陶 革，趙傳禮，高 軒，陶 鈞

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

環(huán)境參數（如溫度、輻照和濕度等）是影響核電廠設備老化過程和可靠性的關鍵因素。在核電廠的設計以及安全相關電儀設備的鑒定過程中，會對電儀設備的運行溫度、輻照水平和其他環(huán)境參數預先進行設定（也稱為“設計假設”）。核電廠電儀設備的選型和設計壽命也都是基于電儀設備的設計服役環(huán)境建立的。考慮到 “設計服役環(huán)境”參數的保守性，絕大多數電儀設備的實際服役環(huán)境較設計環(huán)境更為和緩，但是電廠也可能會存在少數的局部惡劣環(huán)境區(qū)域，其環(huán)境狀況比“設計服役環(huán)境”還要嚴酷［1，2］，如不能對設備的實際服役環(huán)境進行有效的識別、評估和管理，則可能會發(fā)生電儀設備提前老化和失效現象，甚至會對電廠的安全穩(wěn)定運行造成不利影響。例如，美國阿肯色州Arkansas Nuclear One 核電站的1 號機組，就發(fā)生過因局部溫度超過安全相關設備的環(huán)境鑒定溫度，從而導致部分安全相關設備發(fā)生降質的事件［3］。

對電儀設備服役環(huán)境進行監(jiān)測，不僅有利于識別電廠局部惡劣設備環(huán)境并對該環(huán)境中電儀設備的老化進行有效管理，還有助于識別電儀設備環(huán)境鑒定參數中的過度保守量，為延長電儀設備的使用壽命提供基礎信息。此外，對電廠運行期間設備服役環(huán)境參數信息的收集，還可為核電廠運行許可證延續(xù)的老化評估提供數據支持。本文對實施核電廠電儀設備服役環(huán)境監(jiān)測（以下簡稱環(huán)境監(jiān)測）的通用要求和監(jiān)測流程、監(jiān)測參數和監(jiān)測儀表、監(jiān)測位置和監(jiān)測頻度等內容進行了介紹和論述，可為國內核電廠實施電儀設備服役環(huán)境監(jiān)測提供指導和參考。

1 環(huán)境監(jiān)測目的及基本要求

1.1 環(huán)境監(jiān)測目的

我國核安全導則《核動力廠老化管理》中明確指出要對現場環(huán)境狀況進行監(jiān)測，以探測任何與設計值的偏離［4］。核電廠在運行期間應對“設計環(huán)境”參數進行驗證，以證明核電廠運行在設計基準之內，確保電廠能夠安全穩(wěn)定的運行［5］。由于電廠已有測量系統(tǒng)往往是為工藝系統(tǒng)服務而設置的，因此其中真正能用于表征電儀設備服役環(huán)境狀況的測量儀表并不多；當電廠已獲取的實際環(huán)境參數信息無法滿足老化評估和分析驗證需求時，就需要有針對性地開展電儀設備的服役環(huán)境參數監(jiān)測，以獲取和補充所需的設備實際服役環(huán)境信息。

電儀設備實際服役環(huán)境參數的獲取可用于以下目的：

（1）設計環(huán)境參數驗證；

（2）電儀設備鑒定壽命評估及延長；

（3）設備失效根本原因分析；

（4）為核電廠申請運行許可證延續(xù)提供支持；

（5）識別可能影響電廠可用性的惡劣環(huán)境并觸發(fā)相應的糾正行動。

1.2 環(huán)境監(jiān)測的基本要求

本文討論的電儀設備服役環(huán)境監(jiān)測，是當電廠已有的實際環(huán)境參數信息無法滿足電儀設備的設計環(huán)境參數驗證、設備鑒定壽命延長、電廠運行許可證延續(xù)、設備失效根本原因分析等任務需求時而采取的“專項測量”活動。實施電儀設備環(huán)境監(jiān)測時應考慮并遵循如下基本要求：

（1）針對不同的任務需求（如設計環(huán)境參數驗證、設備鑒定壽命延長、電廠運行許可證延續(xù)、設備失效根本原因分析）制定有針對性的環(huán)境監(jiān)測方案；

