鄭開云， 楊 曉， 陳 智

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

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核安全設(shè)備鑒定熱老化試驗(yàn)參數(shù)研究

鄭開云， 楊 曉， 陳 智

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

介紹了核安全設(shè)備鑒定熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定的基本方法，包括Arrhenius模型和十度規(guī)則，以及標(biāo)準(zhǔn)推薦的參數(shù)；并以CAP系列核電閥門用1E級電動(dòng)裝置的鑒定為例，闡述了熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定的過程。

核安全設(shè)備鑒定； 熱老化； Arrhenius模型； 十度規(guī)則； 活化能

根據(jù)核安全監(jiān)管要求，應(yīng)對擬用于核電站的核安全相關(guān)設(shè)備開展包括必要的鑒定試驗(yàn)在內(nèi)的設(shè)備鑒定活動(dòng)，以證明設(shè)備能在正常運(yùn)行、異常和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下執(zhí)行所要求的安全功能。設(shè)備鑒定試驗(yàn)包括進(jìn)行一系列的老化試驗(yàn)(或老化處理)，使鑒定設(shè)備的樣機(jī)到達(dá)鑒定壽命末端的狀態(tài)[1]，其中包括熱老化試驗(yàn)。通過熱老化試驗(yàn)，待鑒定設(shè)備樣機(jī)在進(jìn)行設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件模擬試驗(yàn)前經(jīng)受等同于設(shè)備在正常服役期間由溫度引起的對其材料或結(jié)構(gòu)的退化作用。熱老化試驗(yàn)可以通過自然老化或加速老化試驗(yàn)的方法，一般采用后者。對于加速熱老化試驗(yàn)，在正式開展試驗(yàn)前，需要通過分析計(jì)算過程，確定一套熱老化試驗(yàn)參數(shù)，即試驗(yàn)溫度和時(shí)間的組合，這一過程也要求在鑒定大綱中闡明。

實(shí)際開展鑒定試驗(yàn)時(shí)，熱老化試驗(yàn)參數(shù)的確定往往未被充分重視，經(jīng)常成為鑒定評審活動(dòng)中被討論甚至質(zhì)疑的問題。這些問題主要集中在受到熱老化作用的材料或結(jié)構(gòu)顯著熱老化機(jī)制的識別、熱老化模型的選取、材料活化能的確定等，特別是對于材料種類、部件結(jié)構(gòu)以及服役條件多樣化的設(shè)備，更需要通過慎密的分析方可確定合理可行的試驗(yàn)參數(shù)。筆者對熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定中的相關(guān)問題進(jìn)行了論述，并結(jié)合工程實(shí)踐案例，闡明了熱老化試驗(yàn)參數(shù)的確定過程。

1 顯著熱老化機(jī)制分析

熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定前需要識別設(shè)備的顯著老化機(jī)制，可以按照以下的步驟進(jìn)行分析：

(1) 識別設(shè)備中對熱老化敏感的部件。

(2) 確定上述部件材料或結(jié)構(gòu)的(最保守的)服役溫度，包括環(huán)境溫度和由于設(shè)備運(yùn)行(通電)引起的溫升。

(3) 可通過理論推導(dǎo)、熱壽命試驗(yàn)、工程應(yīng)用實(shí)踐等方法預(yù)測上述部件材料或結(jié)構(gòu)的服役壽命。

(4) 判斷核電廠服役時(shí)間(如60 a)對上述部件材料或結(jié)構(gòu)壽命的影響，識別顯著老化機(jī)制。

顯著老化機(jī)制的識別可參考核安全設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)IEEE 627—2010，同時(shí)滿足以下準(zhǔn)則：

(1) 正常服役環(huán)境的老化機(jī)制對異常和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件服役條件所導(dǎo)致的失效模式有促進(jìn)作用。

(2) 老化機(jī)制對設(shè)備執(zhí)行規(guī)范書中所要求功能的能力有負(fù)面影響。

(3) 老化機(jī)制所導(dǎo)致的退化作用無法通過旨在為設(shè)備在監(jiān)督間隔期間內(nèi)執(zhí)行規(guī)范書中所要求功能的能力提供可信度的在役檢查或監(jiān)督活動(dòng)來評估。

