聶洪權(quán)，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(shù)的日趨成熟，安全級設(shè)備的鑒定要求也越來越高。在華龍一號(ACP1000)核電廠內(nèi)，安全級儀控就地盤箱柜作為核電廠設(shè)備控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要實現(xiàn)開關(guān)量、模擬量的信號匯集，就地控制設(shè)備的控制、指示、電源配電以及電纜轉(zhuǎn)接等功能，具有數(shù)量眾多、功能要求各異、內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異大、設(shè)備安裝環(huán)境十分復(fù)雜等特點。為了保證核電廠安全、穩(wěn)定運行，安全級儀控就地盤箱柜樣機的設(shè)備鑒定便顯得尤為重要[1]。設(shè)備鑒定的目的是為了證明安全級重要設(shè)備在需要時及時投運，可以滿足系統(tǒng)所需的性能要求；在設(shè)計壽期內(nèi)，正常工況及事故工況產(chǎn)生的環(huán)境條件下，能夠執(zhí)行其安全功能。設(shè)備鑒定的實質(zhì)也是為了證明安全級重要設(shè)備具備核安全功能的過程[2-4]。本文根據(jù)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(guān)鍵技術(shù)進行分析、計算，使樣機最終通過鑒定試驗，為后續(xù)設(shè)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(guān)要求如下[5]。

K1類:適用于安裝在安全殼內(nèi)、應(yīng)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(shè)備。

K2類：安裝在安全殼內(nèi)，可在正常運行工況和地震荷載下工作的設(shè)備。

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

根據(jù)華龍一號項目設(shè)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(shè)計要求

①設(shè)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(jù)環(huán)境條件，對設(shè)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(shè)備“必須使用”的概念。為了確保這些設(shè)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(shè)備新增加的鑒定要求。

③核電廠設(shè)計參數(shù)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(jié)構(gòu)、支架等進行改進，以滿足試驗要求，確保設(shè)備在此工況下可以正常執(zhí)行其規(guī)定的功能。

以上是華龍一號在設(shè)計要求上與以往項目的差別。本文通過對鑒定試驗內(nèi)容的詳細設(shè)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(jié)構(gòu)形式以及內(nèi)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(yīng)重點考慮以下幾個方面[6]。

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

②機械結(jié)構(gòu)代表性。樣機應(yīng)具有與被鑒定設(shè)備相似的動態(tài)結(jié)構(gòu)特性，充分考慮其包絡(luò)代表性及保守性。

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

④接口和連接的代表性。設(shè)備樣機應(yīng)充分考慮到被鑒定設(shè)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(shè)備樣機安裝方式。

根據(jù)以上四個方面的要求，結(jié)合現(xiàn)有箱型經(jīng)過充分的分析論證，選出具有典型性、包絡(luò)性且最不利于抗震的箱型；箱內(nèi)元器件應(yīng)涵蓋所有類型且元器件在箱內(nèi)的布置也以最接近實際安裝位置為原則；就地箱功能應(yīng)選取典型的調(diào)節(jié)、控制回路。

2.2 鑒定要求

儀控就地盤箱柜對于鑒定等級、質(zhì)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(huán)境條件也不相同，尤其是環(huán)境溫度、大氣壓等參數(shù)不同。正常運行期間環(huán)境條件如表1所示。

表1 正常運行期間環(huán)境條件

2.3 試驗內(nèi)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(jīng)過對試驗項目的分析，其鑒定試驗內(nèi)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(jù)RCCE—2005版B卷描述，安全級設(shè)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(shè)備應(yīng)經(jīng)受設(shè)計規(guī)定的環(huán)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(shù)量的樣機能夠涵蓋設(shè)備的所有類型。分析法是通過定性或定量的論證證明該設(shè)備具有完成期望能力的功能，同時分析法中應(yīng)包括對所采用方法、理論和假設(shè)正確性的論證。雖然分析法對試驗結(jié)果外推和確定局部的設(shè)計變更對已試驗過的設(shè)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(zhì)量鑒定則顯得過于復(fù)雜。混合法則是將試驗法和分析法相結(jié)合。

