倪 勇， 劉旌平， 胡誠成

(上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200093)

0 引 言

核電站的“心臟”是核反應(yīng)堆，而穩(wěn)壓器則是“心臟”的“起搏器”。穩(wěn)壓器是壓水堆核電站(Nuclear Power Plant，NPP)的關(guān)鍵設(shè)備，起著維護(hù)系統(tǒng)壓力的作用[1]。全球核電廠穩(wěn)壓器電加熱器供應(yīng)商主要有THERMOCOAX、VULCANIC、WATLOW、GENERAL ELECRIC、重慶川儀等[2]。穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜隨穩(wěn)壓器加熱元件同機(jī)進(jìn)口，用量不大，價格昂貴、采購周期漫長，其研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、試驗(yàn)評估等各個環(huán)節(jié)都具有一定的難度和相當(dāng)?shù)墓ぷ髁?，屬于少批量、高技術(shù)含量產(chǎn)品。供貨商提供的相關(guān)技術(shù)參數(shù)比較模糊，響應(yīng)較遲緩，特別是材料在耐熱性、耐輻照性能指標(biāo)參數(shù)上存在技術(shù)上的“黑匣子”。甚至部分核電工程因電纜的問題無法解決而耽擱了穩(wěn)壓器整體設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程。鑒于此，本工作對CAP系列穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜進(jìn)行設(shè)計(jì)并驗(yàn)證，解決電加熱器電纜的國產(chǎn)化問題。

1 電纜設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

因高溫電纜的工作環(huán)境存在核輻射、濕熱環(huán)境方面的要求，電纜應(yīng)有優(yōu)良的電氣性能、阻燃性能可通過單根燃燒試驗(yàn)以及B類的成束燃燒試驗(yàn)、長期浸水試驗(yàn)。

1.2 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。根據(jù)相關(guān)要求，穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜在CAP1000核電站中，持續(xù)運(yùn)行溫度至少為124 ℃，工作壽命期望60 a；在CAP1400核電站中，持續(xù)運(yùn)行溫度至少為132 ℃，工作壽命期望60 a，同時須耐受γ射線累積輻照劑量312 kGy。因此，電纜的線芯導(dǎo)體、絕緣層、防護(hù)層均須滿足嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)要求。

1—鍍鎳銅導(dǎo)體；2—內(nèi)襯層；3—硅橡膠絕緣；4—外襯層；5—編織護(hù)套；6—填充；7—不銹鋼絲編織

1.3 主要材料的選擇及研制

1.3.1 導(dǎo)體材料的選擇

為了防止導(dǎo)體在高溫條件下發(fā)生氧化，通常需要選擇有鍍層的導(dǎo)體。

本技術(shù)的使用場合主要是CAP系列穩(wěn)壓器電加熱器，由于其特殊的工作環(huán)境，根據(jù)用戶方的要求，試驗(yàn)選用27級鍍鎳圓銅線作為本技術(shù)導(dǎo)體使用材料。

本技術(shù)包含多個規(guī)格的導(dǎo)體，采用不大于0.30 mm的單絲導(dǎo)體多股復(fù)絞的方式，以提高導(dǎo)體本身的柔軟性，解決鍍鎳導(dǎo)體本身柔軟性不足的問題。

1.3.2 絕緣材料驗(yàn)證

(1) 基料選擇。根據(jù)項(xiàng)目要求以及工程實(shí)際需求：允許工作溫度為124，132 ℃時，其使用年限要求均為60 a。根據(jù)使用工況要求，須選用耐高溫、耐輻照的無鹵材料。本工作選用硅橡膠作為本技術(shù)的基料進(jìn)行絕緣材料的研制。

(2) 絕緣材料的研制。試驗(yàn)選用的甲基乙烯基苯基硅橡膠(PMVQ-1、PMVQ-2和PMVQ-3)、耐熱劑(HR-1、HR-2和HR-3)、氫氧化鎂(MH)、改性三聚氰胺氰尿酸鹽(PNFR)、添加劑(SMP)、有機(jī)硅樹脂中間體(FR-60)和硫化劑(MM)為市售工業(yè)產(chǎn)品。鉑金阻燃劑(PtFR)購自市售產(chǎn)品后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室調(diào)配。

經(jīng)過改性后的硅橡膠[3]主要性能如下：

(1)機(jī)械性能。硅橡膠的機(jī)械性能見表1。

表1 硅橡膠的機(jī)械性能

(2) 長期耐水性。絕緣材料通過14 d加速吸水老化試驗(yàn)，14 d的電容增量大于10%，后7 d的電容增量不大于3%，測量結(jié)果符合技術(shù)要求。

