核安全級電纜設計制造與鑒定試驗注意事項

李廣杰

(新亞特電纜股份有限公司,蕪湖 241003)

0 引 言

核電廠用電纜分為核安全級電纜和非核安全級電纜。核安全級電纜包括殼外電纜和殼內電纜,主要安裝于核島(NI)內,受國家核安全監管部門監管,電纜企業須持證設計和制造,本文所述電纜均指核安全級電纜。非核安全級電纜不受國家核安全監管部門監管,主要安裝于電廠配套設施(BOP)和常規島(CI)。

由于對監管制度和電纜技術規格書的理解不夠透徹等原因,企業在取證過程中普遍存在電纜結構設計不合理、型式試驗報告的檢測項目缺失或數據無法覆蓋最高試驗指標要求等情況,對后續市場推廣、投標和報價均會造成相當不利的影響。本文結合不同堆型核電廠用電纜技術規格書的要求、核安全級電纜技術發展趨勢,以及國家核安全監管的要求,就核安全級電纜設計制造與鑒定試驗注意事項進行了深入剖析。

1 核安全級電纜國內應用情況

截至2022 年8 月,國內持有核安全級電纜設計/制造許可證的企業共有11 家,大部分持證企業也取得了殼內電纜(K1 類電纜)許可證,但多數殼內電纜持證企業僅具有三大核電技術路線(國和一號/CAP1000、中核華龍一號及中廣核華龍一號)中的一種,僅有個別企業能同時覆蓋全部技術路線的要求。

我國對核能技術的引進改造,使得核電站有多種堆型,引進核電站堆型見表1。

表1 引進核電站堆型

不同堆型對電纜的要求不盡相同,尤其是殼內電纜的鑒定試驗條件,每個堆型的要求均不相同,這對電纜企業的研發能力及投入要求很高。未來主力建設堆型將集中在國和一號/CAP1000 和華龍一號等三代技術上,隨著堆型的統一,持證企業可圍繞這些堆型對殼內電纜擴大認證范圍。

2 設計制造與鑒定試驗中存在的問題

電纜企業在取證過程中不可避免會遇到一系列問題:①取證前確定的證書范圍不夠完整,如導體截面積為800 mm2的低壓電力電纜、導體截面積為0.34 mm2的儀表控制電纜、熱塑性護套電纜等;②電纜樣品設計時,對成束阻燃特性的驗證不足,造成繞包無鹵低煙阻燃帶層數、是否擠包隔氧層等情況規定不同,導致后續投標價格無競爭力;③鑒定試驗項目及對應指標缺失或指標較低,對市場推廣及電纜出廠驗收造成不利影響。

3 設計制造與鑒定試驗的現狀

3.1 取證范圍

3.1.1 熱塑性護套電纜

核安全級電纜的外護套材料包括熱固性材料和熱塑性材料,熱固性外護套需要輻照交聯(無鹵低煙阻燃聚烯烴材料或輻照交聯型橡皮材料)或硫化(橡皮材料);熱塑性外護套不必進行交聯。兩類外護套材料的加工工藝及鑒定試驗條件均不相同,許可證范圍無法相互覆蓋。

有半數電纜持證企業取證范圍涵蓋了熱塑性護套,根據市場(如中廣核華龍一號電纜技術規格書)需要,部分企業也在積極擴展熱塑性護套核安全級電纜取證范圍。電纜護套物理機械性能見表2,其中,熱固性護套以輻照交聯無鹵低煙阻燃聚烯烴(XLPO)和硫化型乙丙橡膠(EPR)為例,熱塑性護套以無鹵低煙阻燃聚烯烴(PO)為例,表2 中數據為電纜規格書中規定數據,但針對不同核電機組數據會存在差異,不同客戶對指標要求也略有不同。在國和一號/CAP1000 電纜技術規格書中,要求斷裂伸長率不小于150%。

表2 電纜護套物理機械性能

3.1.2 鎧裝型電纜

核安全級電纜技術規格書中規定,電纜一般不需要鎧裝,然而在特殊情況下(如埋地敷設)電纜需要鎧裝。國家核安全局頒發的民用核安全設備設計和制造許可活動范圍表中,對鎧裝結構均有描述;在核安全級電纜投標過程中,采購清單中包含鎧裝型電纜。

近幾年,在取證階段的電纜樣品選型中,有個別廠家按照雙層鍍鋅鋼帶左向螺旋間隙搭蓋繞包結構開展電纜樣品設計與制造,并通過鑒定試驗。由此,建議在電纜樣品選型時,將鎧裝型電纜納入選型范圍,以證明企業具備鎧裝型電纜的制造能力和鎧裝型電纜護套輻照交聯加工能力。