（2）環(huán)境監(jiān)測活動不應對電廠的安全和正常運行造成不利影響；

（3）環(huán)境監(jiān)測儀表的安裝不應對電廠的巡檢和檢修活動造成不利影響；

（4）獲取的環(huán)境監(jiān)測數據必須能代表或包絡實際的運行環(huán)境狀況；

（5）環(huán)境監(jiān)測活動必須滿足核電廠的質保要求，確保監(jiān)測數據的有效性；

（6）環(huán)境監(jiān)測相關的所有數據、文件及監(jiān)測結果應當按照電廠文檔管理要求進行存檔。

2 環(huán)境參數監(jiān)測流程

電儀設備服役環(huán)境監(jiān)測的通用流程見圖1。其中環(huán)境監(jiān)測方案的制定是整個流程中的重點環(huán)節(jié)，監(jiān)測方案的具體內容應根據環(huán)境監(jiān)測活動的上游任務需求而制定。上游任務的需求不同，會使得環(huán)境參數監(jiān)測的類型、監(jiān)測頻度、監(jiān)測儀表的選擇等具體方案產生很大的差異。

圖1 環(huán)境監(jiān)測通用流程Fig.1 General flowchart of environmental parameters monitoring

3 環(huán)境監(jiān)測參數的選擇

根據設備服役環(huán)境參數對電儀設備壽命和可靠性的影響大小以及可測量性的考慮，電儀設備服役環(huán)境監(jiān)測參數通常包括溫度、輻照、濕度三種類型。電廠可根據監(jiān)測目的的不同有針對性地選擇需要監(jiān)測的參數。典型的監(jiān)測目的與所需監(jiān)測的環(huán)境參數之間的關系見表1。

表1 典型監(jiān)測目的與所需的環(huán)境參數Table 1 Typical monitoring purpose and the required environmental parameters

3.1 溫度

溫度是影響大多數電儀設備使用壽命的最重要的環(huán)境應力。溫度的測量包括三種類型：與時間變化有關的連續(xù)溫度測量、被測時段內的等效溫度測量（指所獲取的溫度可直接用于阿倫紐斯［Arrhenius］模型中進行壽命計算）、最高溫度測量。連續(xù)溫度測量和等效溫度測量通?？蓾M足各種評估目的需求，環(huán)境監(jiān)測時只需選擇其中一種進行測量即可，最高溫度測量通常作為連續(xù)溫度測量和等效溫度測量的補充。

連續(xù)溫度測量是目前電廠使用最多、最熟悉也最成熟的測量方式，測量裝置通常由熱電偶或熱電阻等溫度傳感器、傳輸電纜、信號轉換器、記錄設備組成，能獲取隨時間變化的溫度值。

等效溫度也稱“阿倫紐斯等效溫度”，其測量裝置由光學性能會隨時間和溫度發(fā)生變化的特殊材料構成，所獲取的溫度測量數據能夠直接用于Arrhenius 公式中進行計算，以實現對設備熱降質情況的評估。該測量裝置的優(yōu)點是：屬于被動式測量裝置，具有體積小、重量輕、易于現場安裝的特點，溫度測量時長可涵蓋一個到數個燃料循環(huán)。其缺點是：等效溫度測量裝置的數據讀取無法在現場完成，需返回裝置制造廠讀取［6］。

最高溫度也稱峰值溫度，是指測量時段內的溫度所能達到的最高值。峰值溫度的測量最常用的是采用溫度試紙，當溫度超過規(guī)定的溫度時，溫度試紙上的預涂材料會發(fā)生不可逆的化學變化并發(fā)生顏色變化，以表明溫度達到了試紙設定的溫度。溫度試紙價格低廉，可有多個設定溫度。最高溫度的測量常用于篩選，可快速確定給定時段（如一個燃料循環(huán)或者某一特定的異常事件期間）內出現在所關注位置上的最高溫度，以初步分析溫度對設備是否有潛在的不利影響，并確定是否需要獲取進一步的數據或采取糾正行動。