(3) 抗輻照能力。試驗(yàn)對絕緣材料進(jìn)行累計(jì)312 kGy的γ射線輻照后，其機(jī)械電氣性能保持良好。

(4) 阻燃性。絕緣材料通過單根燃燒以及B類成束燃燒。

(5) 熱壽命驗(yàn)證。通過124 ℃以及132 ℃下60 a的壽命驗(yàn)證；通過對苯基硅橡膠基材開展耐輻照和耐熱老化試驗(yàn)并進(jìn)行選型研究，通過配合納米耐熱劑，對添加劑進(jìn)行疏水功能化改性，配合鉑金阻燃劑，最后經(jīng)過捏合、開煉等工藝，研制出新型阻燃耐高溫耐輻照硅橡膠絕緣材料。經(jīng)檢驗(yàn)，硅橡膠絕緣材料的機(jī)械物理性能、電氣性能和阻燃性能均優(yōu)良，硅橡膠絕緣材料[4]可應(yīng)用于CAP1400電加熱器高溫電纜。

2 試驗(yàn)件試制

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，確定電纜的結(jié)構(gòu)，電纜的中心導(dǎo)體以及絕緣層的結(jié)構(gòu)尺寸是固定值，根據(jù)設(shè)計(jì)過程中對方案的探討、驗(yàn)證并進(jìn)行產(chǎn)品試制。

2.1 電纜規(guī)格

試制件按導(dǎo)體規(guī)格典型值的原則，中心導(dǎo)體的截面積選用35 mm2和70 mm2兩個規(guī)格。

2.2 產(chǎn)品質(zhì)量鑒定大綱

本工作研制的穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜，目前為國內(nèi)首批核電站穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜，暫時沒有十分匹配的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)供參考，經(jīng)與用戶單位的多次技術(shù)溝通，最終確定考核項(xiàng)目和試驗(yàn)方法，制定了質(zhì)量鑒定試驗(yàn)大綱。

2.3 電纜制作關(guān)鍵工序

絕緣擠出是本產(chǎn)品的關(guān)鍵工序。

研制電纜需經(jīng)受工頻火花檢驗(yàn)和成品樣線絕緣電阻、耐電壓等電性能試驗(yàn)，絕緣的擠出質(zhì)量可明顯影響以上技術(shù)要求。需要在絕緣的擠出中嚴(yán)格控制擠出的外徑以及絕緣同心度。

通過設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇適當(dāng)?shù)慕^緣層厚度，滿足電纜的性能要求的同時盡量控制電纜的單位質(zhì)量以及安裝所需的空間，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際情況結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過對生產(chǎn)設(shè)備的硫化管道的改造，保證電纜絕緣硫化過程中溫度均勻穩(wěn)定、硫化時長適宜及冷卻時間充分，從而來保證絕緣的硫化程度并且保證電纜的圓整性。

為保證絕緣線芯的電氣性能擠出時應(yīng)加一層濾網(wǎng)過濾。

本工作采用硅橡膠作為絕緣材料，其加工過程分兩步：①絕緣擠出工藝：在試生產(chǎn)過程中，使用擠壓式摸具，同時使用在線測偏儀實(shí)時監(jiān)控，嚴(yán)格控制電纜的同心度在95%以上；使用在線測徑儀對外徑進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，確保厚度誤差在±0.05 mm以內(nèi)，嚴(yán)格控制絕緣厚度；保證電纜的連續(xù)長度；②硫化工藝：絕緣擠出后，接著就是硫化工藝，在硫化管道內(nèi)，需要控制好每段硫化管道的溫度，控制絕緣材料的熱延伸在50%～150%之間，收盤時，保證其不被收線履帶壓變形。

3 成品電纜主要性能驗(yàn)證

3.1 電氣性能

穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜是一種壓水堆核電站高溫電纜，對穩(wěn)壓器電加熱器元件的持續(xù)穩(wěn)定工作起到保障的作用。穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜電性能見表2。