3.2 設計與制造

3.2.1 核安全級耐火電纜

GB/T 19666—2019《阻燃和耐火電線電纜或光纜通則》標準中規定了N、NS、NJ 等3 個耐火級別[1]。核安全級耐火電纜應考慮火災事故情況下電纜線路的完整性、防沖擊和防噴淋要求。從電纜技術規格書要求來看,K3 類耐火電纜需要達到NS級,并通過供火加機械沖擊和噴水的耐火試驗。

因此,持證單位應針對核安全級耐火電纜的材料選擇、結構設計、工藝驗證、鑒定試驗開展相關工作,同時,建議將殼外耐火電纜納入電纜樣品選型范圍,并在型式試驗報告中予以體現。

3.2.2 成束阻燃結構的設計

為確保核安全級電纜通過成束A 類或B 類阻燃試驗,電纜持證企業須對電纜樣品的結構進行設計。在絕緣材料和護套材料一致的前提下,持證企業在有無擠包高氧指數隔氧層、繞包高阻燃無鹵低煙阻燃包帶層數和外護套擠包模具類型等方面均存在差異,隔氧層和高阻燃無鹵低煙阻燃包帶分別設置在金屬屏蔽內和金屬屏蔽外,其阻燃效果存在較大差異。通過鑒定試驗后,不同的電纜結構使得電纜的外徑和質量存在差異,對電纜的安裝敷設、電纜橋架的選用、市場推廣等方面均有較大影響。

影響成束阻燃效果的阻燃填充和阻燃包帶材料經高溫加速熱老化、輻照老化后,會出現脆化甚至粉化的現象,使其失去阻燃功能,故在材料選型時應重視。成束阻燃A 類和成束阻燃B 類之間無相互覆蓋關系,其影響因素較多,包括電纜的外徑、有無金屬鎧裝、有無金屬屏蔽等結構因素,以及電纜在鋼梯上安裝的規范性、火源、裝置等試驗因素。

3.2.3 輻照交聯均勻性

大截面線芯絕緣和大外徑電纜護套的輻照交聯是工藝控制的難點,若輻照交聯不均勻,在高溫加速熱老化過程中,未交聯部分會熔融變形或開裂,導致試樣不合格,影響鑒定試驗結果。目前,大多數企業采用反射磁鐵或多次輻照的手段加以解決,由于每家企業的工藝控制水平不同,輻照交聯后指標也不相同。

鑒于電纜的壽命主要由絕緣材料和護套材料決定,其交聯后的物理機械性能是保證60 a 甚至80 a預期使用壽命的關鍵指標,建議業內對輻照交聯后的絕緣和護套物理機械性作出統一規定。

3.2.4 原材料一致性

除了對絕緣和護套擠包、輻照交聯關鍵工藝進行嚴格控制和工藝固化外,控制影響核安全級電纜質量的原材料也至關重要,保證絕緣和護套材料與電纜樣品鑒定時的一致性,保證材料的性能合格且工藝穩定[2],需要通過核質保體系控制和管理。

3.3 鑒定試驗

3.3.1 絕緣電阻常數

絕緣電阻常數的規定見表3。

表3 不同電纜規格書中、不同溫度下的絕緣電阻常數規定值

為同時滿足各類電纜技術規格書要求,采取指標包絡的方法,建議按照中核華龍一號電纜規格書規定值的情況進行考核。部分技術規格書對60 ℃下絕緣電阻常數不作考核,設計院、技術審評單位也無明確要求,為滿足各類堆型核電站技術要求,電纜企業在取證與鑒定試驗時應全面考慮,建議對60 ℃下絕緣電阻常數做補充試驗。

3.3.2 金屬屏蔽連續電阻

編織屏蔽層單絲直徑范圍為0.12～0.25 mm,編織密度不小于80% 或其他指定值,金屬屏蔽的連續電阻不大于10 Ω·km-1(測量環境溫度為20 ℃)。對于測量電纜(含儀表及補償電纜)的總屏蔽、控制電纜屏蔽來講,設計制造時應充分考慮編織絲根數及直徑,核電廠屏蔽接地與屏蔽結構有直接關系,金屬屏蔽應檢測連續電阻,并在型式檢驗報告中體現。

