常運行工況和地震荷載下工作的設備。

K3類:適用于安裝在安全殼外、應在正常運行條件和地震荷載下，以及必要時在惡化的環境條件下保證完成其功能的設備。

根據華龍一號項目設備分級情況，安全級儀控就地盤箱柜可分為K1類和K3類。

1.2 設計要求

①設計壽命增加。

以往項目，儀控就地盤箱柜的使用壽命一般為K1類40年、K3類為10年。而華龍一號項目對于K1使用壽命要求是60年，K3類不變。因此，需要根據環境條件，對設備老化試驗進行重新計算。

②新增K3類就地盤箱柜耐輻照鑒定要求。

由于RCCE—2005版在引入嚴重事故條件鑒定程序概念的同時，也增加了嚴重事故下設備“必須使用”的概念。為了確保這些設備在嚴重事故條件下能夠正常運行，對于安全殼外的安全級就地盤箱柜，也需要考慮耐輻照鑒定。即K3類就地盤箱柜需要進行耐輻照鑒定，這是華龍一號對安全級儀控設備新增加的鑒定要求。

③核電廠設計參數變化。

與以往核電站相比，華龍一號地面加速度峰值由0.2 g提高至0.3 g，這對就地盤箱柜的抗震鑒定提出了更高的要求。因此，需要對其箱體結構、支架等進行改進，以滿足試驗要求，確保設備在此工況下可以正常執行其規定的功能。

以上是華龍一號在設計要求上與以往項目的差別。本文通過對鑒定試驗內容的詳細設計，確保儀控就地盤箱柜能夠順利通過各項鑒定試驗。

2 鑒定程序

2.1 樣機選型原則

由于儀控就地盤箱柜類型較多，箱型尺寸、安裝方式、結構形式以及內部元件都有較大差異，且安裝位置遍布全廠，因此鑒定樣機的選擇應重點考慮以下幾個方面[6]。

①功能代表性。樣機應具有與被鑒定設備在事故工況、事故后工況以及地震期間和地震之后執行的功能相同或相近代表性。

②機械結構代表性。樣機應具有與被鑒定設備相似的動態結構特性，充分考慮其包絡代表性及保守性。

③包絡部件或元件的代表性。樣機應包含所代表的被鑒定設備中的各類部件或元件，并考慮到實際設備的安裝位置以及內部安裝元件和實現功能最多。

④接口和連接的代表性。設備樣機應充分考慮到被鑒定設備的實際安裝方式以及與外部的電氣連接和電纜,并選擇安裝方式中最為苛刻的固定方式為設備樣機安裝方式。

根據以上四個方面的要求，結合現有箱型經過充分的分析論證，選出具有典型性、包絡性且最不利于抗震的箱型；箱內元器件應涵蓋所有類型且元器件在箱內的布置也以最接近實際安裝位置為原則；就地箱功能應選取典型的調節、控制回路。

2.2 鑒定要求

儀控就地盤箱柜對于鑒定等級、質保等級、防護等級、抗震等級以及使用壽命有嚴格的要求。鑒定要求如圖1所示。

圖1 鑒定要求

除此之外，華龍一號與以往項目正常運行期間的環境條件也不相同，尤其是環境溫度、大氣壓等參數不同。正常運行期間環境條件如表1所示。

表1 正常運行期間環境條件

2.3 試驗內容

安全級儀控就地盤箱柜包含K1類和K3類樣機的鑒定試驗，經過對試驗項目的分析，其鑒定試驗內容存在一定差異[7-9]。鑒定試驗如表2所示。

表2 鑒定試驗

3 鑒定試驗方法

3.1 試驗方法選擇

根據RCCE—2005版B卷描述，安全級設備的鑒定可以采取試驗法、分析法或者混合法。在試驗法中，設備應經受設計規定的環境條件和運行條件，同時在這些條件下測定其性能。由于該方法屬于型式試驗，因此必須有一定數量的樣機能夠涵蓋設備的所有類型。分析法是通過定性或定量的論證證明該設備具有完成期望能力的功能，同時分析法中應包括對所采用方法、理論和假設正確性的論證。雖然分析法對試驗結果外推和確定局部的設計變更對已試驗過的設備的影響是有效的，但一般情況下僅用分析法對就地盤箱柜進行質量鑒定則顯得過于復雜?；旌戏▌t是將試驗法和分析法相結合。