3.2 輻照和濕度

輻照也是影響電儀設備使用壽命的重要環(huán)境應力。核電站的放射性主要來自裂變產物和活化腐蝕產物。核電廠常見的輻照類型有四種：α，β，γ 和中子，其中對電儀設備影響較大的主要是γ 和中子，中子對電儀設備的影響主要發(fā)生在反應堆附近的未屏蔽區(qū)域。輻照劑量的測量通常采用累積劑量測量的方法，例如使用熱釋光劑量測量裝置（Thermoluminescent dosimeter，TLD）。

濕度測量結果常用于設計環(huán)境參數的驗證以及根本原因分析。在服役環(huán)境參數的測量實踐中，濕度測量不如溫度和輻照劑量測量普遍，電廠可根據具體的環(huán)境監(jiān)測目的和需求確定是否需要實施濕度測量。目前比較常見的濕度測量方式是，采用自帶溫濕度探頭和數據保存裝置的就地測量儀表來同時收集和保存被測位置的溫度和濕度信息，并定期從就地測量裝置中導出測量數據并轉送到計算機進行處理和分析。

4 環(huán)境參數的監(jiān)測方式

根據環(huán)境參數測量數據存儲位置的不同，環(huán)境參數的監(jiān)測可分為遠程監(jiān)測和就地監(jiān)測。

遠程環(huán)境監(jiān)測是將就地傳感器測量到的現場數據傳送到遠程計算機上進行存儲，其突出的優(yōu)點是可實現多參數多通道數據的實時采集和存儲，并可通過遠程計算機上的專用軟件對獲取的數據進行分析［6］。其缺點是當現場環(huán)境監(jiān)測點較多時，往往需要敷設大量的測量電纜并需考慮電廠備用的安全殼電纜貫穿件的數量。該監(jiān)測方式適用于需要存儲的數據量較大且要求能實時獲取環(huán)境參數數據并進行分析的場合。

就地環(huán)境監(jiān)測的參數測量和數據存儲都是在就地完成的，較適用于無須獲取實時測量數據或測量信號遠程傳輸受限的應用場合。就地環(huán)境監(jiān)測可將來自環(huán)境參數測量儀表的信號通過數字信號的形式存貯在就地的數字存儲設備上，并根據需要定期從就地數字存儲設備上下載數據用于分析評估。這類監(jiān)測儀表具有體積小、重量輕、費用低、現場安裝方便的特點，不僅減少了儀表電纜的安裝量，也無須考慮安全殼電纜貫穿件的問題。這種方法的缺點是，測量時長可能會受限于就地數據存儲器的容量以及自帶電源的大小（如適用），需要定期從就地數據存儲器下載數據；另外，該方法對現場測量裝置中電子設備的耐高溫耐輻照要求較高。

電廠可根據監(jiān)測任務的具體需求，并綜合考慮需監(jiān)測的數據量大小、監(jiān)測數據的使用需求情況（如是否要獲取實時數據并進行分析）、被監(jiān)測區(qū)域在電廠運行期間的可達性、電廠現有技術和設備資源等信息來選擇適合的環(huán)境參數監(jiān)測方式，包括采用遠程監(jiān)測與就地監(jiān)測的組合方式。

5 監(jiān)測位置和儀表的選擇

5.1 監(jiān)測位置的選擇

環(huán)境參數監(jiān)測位置選取的基本原則是：獲取的環(huán)境參數必須具有代表性或包絡性。測量具體設備的環(huán)境參數時，測量位置應盡量靠近被關注的設備［7］（如測量電纜的溫度時，測點應當盡量靠近電纜）。測量區(qū)域的環(huán)境參數時，應選擇具有包絡性的位置（如溫度測點不宜安裝在靠近通風系統(tǒng)冷風出口的位置；當溫度傳感器被固定在某一具體設備上來測量環(huán)境溫度時，必須考慮該設備的運行狀態(tài)是否會給測量結果帶來不利影響）。確定環(huán)境參數監(jiān)測位置時還應綜合考慮以下因素：

