船用核安全級電纜研制

王云帆,樊 群,楊佳昱,于 帥,李永江*

(1.武漢第二船舶設計研究所,武漢 430064;2.南京全信傳輸科技股份有限公司,南京 211113)

0 引 言

隨著北極航道常態化通行的可能性日益增加,以俄羅斯為代表的主要造船國家開始建造核動力船,由此開啟了對船用核安全級電纜的需求。 船載核反應堆艙作為核動力船舶的最后一道實體屏障,直接關系到船舶的整體安全。 在船舶航行的正常工況和事故工況下,船載核反應堆艙應能與相鄰艙室實現隔離,防止高壓、高溫、蒸汽的侵入,保障人員安全。 基于船舶航行工況、電纜敷設路徑和核環境等多種因素,船載核反應堆艙內電纜或保堆設備用電纜(以下稱“船用核級電纜”)除應滿足船用電纜的相關性能外,還應同時具備海洋環境適應性,如“三防”、環保和核安全性能,如經老化、輻照、設計基準事件(DBE)事故仍能正常工作。 截至目前,尚無具體的標準對船用核安全級電纜予以規定和指導。 本工作結合實際工作和產品開發情況對此進行了歸納,以期對行業有所裨益。

1 船用核級電纜關鍵性能

根據GB/T 22577—2008《核電站用1E 級電纜通用要求》[1]標準,核電站用1E 級電纜,即核安全級電纜分為K1、K2、K3 等3 個安全等級。 不同于核電站用核級電纜的細致分類,因尚無相關的國家標準、軍用標準或行業標準,故船用核級電纜的分類并不明確,值得商榷。 從核動力船舶特點和電纜應用情況來看,目前船用核級電纜主要是指堆艙用電纜,其類似于陸上核電站的K1 類電纜,主要用于船舶核反應堆艙內及貫穿艙內外設備所需電能、信號的傳輸與控制,關鍵性能兼顧船用電纜常規性能、海洋環境適應性能和核安全功能性能。 具體項目及試驗方法見表1。

表1 船用核級電纜關鍵試驗項目和參考標準

2 船用核級電纜設計

2.1 結構設計

船用核級電纜的結構設計須充分考慮海洋、核環境下的電氣性能和安全性能,除低煙、無鹵、低毒、阻燃等燃燒性能和耐鹽霧、濕熱、霉菌、油霧等氣候性能外,還須考慮高溫、高壓、蒸汽,以及γ 射線輻照等因素的影響。 船用核級電纜基本的主體結構與船用電纜相同,區別在于特殊的絕緣型式、隔離層設置及材料選擇。 其中,絕緣型式和材料選擇主要基于壽命和燃燒性能考慮;隔離層設置主要基于DBE 事故后的功能實現考慮;所有電纜在鎧裝內設置擠包內襯層或內護套。

2.1.1 控制電纜

船用核級控制電纜的典型結構包括單護套電纜、鎧裝型無內護套(有內襯層)電纜和鎧裝型雙護套電纜等,鎧裝型無內護套(有內襯層)電纜的典型結構示意圖見圖1。

圖1 鎧裝型無內護套(有內襯層)電纜結構示意圖

2.1.2 儀表通信電纜

船用核級儀表通信電纜的典型結構包括鎧裝型單護套電纜和鎧裝型雙護套電纜;根據屏蔽情況又分為無分屏蔽和有分屏蔽兩種結構,有分屏蔽的電纜在分屏蔽外繞包聚酯帶作為屏蔽絕緣。 鎧裝型雙護套電纜的典型結構示意圖見圖2。

圖2 鎧裝型雙護套電纜結構示意圖

2.2 材料選擇

為了達到船用核級電纜的關鍵性能要求,結合船用電纜和核電站用1E 級電纜的設計應用經驗,設計方案中控制電纜絕緣、儀表通信電纜絕緣分別采用乙丙橡膠和交聯聚乙烯,護套采用交聯聚乙烯,所有材料均為低煙、無鹵、低毒的阻燃材料。

選擇交聯聚乙烯和乙丙橡膠作為絕緣材料,以乙酸乙烯共聚物(EVA)為基材的阻燃交聯聚烯烴為護套材料,主要是考慮電纜經DBE 事故后,在高溫、高壓、蒸汽環境下,不會發生永久塑性形變,可以保證電纜的正常結構。 在材料實現上考慮到熱壽命、輻照老化性能,防老體系應耐受γ 射線照射。 相關原理為高聚物經輻照后,產生聚合物自由基,自由基與所選防老劑結合,終止聚合物自由基反應,實現預防老化、延長壽命的目的。