(4) 相對于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件導(dǎo)致的退化作用，正常服役環(huán)境的老化機(jī)制在設(shè)備設(shè)計(jì)壽期內(nèi)所導(dǎo)致的退化作用是顯著的。

通過以上分析，如果斷定正常服役條件下的熱老化作用構(gòu)成顯著老化機(jī)制，那么在鑒定試驗(yàn)大綱中必須考慮熱老化試驗(yàn)。由于自然老化試驗(yàn)周期過長，所以通常采用加速老化試驗(yàn)的方法，將試樣置于高于服役溫度的環(huán)境中，從而縮短試驗(yàn)的時(shí)間。熱老化試驗(yàn)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即溫度和時(shí)間，需要經(jīng)過進(jìn)一步分析計(jì)算后確定。

2 熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定

2.1 熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定原則

總體上，熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定需要遵循以下三條原則[2]：

(1) 保溫時(shí)間應(yīng)足夠長(≥100 h)，或者加速因子(服役壽命/熱老化試驗(yàn)時(shí)間)應(yīng)足夠小(如≤250)。

(2) 試驗(yàn)溫度應(yīng)高于設(shè)備所有可能的使用溫度，且低于材料的狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。

(3) 應(yīng)采用保守的熱老化參數(shù)，對于有多種材料或結(jié)構(gòu)組成的設(shè)備，取其中較嚴(yán)苛的一組參數(shù)。

熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定的方法主要有：Arrhenius模型、十度規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)推薦參數(shù)，實(shí)踐中也有綜合以上方法的計(jì)算結(jié)果并選擇其中較嚴(yán)苛的一組參數(shù)的做法，以便覆蓋更多的鑒定規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 Arrhenius模型

早在20世紀(jì)40年代，Arrhenius模型就被用于預(yù)測材料的老化[3]。該模型適用的前提條件是老化機(jī)制由單一的一級化學(xué)反應(yīng)控制，可表示為以下公式：

(1)

或

(2)

式中：T0為服役溫度(絕對溫度)；t0為服役壽期；T1為加速熱老化試驗(yàn)溫度(絕對溫度)；t1為加速熱老化試驗(yàn)時(shí)間；E為活化能，eV；k為玻爾茲曼常數(shù)(8.617×10-5eV/K)。T0應(yīng)包括設(shè)備所處環(huán)境溫度以及設(shè)備內(nèi)、外因素造成的溫升。

Arrhenius模型的關(guān)鍵參數(shù)是活化能，若已知活化能，給定擬選擇的試驗(yàn)溫度，將其代入式(1)，則可得到所需的熱老化時(shí)間?；罨苄枰孪韧ㄟ^以下的試驗(yàn)方法或者經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得：

(1) 基于試驗(yàn)結(jié)果。

按照IEEE 98、IEEE 101標(biāo)準(zhǔn)，開展熱壽命試驗(yàn)，從而獲得研究對象在不同溫度點(diǎn)的熱壽命(對應(yīng)于失效判據(jù))，建立與式(2)相對應(yīng)的Arrhenius曲線，見圖1。圖1中的橫坐標(biāo)標(biāo)尺取-1/T1，縱坐標(biāo)標(biāo)尺取lgt1，斜率為-0.434E/k。圖1中的實(shí)線對應(yīng)于試驗(yàn)曲線，通常取適當(dāng)間隔的至少3個(gè)溫度點(diǎn)，并確保最低溫度點(diǎn)的熱壽命不小于5 000 h，最高溫度點(diǎn)的熱壽命不小于100 h，虛線是試驗(yàn)曲線的外推。

圖1 Arrhenius曲線

也可從圖1的曲線中直接選定熱老化試驗(yàn)參數(shù)，如若A點(diǎn)對應(yīng)于實(shí)際服役條件，可從A點(diǎn)引一條平行線(圖1中的點(diǎn)劃線)至B點(diǎn)，則B點(diǎn)對應(yīng)的溫度和時(shí)間作為熱老化試驗(yàn)參數(shù)。