（1）被測量區(qū)域是否有重要電儀設備；

（2）被測量區(qū)域的設備布置及通風情況；

（3）被測量位置的可達性；

（4）測量裝置在被監(jiān)測位置的可安裝性；

（5）測量位置的現場供電情況；

（6）測量儀表的安裝對運行操作和巡檢的影響；

（7）測量儀表的安裝對維修工作的影響；

（8）電廠前期實施的服役環(huán)境監(jiān)測反饋。

需要特別注意的是，如果環(huán)境監(jiān)測儀表所選擇的位置附近有安全相關的設備存在，則監(jiān)測儀表位置的選擇及其安裝方式必須保證監(jiān)測儀表發(fā)生故障時不會影響安全相關設備執(zhí)行其預期功能。

5.2 環(huán)境監(jiān)測儀表的選擇

5.2.1 環(huán)境監(jiān)測儀表的分類

根據環(huán)境監(jiān)測儀表工作時是否需要供電，環(huán)境監(jiān)測儀表可分為能動式測量儀表和非能動式測量儀表。能動式測量儀表需要電源供電才能完成相應的測量工作，絕大多數的測量儀表都屬于能動式的，包括使用外供電源的測量儀表與自帶電池供電的測量儀表。

非能動式測量儀表不需要電源即可完成相應的測量工作。非能動式測量儀表通常是通過記錄被測量參數的累積效應來進行測量的累積效應型測量儀表，如測量輻射劑量用的熱釋光劑量計和美國西屋公司開發(fā)的用于測量等效溫度的裝置。這種非能動式測量裝置獲取的數據通常無法直接讀取，需要通過專門的讀取轉換后方可使用。

5.2.2 選擇監(jiān)測儀表需考慮的因素

環(huán)境監(jiān)測儀表的選擇需考慮多方面的因素，應包括但不限于以下內容：

（1）監(jiān)測儀表的量程（應覆蓋監(jiān)測區(qū)域的電廠設計環(huán)境參數范圍）；

（2）監(jiān)測儀表是否需要供電及供電方式；

（3）監(jiān)測儀表的安裝方式；

（4）監(jiān)測儀表的精度；

（5）監(jiān)測周期內監(jiān)測位置的環(huán)境對儀表精度產生的影響；

（6）監(jiān)測儀表的標定有效期。

在選擇監(jiān)測儀表時，也需關注所選監(jiān)測儀表的自身局限性。例如，溫度試紙的測量原理決定了它雖然可以方便地給出所測量位置的峰值溫度值，但卻無法提供峰值溫度存在的時間長短。如果測量要求是既要獲取峰值溫度的數值也要獲取峰值溫度存在的時長，那么使用溫度試紙進行測量就不再是理想的選擇了，而應考慮采用連續(xù)溫度測量。

對于同一監(jiān)測位置有多種參數監(jiān)測要求（如需同時監(jiān)測溫度和濕度），可考慮采用能同時提供多種參數測量的復合式儀表。對于帶有數據存儲器的就地監(jiān)測設備，還應考慮現場環(huán)境對數據存儲器的影響，防止數據丟失；數據存儲器的存儲容量應能滿足測量時長內監(jiān)測數據的存儲需求。

5.3 監(jiān)測儀表的標定

對用于環(huán)境參數監(jiān)測的儀表應明確標定要求，包括測量儀表使用前的標定和環(huán)境監(jiān)測結束后用于驗證儀表性能的標定。對用于長周期環(huán)境監(jiān)測的儀表，還應根據所用監(jiān)測儀表的技術規(guī)范建立定期標定的要求。

6 監(jiān)測數據的采樣頻率

對于能動式（需要電源供電）的環(huán)境監(jiān)測儀表，在制定環(huán)境參數監(jiān)測方案時還需考慮并選取合適的監(jiān)測數據采樣頻率。監(jiān)測數據采樣頻率的選擇對于那些波動較大的參數測量影響較為明顯。數據采樣頻率過低可能無法準確地反映出被測參數的變化，而過高的數據采樣頻率往往會造成采樣數據的浪費，同時使得監(jiān)測成本上升。例如，對每天波動都較大的溫度測量，比較理想的采樣頻率應是足以獲取每天溫度峰值的數據采樣頻率［8］。環(huán)境監(jiān)測數據的采樣頻率應根據被測量環(huán)境參數的波動速度和頻繁程度、預期的監(jiān)測時間和數據存儲裝置的存儲容量等因素綜合考慮確定。

