1、核电厂1E级电气设备鉴定要素研究核电厂1E级电气设备鉴定要素研究核电厂1E级电气设备鉴定要素研究口顾申杰(上海核工程研究设计院,200233)摘要本文从核安全的视角,阐述了核电厂lEVi.电气设备环境鉴定的核心要素和实施策略,并对现行电气设备环境鉴定标准所确立的思想和原则作了说明和延伸,以完善其可操作性.关键词设备鉴定鉴定合格寿命明显老化机理和缓环境严酷环境1引言单一故障准则是核电厂安全系统设计的一个重要准则.遵循这一准则,核电厂安全系统均为冗余设置,并遵守独立性原则.这些要求得以有效实施的前提是系统安全重要设备的可靠性,换言之,按冗余原则设置的安全重要设备,不应存在可能导致共因故障的显着失效
2、机理.核电厂安全重要设备的环境鉴定(简称为设备鉴定)即是对这一重要前提的确认过程.目前我国在这一领域主要遵循美国IEEE和法国RCCE系列标准.由于标准较为原则,加之缺乏一20一经验和系统性的数据积累,我国在设备鉴定实践方面尤其是在关键的鉴定要素的把握方面,还有待提高.本文在对设备鉴定的理念和原则进行分析的基础上,对环境鉴定的核心要素提出了自己的见解,并对相关的原则进行了描述,使其更具可操作性,旨在对1E级电气设备的环境鉴定实施提供参考意见.2设备鉴定及其要素2.1概述设备鉴定是一个产生并保持证据的过程,该证据证明核电厂安全重要设备或设施能在其顾申杰.I核电厂1E级电气设备鉴定要素研究预期的鉴
3、定合格寿期内的任意时刻及时投运,并满足系统所需性能要求,从而确保核电厂安全.设备鉴定的实质是一个证明安全重要系统和设备具备所需安全功能的过程,其目标是验证并显示核电厂安全重要设备在其预期的鉴定合格寿期内,不存在因设计,制造缺陷,或因储存,运输,安装,调试或使用不当,而造成的可能导致设备共因故障的缺陷或失效机理,从而为单一故障准则,冗余度,独立性准则等安全准则在核电厂安全重要系统中的有效实施,提供一个高可信度的保障.设备鉴定是一个基于确定论,并以一系列假想设计基准事件(DBE)为目标事件而展开的针对鉴定对象能力的考核过程.这些DBE事件包括一些预想的偶发事件(如失电,地震等),以及一些发生概率较
4、小的事件,如失水事故(LOCA).为获得对鉴定对象全寿期内安全功能完整性的考核和验证,上述事件总是保守地在预想的最不利时机施加.在此过程中,由于具有一定代表性的典型鉴定样品的选取,以及环境条件,运行工况和安全裕度的保守考虑,最终的合格鉴定结果意味着可以获得一个高可信度的设备可靠性保障.2.2老化设备鉴定是对设备在其预期合格寿期内保持所要求的安全功能完整性的能力的证明,这就要求设备应能承受其安装寿期内的所有正常,异常,事故环境和运行载荷的作用.这些载荷包括温度,辐照,压力,湿度,蒸汽,振动,地震和电源参数变化和流体作用,等等.当设备安装后,所有这些因素都会对设备性能产生累积影响,即所谓的老化效应
5、.IEEE323对此的定义是:设备在寿期内自安装至设计基准事件发生前的这一期间,所受到的来自环境,运行和系统等条件的影响,或者是对设备所受上述影响的人工模拟.设备的老化效应极少是正面的,如增强了材料的强度,多数是负面的,如使材料的性能衰退.也正因如此,为确保鉴定结果的可信度,在设备鉴定过程中应充分考虑这些负面老化效应的累积作用,并保证在已计及的这些作用的基础上,叠加设计基准事件的影响,以充分考核设备在全寿期内的安全功能的完整性.1E级电气设备的主要潜在老化因子包括:温度,辐照,气压,湿度和潮气,振动和地震,以及设备的操作循环本身产生的磨蚀与疲劳.(1)热老化温度升高提升了分子动能,使它们碰撞后
6、发生反应的可能性提高,从而导致大多数化学反应速率的提高.在温度(包括环境温度和设备自身运行发热)的长期作用下,材料的特性因上述化学反应而间接地改变的过程称之为热氧老化,简称热老化.热老化主要通过分子键的交联和断链作用来改变有机材料的化学特性,这会影响材料的硬度,脆性,抗拉强度,延伸性,抗压性,弹性模量,绝缘电阻,高压介电强度,以及材料的吸水性等.但金属和无机材料一般不具备热敏感性,即在物理特性不发生改变的前提下,这类材料的特性改变与温度关系不大.(2)辐照老化核电厂的辐照主要来自于反应堆内的核裂变反应产物,其类型包括:,p,和中子四种.对电气设备,设备鉴定要考虑的主要是辐照.辐照效应对材料的影
7、响主要通过两个过程实现:原子/电子移位和原子/分子的激发或电离.其中,前者主要损伤金属和无机材料,后者损伤有机材料.一般情况下,有机材料的工程特性随辐照剂量的增大而劣化.但这一过程相当复杂并且呈现非线形.对于一个简化的有机材料辐照模型而言,由辐照引发的电离使相邻原子的键断裂并产生自由基或小分子.于是,一些交联和断链化学反应竟相发生,并进而导致材料特性的变化.这些特性包括:分子量,弹性模量,抗拉强度,延伸性,硬度,等等.(3)气压气压或快速的气压变化将对设备及其部件造成额外的受力,一定的外部或内部压力将造成设备密封的结构性损坏,快速增压亦可导致未经严格密封的器件的结构失效.电气触点的电流通断性能