2.3 關鍵工藝

船用核級電纜生產工藝的控制要點主要集中在導體絞合、絕緣層、屏蔽隔離層、擠包內襯層(或護套)和擠包外護套。

2.3.1 導體絞合

基于船用核級電纜在事故環境下須具備結構穩定性、耐擠壓性能和電氣安全性能,產品從內而外應盡可能圓整、密實。 因此,控制和儀表通信電纜的導體選擇19 根單絲替代常規的7 根單絲,經正規絞合,使導體結構更緊密,外圍縫隙更小,更有利于擠包絕緣的厚度與同心度的控制。

2.3.2 擠包絕緣、襯層和外護套

通過免調偏機頭采用擠壓式工藝進行擠包,可以在偏心后自行調控,不需要人為調節,保證大壓力擠包橡塑材料時的同心度;避免在貫穿件密封和事故工況下,導致最薄點發生故障。

絕緣采用雙層共擠結構,內層采用分離型(BM)螺桿擠出,外層采用低煙無鹵材料專用螺桿擠出,模套采用擠壓式模套。

內襯層和護套擠出采用低煙無鹵材料擠出設備,模套應比成品外徑略小,使得材料在擠出后有所膨脹,且表面光滑。

絕緣和護套擠出后,首先測試材料的斷裂伸長率及其各層結構尺寸,測試有余量后,再批量擠出。絕緣和護套輻照時,熱延伸控制在30% ～50%范圍。

2.3.3 屏蔽隔離層

屏蔽層內外設置重疊繞包隔離層,搭蓋率不小于50%。 隔離層采用黏性高溫聚酰亞胺帶或電氣絕緣級耐高溫聚酯帶。

3 性能測試

3.1 試驗樣品

分別選取典型型號規格為JKEPJ/SC-H 2×0.75 mm2和JHYJP85/SC-H 24×2×0.6 mm2的控制電纜和儀表電纜作為試驗樣品,并根據試驗需要分別取同一電纜的不同長度,記為1#、2#樣件。

3.2 試驗方法及流程

常規性能按照GJB 1916—1994《艦船用低煙電纜和軟線通用規范》和GJB 774A—2020《艦船用電線電纜通用規范》規定的方法執行,海洋環境適應性能測試按照GJB 774A—2020 和GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》規定的方法執行,核相關功能驗證試驗按照GB/T 22577—2008 規定的方法執行。 1#、2#試樣具體的試驗流程見圖3。

圖3 產品試驗流程圖

3.3 測試結果

3.3.1 常規性能

本工作對2#試樣進行船用核級電纜常規性能試驗,試驗結果見表2。

表2 船用核級電纜常規性能測試結果

3.3.2 海洋和船舶環境適應性能

為了響應船舶“三防”預案,更好地應對船舶油污、海洋強日光、拉敷摩擦的影響,對2#試樣進行海洋和船舶環境適應性能試驗,試驗結果見表3。

表3 船用核級電纜海洋和船舶環境適應性能測試結果

3.3.3 核安全功能性能

為響應核環境下船舶壽命周期中熱、輻射、發生事故時的應用功能,對1#試樣進行了核安全功能性能驗證試驗,測試結果見表4。

表4 船用核級電纜核安全功能性能測試結果

由表2、表3 和表4 的測試結果可知,試制生產的產品試驗均符合技術要求,達到設計預期,實現了產品同時兼具海洋特殊環境和核工況的適應性,且滿足相應的關鍵技術性能和功能要求。

實測數據雖然符合設計要求,但相關產品仍具有可優化的空間,比如如何在保證電纜單位長度的外徑質量基礎上實現分屏蔽隔離層更加密實,屏蔽間絕緣電阻更加優異。

4 結束語

船用核級電纜直接關系核動力船舶的運行安全,本工作基于對關鍵性能和試驗項目的分析,完成了船用核級控制與儀表通信電纜的結構設計、材料選擇、試制開發和產品各項性能測試。 結果表明,該產品達到了設計預期,實現了相應的特殊性能和功能需要。