劉松林，張楠，王蘭蘭（中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 引言

為了減少由于環(huán)境影響而導(dǎo)致核電站1E級儀表共模失效的潛在可能，并證明1E級儀表有能力完成其安全設(shè)計功能，必須對1E級儀表進行環(huán)境鑒定。目前我國核電站的1E級儀表環(huán)境鑒定主要遵循GB、IEEE和RCCE系列標準。隨著國內(nèi)核電技術(shù)的進步和發(fā)展，1E級儀表的環(huán)境鑒定技術(shù)逐漸完善，本文對三代核電站的1E級儀表環(huán)境鑒定技術(shù)進行了研究和分析，并與二代改進型核電站的1E級儀表環(huán)境鑒定技術(shù)進行了對比，詳細論述了1E級儀表環(huán)境鑒定技術(shù)的發(fā)展和完善。

2 儀表環(huán)境鑒定方法[1]

1E級儀表鑒定方法有試驗法、運行經(jīng)驗法、分析法和組合法。

試驗法是鑒定設(shè)備執(zhí)行其安全功能的首選方法，它適用于大部分設(shè)備的質(zhì)量鑒定。

運行經(jīng)驗法是指，已成功運行的設(shè)備可以被認為已經(jīng)在嚴酷程度相同或較低的運行條件下經(jīng)過質(zhì)量鑒定。運行經(jīng)驗?zāi)芴峁┩馔茦O限值、故障模式和故障率方面的資料。

分析法是為了證明試驗件已經(jīng)滿足或超過了對試驗件自身的要求，證明其可以在正常、異常、設(shè)計基準事故（DBE）環(huán)境下執(zhí)行其指定的安全功能。分析法是建立在一些已成立的定理和部分試驗的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。所有的這些假設(shè)，包括推理，都必須根據(jù)認可的定理或可信的試驗數(shù)據(jù)。

組合法是指使用上述方法的任意組合對設(shè)備進行鑒定。

3 環(huán)境鑒定分類

在三代核電站的環(huán)境鑒定中，將環(huán)境分為和緩環(huán)境、輻射-嚴酷環(huán)境和嚴酷環(huán)境三類，如表1所示。

3.1 和緩環(huán)境儀表鑒定

和緩環(huán)境是正常運行工況和僅有抗震要求的設(shè)計基準事件（DBE）異常工況區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)。應(yīng)用于和緩環(huán)境的儀表，設(shè)備鑒定前應(yīng)使用分析的方法確定其是否存在老化機理。

位于此類區(qū)域內(nèi)的且沒有明顯老化機理儀表可以不要求鑒定壽命。位于和緩環(huán)境的儀表存在顯著老化機理時，必須進行老化試驗，并且根據(jù)已知的顯著老化機理和可靠性數(shù)據(jù)確定儀表的設(shè)計壽命。

3.2 輻射-嚴酷環(huán)境儀表鑒定

高放射性環(huán)境是指設(shè)備所處環(huán)境高于一定輻射水平，無論其他的環(huán)境條件處于正?；蚍浅顟B(tài)。當設(shè)備所處環(huán)境放射性累計劑量超過104rads（102Gy）（γ）[對設(shè)備中的I&C 電子和微處理器部件為103rads（10Gy）（γ）]時，環(huán)境鑒定試驗中應(yīng)包括輻照老化試驗。

3.3 嚴酷環(huán)境儀表鑒定

嚴酷環(huán)境是指冷卻劑喪失事故（LOCA）、主蒸汽管道破裂（MSLB）或高能管道破裂（HELB）條件下安全殼內(nèi)的環(huán)境和高HELB事故或LOCA 事故后安全殼外的環(huán)境。

對處于嚴酷環(huán)境的設(shè)備進行鑒定應(yīng)采取試驗法或者試驗加分析的方法。試驗應(yīng)包括熱老化試驗和機械老化試驗、輻照試驗、極端環(huán)境條件試驗、地震和振動影響試驗。儀表的環(huán)境鑒定試驗應(yīng)根據(jù)設(shè)備所處的特定工作環(huán)境，并考慮一定裕量，按照IEEE 323-2003規(guī)定的順序進行。

表1 和緩、輻射-嚴酷、嚴酷環(huán)境下的型式試驗[2]

4 環(huán)境鑒定內(nèi)容

AP1000 1E級儀表環(huán)境鑒定的要求和參數(shù)分為正常環(huán)境條件、異常環(huán)境條件和設(shè)計基準事件（地震、DBE和DBE后）三種情況。

不需要耐受DBE環(huán)境條件的設(shè)備，只需對正常和異常環(huán)境條件進行鑒定即可；需要耐受DBE環(huán)境條件的設(shè)備首先應(yīng)滿足正常和異常環(huán)境條件下的鑒定，其次滿足DBE和DBE后環(huán)境鑒定。下面僅對環(huán)境鑒定的內(nèi)容進行分析，對于抗震鑒定和DBE部分不作論述。

4.1 老化

首先對儀表進行評估以確認其是否存在潛在的顯著老化機理。這種老化可能導(dǎo)致設(shè)備性能退化，進而漸漸地使設(shè)備失效，使其不能在DBE條件下執(zhí)行安全功能。

（1）磨損老化（機械/電子）

周期性操作的或頻繁操作的設(shè)備會發(fā)生機械內(nèi)構(gòu)件的周期性老化和磨損。對設(shè)計過程中存在顯著機械或電子老化機理的設(shè)備，在DBE試驗之前應(yīng)先進行機械/電子老化試驗。如果鑒定試驗程序中沒有進行磨損老化，則必須進行合理的分析。