(2) 基于活化能經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

材料供應(yīng)商往往并不掌握活化能的數(shù)據(jù)，有待填補(bǔ)這方面的空白。但是，熱壽命試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)際上很少能夠有條件開展這項(xiàng)工作，所以熱老化試驗(yàn)實(shí)施者更傾向于參考活化能經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也就是在無法獲得活化能數(shù)值的情況下，選取一個(gè)足夠保守的數(shù)值作為待鑒定對象的活化能。

活化能經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能的來源包括：設(shè)備鑒定數(shù)據(jù)庫，如美國的設(shè)備鑒定數(shù)據(jù)庫(Equipment Qualification Databank，EQDB)；國際知名機(jī)構(gòu)的資料，如美國電力研究協(xié)會(EPRI)的報(bào)告[4]；標(biāo)準(zhǔn)中的推薦值等。西屋電氣公司AP1000設(shè)計(jì)控制文件通過統(tǒng)計(jì)分析EPRI報(bào)告中170種材料以及西屋電氣公司供貨設(shè)備的活化能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)EPRI數(shù)據(jù)中的活化能大于0.4 eV的占95%，而西屋電氣公司數(shù)據(jù)中大于0.6 eV的占95%，所以推薦0.5 eV的活化能值，這與EPRI手冊中所述也是一致的[2]。但是，0.5 eV的活化能非常小，可能造成熱老化試驗(yàn)溫度過高或者時(shí)間過長，如根據(jù)式(1)，可求得50 ℃/60 a服役條件所對應(yīng)的熱老化試驗(yàn)參數(shù)(見表1)，可見試驗(yàn)條件相當(dāng)嚴(yán)苛，時(shí)間成本也非常高。我國的核電行業(yè)往往參考EJ/T 1197—2007標(biāo)準(zhǔn)中的活化能推薦值，即在活化能未知時(shí)，可選擇不大于0.8 eV的數(shù)值。作為比較，表1也給出了0.8 eV活化能所對應(yīng)的熱老化試驗(yàn)參數(shù)，可見試驗(yàn)時(shí)間減少一個(gè)數(shù)量級。由于活化能取0.8 eV時(shí)的熱老化試驗(yàn)參數(shù)具有較好的可實(shí)施性，實(shí)踐也表明絕大多數(shù)設(shè)備能夠承受這樣的熱老化作用，所以在活化能未知的情況下是比較理想的選擇。

表1 不同活化能的熱老化試驗(yàn)參數(shù)

2.3 十度規(guī)則

基于法國RCC系列標(biāo)準(zhǔn)的核電設(shè)備鑒定中，熱老化試驗(yàn)參數(shù)的確定依據(jù)十度規(guī)則[5-6]，其實(shí)質(zhì)是Arrhenius公式的簡化，即

(3)

式中：T為加速熱老化試驗(yàn)溫度，℃，t為加速熱老化試驗(yàn)時(shí)間，h。

當(dāng)試驗(yàn)溫度為135 ℃時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為950 h，試驗(yàn)溫度每降低10 K，試驗(yàn)時(shí)間加倍。

對于給定的服役條件，當(dāng)材料的活化能較小時(shí)，由Arrhenius模型計(jì)算的熱老化試驗(yàn)參數(shù)比十度規(guī)則計(jì)算的熱老化試驗(yàn)參數(shù)更加嚴(yán)苛；反之，后者更加嚴(yán)苛。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)推薦參數(shù)

早期的關(guān)于核安全設(shè)備鑒定的IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，也會給出熱老化試驗(yàn)推薦值，對于適用這些標(biāo)準(zhǔn)的鑒定大綱可以方便地采納。