非能動式環(huán)境監(jiān)測儀表是通過記錄被測量參數的累積效應來進行數據收集的，因而不存在監(jiān)測數據的采樣頻率選擇問題。

7 監(jiān)測頻度

電儀設備的環(huán)境監(jiān)測可分為單次臨時性環(huán)境監(jiān)測、定期環(huán)境監(jiān)測和長期環(huán)境監(jiān)測。不論采用哪種監(jiān)測方式，環(huán)境監(jiān)測的時長都應充分考慮電廠正常運行事件、大修、電廠啟停、功率運行、四季變化等產生的影響，最短不應少于一個正常燃料循環(huán)。

單次環(huán)境監(jiān)測只實施一個測量周期，是獲取有代表性環(huán)境參數數據的最低頻次要求。定期環(huán)境監(jiān)測需按照監(jiān)測計劃規(guī)定的固定間隔時間（如每10 年進行1 次測量）定期實施環(huán)境監(jiān)測。對于某些重要區(qū)域的重要參數的監(jiān)測，也可采用安裝固定式的監(jiān)測設備進行不間斷的長期監(jiān)測。

相對于單次環(huán)境監(jiān)測，定期監(jiān)測和長期監(jiān)測能更加及時有效地反映電廠環(huán)境的實際情況，有利于對環(huán)境參數變化的趨勢進行跟蹤，并及時發(fā)現因各種原因而導致的設備服役環(huán)境變化和新產生的局部惡劣環(huán)境。但實施長期監(jiān)測也意味著需要投入更多的資金、時間和人力，監(jiān)測時長的頻度的選擇應當在滿足基本監(jiān)測要求的基礎上進行綜合考慮。例如，如果環(huán)境監(jiān)測的目的是用于根本原因分析或現場變更后的環(huán)境驗證，則通常進行單次環(huán)境監(jiān)測就足以滿足監(jiān)測需求；對于那些安裝有安全相關的電儀設備且設備服役環(huán)境容易受到多種因素影響而時常發(fā)生變化的區(qū)域，長期監(jiān)測可能是比較合適的選擇。

需要注意的是，若實施監(jiān)測期間電廠發(fā)生了異常運行狀態(tài)（如非正常的長時間停堆），導致監(jiān)測數據不具有代表性時，需重新實施監(jiān)測或延長監(jiān)測時長，以確保監(jiān)測數據的有效性［6］。

8 環(huán)境監(jiān)測的質保要求和文件保存

核電廠安全重要電儀設備服役環(huán)境參數的監(jiān)測必須遵循電廠的質保大綱要求，并貫穿于服役環(huán)境參數監(jiān)測的整個過程，確保獲取的環(huán)境參數數據真實有效，能夠滿足電廠設計環(huán)境參數驗證、設備鑒定壽命延長、電廠運行許可證延續(xù)、設備失效根本原因分析的需求。

與電儀設備環(huán)境監(jiān)測活動相關的文件和數據都應按核電廠的文檔管理要求以可追溯的方式存檔，建議在整個電廠壽期內長期保存，以利于將來對環(huán)境數據的利用和驗證。

9 結語

核電廠電儀設備的服役環(huán)境會因為運行時間的不斷增加、現場的維修活動、設備的變更改造等發(fā)生變化，電廠往往需要通過獲取電儀設備的實際服役環(huán)境參數信息來證明安全重要電儀設備仍運行在設計規(guī)定的服役條件下，并能夠按設計要求實現預期的安全功能；另外，電儀設備鑒定壽命的管理和延長、電儀設備失效根本原因的分析、電廠運行許可證延續(xù)等活動也都離不開電儀設備實際服役環(huán)境參數的數據支持。本文介紹的核電廠電儀設備服役環(huán)境的監(jiān)測方法已在秦山核電320 MWe 機組和方家山2號機組上得到了運用［9，10］，并可對國內其他核電廠獲取電儀設備的實際服役環(huán)境參數提供支持和指導。