（2）熱老化

熱老化試驗是用來模擬設(shè)備在壽命末的退化影響。

熱老化試驗等效的壽命通過阿倫紐斯定律和材料的活化能來計算。首先對儀表中各種材料的活化能進行分析，從對安全相關(guān)功能影響最大的活化能中選擇一個最保守的值。在適當條件下，需考慮源于溫度變化的材料熱疲勞損傷。

（3）輻照老化

輻照老化試驗是模擬設(shè)備在壽期末輻照老化影響。輻照老化應(yīng)當考慮預(yù)期壽命內(nèi)和DBE條件下所受γ輻照劑量總和的影響。位于嚴酷或是輻射-嚴酷環(huán)境的設(shè)備都要進行輻照老化試驗?；谄Ｊ氐目紤]，在地震和模擬事故環(huán)境工況試驗前進行輻照老化試驗。

測試中受到的總輻照劑量（TID）包括正常、事故的劑量，等于或是超過要求輻射劑量的最高值。

（4）振動老化

應(yīng)對產(chǎn)生的不同程度的磨損和振動進行評估以明確潛在的顯著設(shè)備老化。振動老化（非地震）應(yīng)考慮自身引入的振動和來自管道、泵、電動機等運行振動。非地震性的振動可能產(chǎn)生疲勞受損、機械磨損、公差調(diào)整度喪失、部件松動等現(xiàn)象。非地震性振動老化試驗應(yīng)在抗震測試之前進行。

IEEE382-2006對電廠正常運行時管裝設(shè)備正常運行所造成的運行振動進行了明確要求。通過對設(shè)備進行以每分鐘2倍頻程從5Hz~100Hz~5Hz的正弦拍波試驗，對振動老化引起的潛在疲勞影響進行評估。設(shè)備應(yīng)在每個正交軸向進行90分鐘的振動試驗。以低頻狀態(tài)下0.75g（7.36m/s2）加速度或減速度的正弦信號為輸入信號，將雙振幅限定在0.635mm以內(nèi)[3]。

4.2 電磁兼容性

電磁和射頻干擾（EMI/RFI）可能是來自于操縱員向控制盤、外殼或機柜的靜電釋放，或是對講機、手機、收音機和電視等相關(guān)的設(shè)備。

電磁兼容性（EMC）鑒定必須遵循NRC管理導(dǎo)則1.180進行型式試驗。NRC管理導(dǎo)則R.G. 1.180是關(guān)于核級設(shè)備的導(dǎo)則，當非核級設(shè)備也要滿足核級設(shè)備的要求時，也可參照此導(dǎo)則。R.G. 1.180給出EMC鑒定方法，并且同樣認可基于EPRI典型報告TR-102323的試驗準則和方法。[4]、[5]

儀控和電子設(shè)備的EMC鑒定標準用來保證設(shè)備性能和可用性。并且，相關(guān)分析不能作為設(shè)備EMC鑒定的主要方法，必須通過試驗來論證其EMC性能。

5 三代核電站環(huán)境鑒定技術(shù)改進

三代核電站對1E級儀表鑒定的特定環(huán)境條件和運行條件所存在的各種因素都做了詳細的要求，并作了充分評價。下面從五個方面描述三代核電站在1E級儀表環(huán)境鑒定技術(shù)方面的改進。

（1）事故后可操作時間

三代核電站對于不同儀表有不同的可操作時間要求，用DBE后的熱老化試驗時間來表示DBE后儀表的可運行時間。

（2）淹沒

三代核電站不同環(huán)境區(qū)域的儀表在DBE模擬事故試驗時施加一個最小16.5 psig（113.65 KPa）的壓力，淹沒安全殼內(nèi)的液體初始的PH值為4.5的硼酸溶液，pH值在事故后的數(shù)小時內(nèi)增加到7.80~7.85之間。

（3）輻照老化試驗

三代核電站要求，當設(shè)備所處環(huán)境放射性累計劑量超過104rads（102Gy）（γ）[對設(shè)備中的I&C電子和微處理器部件為103rads（10Gy）（γ）]時，則應(yīng)進行輻照老化試驗。

（4）鑒定壽命

三代核電站1E級儀表鑒定壽期的目標為60年，當達不到60年的壽期要求時，應(yīng)確定一個短期的鑒定壽命，并提供設(shè)備的更換程序文件。二代改進型核電站參考的RCCE中沒有明確鑒定壽命的說法，但一般情況下，機械部件要求40年，電子部件要求10年。

（5）振動老化

三代核電站設(shè)備以每分鐘2倍頻程從5Hz~100Hz~5Hz的正弦拍波試驗，對振動老化引起的潛在疲勞影響進行評估，設(shè)備應(yīng)在每個正交軸向進行90分鐘的振動試驗。二代改進型核電站根據(jù)RCC-E D2221給出了各設(shè)備的振動老化試驗頻率為10~2000Hz。[6]

6 結(jié)語

綜上所述，1E級儀表是核電站安全系統(tǒng)保持其安全功能的重要保障，是核電廠安全縱深防御的重要環(huán)節(jié)。通過對1E級儀表環(huán)境鑒定條件的分析和研究，確認了可能影響1E級儀表安全功能的潛在因素，根據(jù)標準和規(guī)范的要求，運用正確的方法對1E級儀表進行環(huán)境鑒定，杜絕共模故障發(fā)生的可能。

[1] IEEE323-2003 IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations.

[2] APP-GW-VP-040 AP1000 Safety-Related Field Sensors Equipment Qualification Specification.

[3] IEEE382-2006 IEEE Standard for Qualification of Safety-Related Actuators for Nuclear Power Generating Stations.

[4] R.G.1.180 Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interference in Safety-Related Instrumentation and Control Systems.

[5] TR-102323 Guidelines for Electromagnetic Interference Testing in Power Plants.

[6] RCC-E D2221 Normal Ambient Conditions.