閥門驅(qū)動(dòng)裝置鑒定標(biāo)準(zhǔn)IEEE 382—1996及更早版本中，給出基于活化能約為0.8 eV的熱老化試驗(yàn)參數(shù)，熱老化參數(shù)138 ℃/300 h相當(dāng)于服役條件40 ℃/40 a。但是需要指出的是，新近修改的IEEE 382—2006標(biāo)準(zhǔn)中已刪除熱老化試驗(yàn)參數(shù)推薦值，應(yīng)根據(jù)Arrhenius模型通過熱壽命試驗(yàn)確定熱老化試驗(yàn)參數(shù)。

鉛蓄電池鑒定標(biāo)準(zhǔn)IEEE 535中，給出鉛蓄電池的熱老化試驗(yàn)參數(shù)，這些參數(shù)源于制造廠的試驗(yàn)結(jié)果，其中IEEE 535—2013(最新修訂版)標(biāo)準(zhǔn)中給出的參數(shù)列于表2。筆者根據(jù)式(1)計(jì)算了活化能值，其中鉛鈣型蓄電池有兩套參數(shù)，所對應(yīng)的活化能略有差異。同時(shí)，IEEE 535—2013標(biāo)準(zhǔn)指出，對應(yīng)于服役時(shí)間1 a的熱老化試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不少于10 d，并以1 d為單位增加，最高試驗(yàn)溫度71 ℃。

表2 鉛蓄電池?zé)崂匣囼?yàn)參數(shù)

由以上分析可知，IEEE標(biāo)準(zhǔn)推薦的熱老化試驗(yàn)參數(shù)也是基于Arrhenius模型，只不過是標(biāo)準(zhǔn)已將最終的計(jì)算結(jié)果給出，供鑒定實(shí)施者選用。

3 案例分析

3.1 待鑒定設(shè)備

閥門電動(dòng)裝置是核電廠中典型的受熱老化影響的電氣設(shè)備，本文以用于CAP系列核電閥門的國產(chǎn)某型1E級電動(dòng)裝置的熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定作為案例。電動(dòng)裝置的熱老化敏感部件涉及電動(dòng)機(jī)、電氣回路的絕緣部件、機(jī)械部件滑潤油脂，以及外殼油漆，包含多種有機(jī)材料。由于電動(dòng)裝置要求達(dá)到60 a鑒定壽命，這些有機(jī)材料會受到核電廠服役環(huán)境的熱老化作用，工程應(yīng)用和試驗(yàn)研究表明熱老化的影響不可忽略，因此，鑒定大綱中規(guī)定應(yīng)對電動(dòng)裝置樣機(jī)進(jìn)行熱老化試驗(yàn)。

3.2 核電廠環(huán)境參數(shù)

電動(dòng)裝置在CAP系列核電廠中的服役環(huán)境包括正常運(yùn)行環(huán)境、異常運(yùn)行環(huán)境和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境，熱老化試驗(yàn)用來模擬正常運(yùn)行環(huán)境和異常運(yùn)行環(huán)境的溫度對電動(dòng)裝置產(chǎn)生的老化作用。正常和異常環(huán)境的溫度參數(shù)見表3。

表3 正常和異常環(huán)境的溫度參數(shù)

3.3 熱老化試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)鑒定大綱，對于正常運(yùn)行環(huán)境、第1組異常運(yùn)行環(huán)境、第2組異常運(yùn)行環(huán)境中的66 ℃或以下溫度時(shí)間約26 d，采用加速熱老化試驗(yàn)來模擬，第2組異常運(yùn)行環(huán)境的其他過程采取熱循環(huán)試驗(yàn)來模擬。

電動(dòng)裝置中有機(jī)材料的活化能數(shù)值未知，并且難以實(shí)施熱壽命試驗(yàn)。電動(dòng)裝置樣機(jī)油漆已經(jīng)過核級鑒定，故不在鑒定大綱中考慮，其他有機(jī)材料的活化能參考文獻(xiàn)中同類材料的數(shù)據(jù)[2]，以及標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 1197—2007，并按保守原則統(tǒng)一取0.8 eV。給定試驗(yàn)溫度為138 ℃，由式(1)求得不同運(yùn)行環(huán)境的熱老化試驗(yàn)參數(shù)(見表4)，并且出于保守考慮，運(yùn)行環(huán)境溫度均取最高值。因此，得到電動(dòng)裝置熱老化試驗(yàn)參數(shù)為138 ℃/1 028 h，實(shí)際試驗(yàn)中還須按照鑒定大綱中對于裕度的要求增加試驗(yàn)時(shí)間。