通常來說，對于環境鑒定，一般采用試驗方法。對于抗震鑒定，其鑒定方法的原則是：對于能動(即通過機械運動實現其安全功能)的安全級電氣設備，應采用試驗方法。而華龍一號的安全級儀控就地盤箱柜則屬于試驗法范疇，因此安全級就地盤箱柜的鑒定采用試驗法。

3.2 關鍵技術

3.2.1 熱老化溫度計算

熱老化試驗的原則是：既要盡可能地縮短老化時間，又要確保設備元器件不因為溫度過高而損壞。因此，老化溫度應低于元器件材料的耐受允許值，并留有一定的裕量。大量的試驗與研究顯示，非聚合類(金屬、礦物質、陶瓷、玻璃等)對溫度效應不敏感，即不存在熱老化機理。而對于聚合類材料，當所含非金屬材料的熱壽命大于合格鑒定壽命目標值的3倍時，即可判定為無明顯熱老化機理[10]。

考慮到儀控就地盤箱柜的鑒定壽命以及存在老化機理的設備/部件均為有機材料，因此熱老化試驗通常采用基于阿倫紐斯定律的熱老化試驗方法。公式如下：

(1)

式中：t1為鑒定壽命；t2為加速老化時間；φ為材料的活化能；k為玻爾茲曼常數；T1為正常環境溫度；T2為加速老化溫度。

3.2.2 輻照劑量計算

根據RCCE—2005版提出嚴重事故下設備“必須使用”的概念，對于安全殼外的安全級儀控就地盤箱柜，需要考慮耐輻照鑒定。同時，根據華龍一號殼外劑量對設備影響的情況，首先界定了對于老化敏感的設備，如果設備暴露在100 Gy(對于微型設備或IC電子設備和微處理器為10 Gy)以上輻照環境條件的應考慮進行輻照老化鑒定。對于K3類儀控就地盤箱柜，應歸為微型設備或IC電子設備和微處理器分類，即暴露在超過10 Gy的環境下就需要進行耐輻照鑒定。

K3類儀控就地盤箱柜耐輻照鑒定所需劑量主要由以下兩部分組成。

①壽期內正常運行累計劑量。

②嚴重事故下必須使用的就地盤箱柜所在房間，在事故后的累計劑量。

由于K3類就地盤箱柜的耐輻照鑒定劑量主要來自于嚴重事故后累積劑量，因此對嚴重事故下必須執行安全功能的設備進行整理分析。通過分析發現，嚴重事故下必須執行安全功能的儀控就地盤箱柜均為接線箱，并不包含電子類及機電類元件。因此，只要K3類接線盒能夠滿足殼外嚴重事故環境條件下的耐輻照試驗劑量，即可保證K3類設備能在嚴重事故下執行相應的安全功能。

對于其他K3類就地盤箱柜，則只需考慮正常壽期累計劑量和基準事故下累計劑量即可。

而電子類元器件依然無法滿足該條件下的耐輻照要求，因此考慮對電子類元件進行100 Gy的耐輻照試驗。該數值可涵蓋殼外除橙區之外所有廠房的10年正常運行累計劑量。而經過排查，橙區內的K3類儀控就地盤箱柜內的確不含有電子類元器件。若按照以上分段進行耐輻照試驗依然無法通過，則只能通過布置手段規避輻照劑量比較高的房間。

3.2.3 抗震鑒定試驗

抗震鑒定試驗是為了驗證鑒定樣機(樣機上安裝有經過老化試驗的原件)在地震荷載的作用下和/或作用后能否正常工作，保證其完整性和可運行性，以履行其安全功能。儀控就地盤箱柜一般采用多頻法、雙向人工時程試驗法，使用所有廠房設備安裝位置標高最高的樓層反應譜的包絡譜作為要求的地震反應譜，阻尼比選為5%。在抗震試驗前、后均應重復進行基準性能試驗，并在抗震試驗過程中進行功能試驗，以便檢驗試驗結果的可接受性。