3.3.3 護套耐磨試驗

電纜敷設牽拉時,與粗糙地面有摩擦,電纜護套應具備一定的耐磨性能,耐磨試驗摩擦次數不少于30 次,護套表面無翹皮、無明顯破損。電纜外徑不小于30 mm 時,參考JB/T 10696.6—2007 中的試驗方法;電纜外徑小于30 mm 時,參考 GB/T 12527—2008 附錄B 中的試驗方法。

3.3.4 熱沖擊試驗(抗開裂試驗)

按照GB/T 2951.31—2008 中規定的方法進行抗開裂試驗,驗證電纜在指定條件下是否具備抗開裂的能力,試驗溫度為(150±2) ℃,時間為1 h,要求護套的表面無裂紋。

3.3.5 電纜兼容性試驗

成品電纜相容性指標見表4,根據技術規格書的要求和型式檢驗報告的檢驗數據,以及不同工程公司和設計院的要求,優先選擇表4 中的成品電纜相容性試驗Ⅱ開展試驗。

表4 成品電纜相容性指標%

3.3.6 耐臭氧試驗

國和一號/CAP1000、VVER 系列電纜技術規格書中規定,乙丙橡膠絕緣和護套電纜的絕緣需進行耐臭氧試驗:臭氧體積濃度為0.025%～0.030%、時間為30 h 時,絕緣應無裂痕。

在華龍一號系列電纜技術規格書中,XLPO 護套須進行耐臭氧試驗:在臭氧體積濃度為0.025%～0.030%、時間為24 h 時,護套應無裂痕。

電纜規格書中規定異常條件下,電纜應能承受以下化學介質而無嚴重損壞。①水:浸入水中1 m,并進行絕緣和護套吸水試驗。②二氧化物和過氧化物(微量):進行耐臭氧試驗考核,二氧化物對電纜的影響可忽略。③臭氧(微量):進行耐臭氧試驗考核。④油或油脂(噴淋):進行耐油(IRM 902 礦物油)試驗。⑤輕質燃油(噴淋):建議采用耐油(IRM 903 燃料油)試驗。

3.3.7 耐油性能

電纜護套應滿足溫度為(70±2) ℃、時間為4 h時的耐油性能指標,而部分電纜企業按照IEC 60092-359 Ed.1.2 標準中規定在溫度為(100 ±2) ℃、時間為24 h 下開展鑒定試驗,不同電纜規格書中耐油試驗指標見表5。此外,建議企業對護套耐燃料油的性能進行鑒定試驗,在各核電廠電纜技術規格書中經常提及。

表5 不同電纜規格書中耐油試驗指標規定值

3.3.8 耐低溫性能

核電廠的地理位置不同,對電纜的耐低溫要求不同,鑒定試驗中北方和南方的耐低溫要求應分別達到-35 ℃和-15 ℃。多數持證企業型式檢驗報告數據為-15 ℃,近幾年取證的企業的核電用電纜均已達到了-35 ℃,建議持證企業根據項目需要補充相關試驗。

3.3.9 禁用材料說明

在任何情況下,核安全級電纜均禁止使用聚氯乙烯(PVC)、氯丁橡膠(CR)、六氟化硫(SF6)、聚氯聯二苯(PCB)、Teflon(泛指含氟聚合物的材料)、水銀、石棉等材料,電纜在燃燒時,必須具備無毒、無腐蝕、低煙、不延燃的特性。

在鑒定試驗時,應充分考慮試驗項目和試驗指標,對于無法在電纜中進行鑒定的禁用材料,可采用原材料相關檢驗報告結果進行引用說明。材料中不含鉛、鎘、汞、六價鉻、多溴聯苯(PBBs)和多溴二苯醚(PBDEs)等,材料符合《關于限制在電子電氣設備中使用某些有害成分的指令》(RoHS)的要求。

鹵素檢測標準和方法參考GB/T 17650.1—2021、GB/T 17650.2—2021 和IEC 60684-2:2011,鹵素含量要求見表6。但個別電纜持證企業,未對氟含量進行檢測,造成檢驗報告缺項,需要補充試驗。

表6 鹵素含量[1]

在毒性指數方面,俄羅斯VVER 系列堆型要求核安全級電纜絕緣和護套毒性指數均不大于2.5,華龍一號、國和一號/CAP1000 等堆型要求核安全級電纜絕緣和護套毒性指數均不大于5。使用相同的絕緣和護套材料前提下,檢測結果也會有所差異,因其與生產環境等因素有關。此外,國內核安全級電纜對毒性指數的要求也在提高,電纜企業應引起足夠重視。毒性指數檢測方法和各類氣體臨界濃度見標準DEF STAN 02-713:2012。