表4 電動(dòng)裝置熱老化試驗(yàn)參數(shù)

4 結(jié)語

以往我國的二代或二代加核電大多沿用法國核電標(biāo)準(zhǔn)，熱老化試驗(yàn)參數(shù)的確定采用十度規(guī)則，由于方法固化，所得到的結(jié)果具有確定性，即與設(shè)備的選材無關(guān)。當(dāng)前我國正在大力發(fā)展AP/CAP系列三代核電技術(shù)，采納IEEE 323核電設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)的原則和方法，要求熱老化試驗(yàn)參數(shù)的確定遵循Arrhenius模型。應(yīng)用Arrhenius模型的難點(diǎn)在于活化能，而活化能取決于受熱老化影響的材料或結(jié)構(gòu)的屬性，需要通過熱壽命試驗(yàn)獲得。需要指出的是，在未知的情況下，選取活化能的推薦數(shù)值存在風(fēng)險(xiǎn)，可能不利于鑒定結(jié)果的可審查性。

熱老化試驗(yàn)往往是核電設(shè)備鑒定中的首項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)選擇不當(dāng)將導(dǎo)致鑒定樣機(jī)欠試驗(yàn)或過試驗(yàn)，對最終的鑒定結(jié)果都具有顛覆性的影響，應(yīng)引起鑒定實(shí)施者的充分重視。作為核電設(shè)備鑒定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的材料活化能對熱老化試驗(yàn)參數(shù)的確定至關(guān)重要，還有待于通過行業(yè)合作實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)積累和共享。

[1] Nuclear Power Engineering Committee of the IEEE Power Engineering Society. IEEE standard for qualifying class 1e equipment for nuclear power generating stations: IEEE Std.323—2003[S]. New York,USA: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2003.

[2] TOMAN G. Plant support engineering: nuclear power plant equipment qualification reference manual, revision 1[R]. Palo Alto,USA: Electric Power Research Institute, Inc., 2010.

[3] DAKIN T W. Electrical insulation deterioration treated as a chemical rate phenomenon[J]. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, 1948, 67(1): 113-122.

[4] CARFAGNO S P, GIBSON R J. A review of equipment aging theory and technology[R]. Palo Alto,USA: Electric Power Research Institute, Inc., 1980.

[5] French Association for Design, Construction and in-Service Inspection Rules for Nuclear Island Component. Design and construction rules for electrical equipment of nuclear islands: RCC-E—2005[S]. Paris: French Association for Design, Construction and in-Service Inspection Rules for Nuclear Island Component, 2005.

[6] French Association for the Design and Construction Rules for the Equipment of Electro-nuclear Boilers. Qualification procedure of electrical equipment installed in the containment of pressurized water reactor under accident conditions: NF M64-001—1991[S]. Paris: Association Francaise de Normalisation, 1991.

Investigation on Thermal Aging Test Parameters for Nuclear Safety Related Equipment Qualification

Zheng Kaiyun, Yang Xiao, Chen Zhi

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

An introduction is presented to the methodology of determination of thermal aging test parameters for nuclear safety related equipment qualification, including the Arrhenius model, ten-degree rule and the parameters recommended in relevant standards. Taking the qualification of class 1E electric actuator for CAP series nuclear power valves as an example, an illustration is performed to the procedure of determination of the thermal aging test parameters.

nuclear safety related equipment qualification; thermal aging; Arrhenius model; ten-degree rule; activation energy

2016-06-12；

2016-07-07

上海市核安全設(shè)備檢測專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(16DZ2292800)

鄭開云(1980—)，男，高級工程師，主要從事核電廠安全級設(shè)備鑒定試驗(yàn)研究。

E-mail: zhengkaiyun@speri.com.cn

TM623.4

A

1671-086X(2017)02-0110-04

核電技術(shù)