根據抗震要求的特點，在鑒定樣機設計中，重點考慮對設備結構的加固和特殊設計，以確保滿足抗震試驗的要求。

①對鑒定樣機進行加固，確保結構在抗震鑒定中的完整性。例如樣機上下采用2個不銹鋼手柄螺栓進行固定，中間采用門鎖進行固定，門鎖鎖舌行程為右旋，通過角度止旋卡位，鎖舌加長并折彎加筋，增加鎖舌剛性強度，保證控制箱門與門框的牢固鎖合。

②調整鑒定樣機安裝支架固定板尺寸及厚度，避免由于支架剛性強度不夠而引起的加速度差異。

③調整鑒定樣機安裝支架的固定螺栓。

抗震試驗按下列順序進行：試驗過程中的實時狀態監測、外觀及結構檢查、電氣性能檢查(抗震試驗前、后)。進行抗震試驗時，設備需處于正常運行狀態。

本項目在X、Y、Z方向的最大地震反應譜包絡譜如圖2所示。

圖2 最大地震反應譜包絡譜圖

3.2.4 嚴重事故環境試驗

對于安全殼內應用于設計基準事故和嚴重事故的K1類鑒定樣機，除上述鑒定試驗外，還需考慮設計基準事故溫度壓力鑒定試驗及嚴重事故溫度壓力鑒定試驗[6-7]。其中，設計基準事故溫度壓力鑒定試驗需根據行標EJ/T 1197相關要求[8]。LOCA鑒定曲線如圖3所示。

圖3 LOCA鑒定曲線

LOCA鑒定試驗各階段試驗內容如表3所示。

表3 LOCA鑒定試驗各階段試驗內容

4 鑒定試驗結果及改進

4.1 鑒定試驗結果

K1類鑒定樣機經過所有鑒定試驗后，需要進行基準性能試驗。K1類樣機鑒定試驗結果如表4所示。

表4 K1類樣機鑒定試驗結果

K3類鑒定樣機經過所有鑒定試驗后，需要進行基準性能試驗。K3類樣機鑒定試驗結果如表5所示。

表5 K3類樣機鑒定試驗結果

由表4、表5中的試驗結果可知，經過所有鑒定試驗后，K1、K3類鑒定樣機的試驗結果均滿足鑒定要求。

4.2 設計改進

在K1類樣機元器件鑒定過程中，老化試驗后出現個別電纜密封頭產品密封圈焦化失去彈性的情況。由于前期設計選型中已選取冗余器件，因此，可將改類型電纜密封頭從樣機清單中刪除，并且使用通過鑒定試驗的元器件完成所需的功能要求。

另外，在事故輻照后，出現個別橡膠密封圈單行降低、容易斷裂的情況。這對實際工況下的使用是非常不利的。因此，可以使用金屬不銹鋼墊圈替代原非金屬材料墊圈，以滿足嚴重事故后的環境條件。

5 結論

華龍一號安全級儀控就地盤箱柜在鑒定方面較以往項目有了更加嚴格的要求，對設計以及鑒定也帶來了非常大的影響。本文通過鑒定試驗不斷改進，提出合理、有效的鑒定方法。

①根據阿倫紐斯定律的計算樣機熱老化時間，并且根據各工況條件選取適合的元器件，使得樣機滿足鑒定壽命要求，順利通過熱老化鑒定試驗。

②提出K3類儀控就地盤箱柜耐輻照劑量計算方法，試驗結果可以滿足K3類設備在不同輻照劑量條件下使用要求。

③通過對箱體結構、安裝支架的改進，同時對全廠地震反應譜進行包絡，使得設備順利通過抗震鑒定試驗。

④本文給出儀控就地盤箱柜嚴重事故環境的鑒定依據、鑒定步驟以及K1、K3類樣機鑒定試驗后的基準性能試驗結果，以證明本華龍一號安全級儀控就地盤箱柜順利通過了所有鑒定試驗，為后續項目提供了良好的技術經驗。同時，該研究也為應對后續核電廠更復雜工況下的安全級設備鑒定奠定了基礎。