當前,電纜持證企業普遍缺少對電纜中石棉的檢測,同時,隨著“綠色核電”理念的深入,電纜的制造過程、包裝材料、運輸過程等均應符合“綠色核電”要求,制造過程產生的廢氣、廢水、固體廢棄物的處理,以及包裝材料應符合環保標準,運輸車輛尾氣排放應滿足國家標準。

3.3.10 長期熱循環試驗

國和一號/CAP1000 電纜技術規格書中規定,殼內電纜應經受嚴苛的熱循環試驗,個別持證企業已按要求完成試驗;而華龍一號電纜無此要求。這將導致核電廠項目中存在電纜技術指標不兼容的問題。

3.3.11 耐輻照劑量

在殼外電纜檢驗報告中,正常工況條件下,輻照老化劑量為:二代/二代半40 a 壽命堆型輻照劑量為250 kGy,三代60 a 壽命堆型輻照劑量分別為250,375,412.5 kGy。根據國家核安全局網站公開的電纜企業取證范圍,殼內電纜累積輻照劑量有850,1 072,1 500,1 700,2 035,2 200,2 270,2 320,2 368 kGy,取證或續證時應注意鑒別。

核電廠設備正常運行時,與放射性流體接觸的電纜易受到γ射線的輻照作用;事故工況時,電纜還會受到β射線的輻照。因此,輻照老化時需要考慮β射線輻照的影響。但是,自然界中不存在單一的β輻射源,國內通過特殊改造的電子加速器及配套裝置對電纜非金屬材料進行β射線輻照老化,得出β和γ射線對電纜非金屬材料的等效損傷關系,鑒定試驗時采用轉化的γ射線輻照總劑量對電纜進行輻照老化[3]。電纜安裝后,部分絕緣線芯暴露于空氣中且與護套接觸相同的環境,故絕緣線芯應與電纜整體經受相同的輻照老化。

3.3.12 高溫高壓試驗

華龍一號、國和一號/CAP1000 等殼內電纜技術規格書規定的高溫高壓試驗(LOCA 試驗),對時間、溫度、壓力、拉峰、噴淋液成分、pH、噴淋流量等的要求均不相同。不同堆型殼內電纜技術要求不兼容,導致電纜企業需投入巨大的研發資金和時間成本。目前,國內僅有個別電纜持證企業可全部滿足要求。

3.3.13 阻燃試驗

成束阻燃試驗。俄羅斯VVER 堆型要求電纜達到成束阻燃A 類,華龍一號、國和一號/CAP1000均要求達到成束阻燃B 類。目前,已有部分持證企業涵蓋成束A 類和B 類阻燃試驗指標。

單根垂直燃燒試驗。電纜在核電廠設備中安裝接線后,護套被剝離致使絕緣線芯獨立于護套之外且與護套接觸相同的環境。因此,絕緣線芯需進行單根垂直阻燃試驗,以證明絕緣線芯具有單根阻燃性能。部分電纜技術規格書中規定,電纜也需進行單根垂直阻燃試驗,多數持證企業在鑒定試驗時未對其進行考核,建議結合具體核電廠項目補充試驗。

試驗標準的修訂對原鑒定試驗結果的影響無法通過理論分析來驗證,建議及時對企業的單根垂直燃燒試驗設備、成束燃燒試驗設備按照標準要求進行改造,根據情況開展對應檢驗項目的復評復測,以滿足標準試驗要求,新舊標準比對見表7。

表7 新舊標準比對

3.3.14 防霉試驗

國內大型商用核電站均在沿海建設,且新增核電建設項目也將分布在沿海地區。電纜在潮濕、鹽霧環境下存儲和使用易發霉,核電廠的地下電纜廊道陰暗潮濕、通風不良,使得橋架上的電纜護套表面出現“長毛”現象,嚴重時整個橋架上的電纜都會被霉菌大面積覆蓋。霉菌的生長會腐蝕電纜外護套,

4 結束語

結合未來發展趨勢,企業應根據需要全面考慮電纜的設計制造以及鑒定試驗項目與指標,在電纜研發方面,應重點聚焦于三代堆型的華龍一號、國和一號/CAP1000 等,以降低企業研發成本。由于缺乏統一的核安全級電纜標準,各持證企業在產品設計制造和鑒定試驗上存在差異,影響產品設計制造的標準化以及產業化,建議有關單位對電纜總體鑒定參數進行統一把控,除不同堆型事故條件下鑒定試驗保持差異外,盡量減少其他指標的差異。同時,加強核電纜專業人才培養,這對保證核安全級電纜質量至關重要。