通常來說，對于環(huán)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(xiàn)其安全功能)的安全級電氣設(shè)備，應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)

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(shè)備元器件不因為溫度過高而損壞。因此，老化溫度應(yīng)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(zhì)、陶瓷、玻璃等)對溫度效應(yīng)不敏感，即不存在熱老化機理。而對于聚合類材料，當(dāng)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(shè)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(shù)；T1為正常環(huán)境溫度；T2為加速老化溫度。

3.2.2 輻照劑量計算

根據(jù)RCCE—2005版提出嚴重事故下設(shè)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(jù)華龍一號殼外劑量對設(shè)備影響的情況，首先界定了對于老化敏感的設(shè)備，如果設(shè)備暴露在100 Gy(對于微型設(shè)備或IC電子設(shè)備和微處理器為10 Gy)以上輻照環(huán)境條件的應(yīng)考慮進行輻照老化鑒定。對于K3類儀控就地盤箱柜，應(yīng)歸為微型設(shè)備或IC電子設(shè)備和微處理器分類，即暴露在超過10 Gy的環(huán)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(nèi)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(zhí)行安全功能的設(shè)備進行整理分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，嚴重事故下必須執(zhí)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(huán)境條件下的耐輻照試驗劑量，即可保證K3類設(shè)備能在嚴重事故下執(zhí)行相應(yīng)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(shù)值可涵蓋殼外除橙區(qū)之外所有廠房的10年正常運行累計劑量。而經(jīng)過排查，橙區(qū)內(nèi)的K3類儀控就地盤箱柜內(nèi)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(guī)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(jīng)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(shè)備安裝位置標高最高的樓層反應(yīng)譜的包絡(luò)譜作為要求的地震反應(yīng)譜，阻尼比選為5%。在抗震試驗前、后均應(yīng)重復(fù)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(jié)果的可接受性。

根據(jù)抗震要求的特點，在鑒定樣機設(shè)計中，重點考慮對設(shè)備結(jié)構(gòu)的加固和特殊設(shè)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(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)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(tài)監(jiān)測、外觀及結(jié)構(gòu)檢查、電氣性能檢查(抗震試驗前、后)。進行抗震試驗時，設(shè)備需處于正常運行狀態(tài)。

本項目在X、Y、Z方向的最大地震反應(yīng)譜包絡(luò)譜如圖2所示。

圖2 最大地震反應(yīng)譜包絡(luò)譜圖

3.2.4 嚴重事故環(huán)境試驗

對于安全殼內(nèi)應(yīng)用于設(shè)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(shè)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(shè)計基準事故溫度壓力鑒定試驗需根據(jù)行標EJ/T 1197相關(guān)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(nèi)容如表3所示。

表3 LOCA鑒定試驗各階段試驗內(nèi)容

4 鑒定試驗結(jié)果及改進

4.1 鑒定試驗結(jié)果

K1類鑒定樣機經(jīng)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(jié)果如表4所示。

表4 K1類樣機鑒定試驗結(jié)果

K3類鑒定樣機經(jīng)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(jié)果如表5所示。

表5 K3類樣機鑒定試驗結(jié)果

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

4.2 設(shè)計改進

在K1類樣機元器件鑒定過程中，老化試驗后出現(xiàn)個別電纜密封頭產(chǎn)品密封圈焦化失去彈性的情況。由于前期設(shè)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(xiàn)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(huán)境條件。

5 結(jié)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(shè)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(jù)阿倫紐斯定律的計算樣機熱老化時間，并且根據(jù)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(jié)果可以滿足K3類設(shè)備在不同輻照劑量條件下使用要求。

③通過對箱體結(jié)構(gòu)、安裝支架的改進，同時對全廠地震反應(yīng)譜進行包絡(luò)，使得設(shè)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(huán)境的鑒定依據(jù)、鑒定步驟以及K1、K3類樣機鑒定試驗后的基準性能試驗結(jié)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(xù)項目提供了良好的技術(shù)經(jīng)驗。同時，該研究也為應(yīng)對后續(xù)核電廠更復(fù)雜工況下的安全級設(shè)備鑒定奠定了基礎(chǔ)。