表2 穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜電性能

由表2可以看出：穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜各項(xiàng)電性能指標(biāo)均符合技術(shù)指標(biāo)要求。高溫下，絕緣電阻常數(shù)比常溫下絕緣電阻常數(shù)下降了不到1個數(shù)量級，比預(yù)期的下降3個數(shù)量級的指標(biāo)要求要理想很多，絕緣性能是電纜能夠運(yùn)行的首要技術(shù)指標(biāo)，這項(xiàng)性能的優(yōu)異表現(xiàn)說明電纜可在高溫132 ℃條件下進(jìn)行正常工作。穩(wěn)壓器電加熱器是壓水堆核電站的重要部件，是唯一長期處于汽、水兩相狀態(tài)的主設(shè)備，表2中加速吸水試驗(yàn)表明，絕緣層材料除最開始時對水汽有吸收以外，后期基本不再吸收水分(0.3%，遠(yuǎn)小于要求的不大于3%)，由此，能夠確保在電纜長期運(yùn)行過程中，不會因?yàn)椴牧衔畬?dǎo)致絕緣性能下降，能夠穩(wěn)定有效地進(jìn)行工作。

3.2 長期濕熱試驗(yàn)

因?yàn)殡娂訜崞鞣€(wěn)壓器元件電纜的特殊工作環(huán)境，為模擬事故工況下，電纜護(hù)套被破壞失去保護(hù)功能后，電纜絕緣受到高溫和水汽同時作用的情況下，電纜線芯是否能夠進(jìn)行一段時間的正常工作以待檢修。項(xiàng)目組將電纜的線芯從電纜中取出，取兩根線芯做比對試驗(yàn)，將電纜線芯浸漬在90 ℃的鹽水溶液中，每隔7 d測試1次電纜的絕緣性能，監(jiān)測電纜的絕緣性能變化，線芯長期絕緣電阻測試結(jié)果見圖2。

圖2 線芯長期絕緣電阻測試

由圖2可知：電纜線芯在失去了護(hù)套的保護(hù)作用之后，電纜線芯在90 ℃的鹽水溶液的作用下，在最初的28 d內(nèi)，其絕緣電阻迅速下降了3個數(shù)量級，但在隨后的很長一段時間內(nèi)保持著緩慢的下降趨勢，196 d的絕緣電阻只下降了一個數(shù)量級，依然保持絕緣性能完好，能夠正常運(yùn)行。試驗(yàn)證明絕緣線芯擁有良好的耐熱和耐水性能，可以長期運(yùn)行。

3.3 電纜壽命驗(yàn)證試驗(yàn)

成品電纜按IEEE 383要求依次進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)、常規(guī)輻照老化試驗(yàn)，隨后通過柔性保持試驗(yàn)以及燃燒性能來判定。

熱壽命按照GB/T 11026.1—2016的方法模擬電纜持續(xù)132 ℃導(dǎo)體運(yùn)行溫度等效60 a壽命加速熱老化試驗(yàn)(試驗(yàn)條件：230 ℃×289 h)；耐輻照壽命按照GB/T 26168.2—2010的規(guī)定進(jìn)行了累計(jì)計(jì)量312 kGy的γ射線輻射(輻照劑量率1 kGy·h-1)，模擬老化試驗(yàn)后性能驗(yàn)證見表3。

表3 模擬老化試驗(yàn)后性能驗(yàn)證

由表3可知：電纜在進(jìn)行了熱老化和輻照老化后，電纜仍具備一定的柔韌性，并且能夠通過AC 3 150 V·mm-1，5 min的耐壓試驗(yàn)，老化后的電纜能通過單根和成束燃燒的性能要求，證明電纜能夠滿足設(shè)計(jì)的壽命要求。

4 結(jié) 論

本技術(shù)[5]有利于從技術(shù)上深入理解核電設(shè)備的研制和制造，提高核電裝備的可靠性，突破長期制約我國核電穩(wěn)壓器電加熱電纜規(guī)模化發(fā)展的技術(shù)瓶頸，通過產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的模式，開展系統(tǒng)性的共性技術(shù)研究，從基礎(chǔ)理論層面支撐重大專項(xiàng)工程技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，并帶動我國高溫電纜的提升。這種穩(wěn)壓器電加熱器電纜在技術(shù)水平上處于國際的先進(jìn)水平，在實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足CAP系列穩(wěn)壓器電加熱器電纜的使用需求，避免了因?yàn)殡娎|的問題無法解決而影響穩(wěn)壓器整體設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程。該電纜通過了CAP核電要求的事故工況功能驗(yàn)證試驗(yàn)，能夠普遍適用于CAP核電站內(nèi)可能的應(yīng)用場景，同時可以應(yīng)用于類似場景的長期高溫、高輻照劑量的特殊環(huán)境。