倪 勇， 劉旌平， 胡誠成

(上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術國家重點實驗室， 上海 200093)

0 引 言

核電站的“心臟”是核反應堆，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)的關鍵設備，起著維護系統(tǒng)壓力的作用[1]。全球核電廠穩(wěn)壓器電加熱器供應商主要有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)壓器加熱元件同機進口，用量不大，價格昂貴、采購周期漫長，其研發(fā)、結構設計、生產(chǎn)工藝、試驗評估等各個環(huán)節(jié)都具有一定的難度和相當?shù)墓ぷ髁?，屬于少批量、高技術含量產(chǎn)品。供貨商提供的相關技術參數(shù)比較模糊，響應較遲緩，特別是材料在耐熱性、耐輻照性能指標參數(shù)上存在技術上的“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)壓器整體設備的國產(chǎn)化進程。鑒于此，本工作對CAP系列穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜進行設計并驗證，解決電加熱器電纜的國產(chǎn)化問題。

1 電纜設計

1.1 總體設計

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，電纜應有優(yōu)良的電氣性能、阻燃性能可通過單根燃燒試驗以及B類的成束燃燒試驗、長期浸水試驗。

1.2 電纜結構設計

穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜的結構示意圖見圖1。根據(jù)相關要求，穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜在CAP1000核電站中，持續(xù)運行溫度至少為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，電纜的線芯導體、絕緣層、防護層均須滿足嚴格的技術指標要求。

1—鍍鎳銅導體；2—內襯層；3—硅橡膠絕緣；4—外襯層；5—編織護套；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 導體材料的選擇

為了防止導體在高溫條件下發(fā)生氧化，通常需要選擇有鍍層的導體。

本技術的使用場合主要是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，試驗選用27級鍍鎳圓銅線作為本技術導體使用材料。

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

1.3.2 絕緣材料驗證

(1) 基料選擇。根據(jù)項目要求以及工程實際需求：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的基料進行絕緣材料的研制。

(2) 絕緣材料的研制。試驗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)品后進行實驗室調配。

經(jīng)過改性后的硅橡膠[3]主要性能如下：

(1)機械性能。硅橡膠的機械性能見表1。

表1 硅橡膠的機械性能

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

(3) 抗輻照能力。試驗對絕緣材料進行累計312 kGy的γ射線輻照后，其機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) 熱壽命驗證。通過124 ℃以及132 ℃下60 a的壽命驗證；通過對苯基硅橡膠基材開展耐輻照和耐熱老化試驗并進行選型研究，通過配合納米耐熱劑，對添加劑進行疏水功能化改性，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，硅橡膠絕緣材料的機械物理性能、電氣性能和阻燃性能均優(yōu)良，硅橡膠絕緣材料[4]可應用于CAP1400電加熱器高溫電纜。

2 試驗件試制

根據(jù)設計方案，確定電纜的結構，電纜的中心導體以及絕緣層的結構尺寸是固定值，根據(jù)設計過程中對方案的探討、驗證并進行產(chǎn)品試制。

2.1 電纜規(guī)格

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

2.2 產(chǎn)品質量鑒定大綱

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)品標準供參考，經(jīng)與用戶單位的多次技術溝通，最終確定考核項目和試驗方法，制定了質量鑒定試驗大綱。

2.3 電纜制作關鍵工序

絕緣擠出是本產(chǎn)品的關鍵工序。

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

通過設計計算，選擇適當?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量以及安裝所需的空間，根據(jù)生產(chǎn)設備的實際情況結合生產(chǎn)經(jīng)驗，通過對生產(chǎn)設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時監(jiān)控，嚴格控制電纜的同心度在95%以上；使用在線測徑儀對外徑進行實時監(jiān)控，確保厚度誤差在±0.05 mm以內，嚴格控制絕緣厚度；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，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電性能指標均符合技術指標要求。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，比預期的下降3個數(shù)量級的指標要求要理想很多，絕緣性能是電纜能夠運行的首要技術指標，這項性能的優(yōu)異表現(xiàn)說明電纜可在高溫132 ℃條件下進行正常工作。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)的主設備，表2中加速吸水試驗表明，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%，遠小于要求的不大于3%)，由此，能夠確保在電纜長期運行過程中，不會因為材料吸水導致絕緣性能下降，能夠穩(wěn)定有效地進行工作。

3.2 長期濕熱試驗

因為電加熱器穩(wěn)壓器元件電纜的特殊工作環(huán)境，為模擬事故工況下，電纜護套被破壞失去保護功能后，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行一段時間的正常工作以待檢修。項目組將電纜的線芯從電纜中取出，取兩根線芯做比對試驗，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套的保護作用之后，電纜線芯在90 ℃的鹽水溶液的作用下，在最初的28 d內，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，能夠正常運行。試驗證明絕緣線芯擁有良好的耐熱和耐水性能，可以長期運行。

3.3 電纜壽命驗證試驗

成品電纜按IEEE 383要求依次進行加速熱老化試驗、常規(guī)輻照老化試驗，隨后通過柔性保持試驗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 ℃導體運行溫度等效60 a壽命加速熱老化試驗(試驗條件：230 ℃×289 h)；耐輻照壽命按照GB/T 26168.2—2010的規(guī)定進行了累計計量312 kGy的γ射線輻射(輻照劑量率1 kGy·h-1)，模擬老化試驗后性能驗證見表3。

表3 模擬老化試驗后性能驗證

由表3可知：電纜在進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，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計的壽命要求。

4 結 論

本技術[5]有利于從技術上深入理解核電設備的研制和制造，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)?；l(fā)展的技術瓶頸，通過產(chǎn)、學、研相結合的模式，開展系統(tǒng)性的共性技術研究，從基礎理論層面支撐重大專項工程技術的持續(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水平上處于國際的先進水平，在實際應用中能夠滿足CAP系列穩(wěn)壓器電加熱器電纜的使用需求，避免了因為電纜的問題無法解決而影響穩(wěn)壓器整體設備的國產(chǎn)化進程。該電纜通過了CAP核電要求的事故工況功能驗證試驗，能夠普遍適用于CAP核電站內可能的應用場景，同時可以應用于類似場景的長期高溫、高輻照劑量的特殊環(huán)境。