8、也会受气压的影响.一般,核电厂一21触电Z程岛擅木2006年第2期设备鉴定所考虑的气压效应,主要是指蒸汽环境的饱和压力.(4)湿度和潮气湿度既可能引发设备的性能劣化,又可加剧其他老化因子对设备性能劣化的作用.湿度对金属材料性能的影响主要表现为导致腐蚀和在不同材料界面上产生电化学效应.同时,潮湿也会导致有机材料的变形和物理,机械与电气特性的衰退.对于许多有机材料而言,吸水既是一个物理过程,也是一个化学过程.因为这些水份既可能与材料分子结合而改变分子式,也可能造成材料水肿.而绝缘材料表面的潮气,则可能会改变材料的电阻和介电强度.需要注意的是,潮湿与材料的温度之间的互动作用往往会加剧材料的老化.(5
9、)振动和地震振动可由设备的自身运行产生,亦可由外部振动源(如地震等)传递至设备.一般情况下,振动是由旋转式或往复式机械的运行而产生,其严重程度取决于设备和驱动设备间的平衡和对中情况.振动亦可由传动装置的啮合不当,泵,阀,管路和热交换器中的流体运动,以及快速循环操作作用力(如断路器,阀门)引发.这些振动可通过建筑结构,管路系统等传递,其频率范围一般在2O至200Hz之间.地震震动是地面随机运动经由构筑物而传递至所有内部系统和设备的一种振动,其频率范围一般1至33Hz之间.振动和地震均可导致能动和非能动设备的疲劳,磨损,松动或失效.此外,高强度的流体作用或运行基准地震负荷,亦可导致或加速设备的周期
10、性疲劳的积累.(6)设备运行所有连续或周期运行的机械设备,均面临潜在的因磨损和疲劳而引发的性能劣化,其速率取决于这些设备的运行负荷.此外,连续和周期性的电应力也会造成设备性能的劣化.设备长期通电运行期间,所受的短时过应力冲击和浪涌所产生的累积效应,将造成设备性能的明显劣化.尤其是当电应力与温度和潮湿发生综合效应时,将极大地损害电气机械的绝缘系一22一统.2.3老化机理评定和明显老化机理老化机理评定是通过对设备的适用环境和运行条件的分析和评价,确定导致设备性能因老化而劣化的主要老化因子.由于并非所有的老化效应都直接危及设备的安全功能,因此,在设备鉴定过程中,应剔除那些并不危及设备安全功能的非重要
11、或可以忽略的老化因子,而重点分析和评价那些决定设备寿命的重要的老化因子及其作用.后者,我们称之为明显老化机理或重要老化机理(significantagingmechanism).老化机理评定的目的,实质上就是确定设备关于特定环境和运行工况的明显老化机理,为鉴定程序的制定提供直接依据.明显老化机理是决定设备寿命的主要老化机理,它既可在正常和异常环境(即和缓环境)下导致冗余设备的共因故障,同时亦可能在地震或严酷(事故)环境条件下,促成设备的共因故障.根据IEEE32383标准的描述,如果一个潜在老化机理,在正常和异常运行环境下,导致设备性能在其安装寿期内逐渐但明显的劣化或衰退,并且,这种劣化的结果
12、,极可能促成设备在DBE工况下的安全功能完整性的丧失,那么,这样的老化机理即可判为明显老化机理.但在鉴定实践中,采用IEEE6278O所规定的判定准则确定潜在明显老化机理,往往更具操作性.即当一个潜在老化机理同时满足下列四个判据时,应可判为明显老化机理:1)在正常运行环境下设备由老化所导致的失效,具有DBE作用下相同的失效模式;2)对设备执行安全功能的能力具有负面影响;3)所造成的设备性能劣化状况或严重程度,通常无法通过在役检查或监测来确定;4)相比于DBE,正常运行环境所造成设备性能的老化劣化程度是显着的.由此确定的潜在的明显老化机理,应纳入设备鉴定程序.2.4和缓环境和严酷环境设备鉴定(1
13、)设备环境的分类_毫顾申杰:核电厂1E级电气设备鉴定要素研究1E级电气设备所处环境,按其严酷程度可分为和缓环境(mildenvironment)和严酷环境(harshenvironment)两大类.和缓环境是一个预想的正常或异常工况(如掉电,HVAC失效,工艺管道泄漏等)环境.在这样的环境中,地震是唯一的设计基准事件.安全壳外的绝大部分区域属于和缓环境.而严酷环境是一个由假想的设计基准事故(DBA)造成的环境.严酷环境往往是安全壳内失水(LOCA)/高能管道破裂(HELB)和LOCA后或安全壳外HELB的结果.该环境主要集中在安全壳内区域.显然,在这两种环境条件下,即使是对于同一种设备,其老化
14、评价的结果亦将是截然不同的.(2)和缓环境设备鉴定由于地震是导致和缓环境中电气设备共因故障的设计基准事件,因此,促成电气设备地震共因故障的潜在明显老化机理应能促成地震相关的设备故障模式.这些故障模式主要是机械性故障,如结构变形,断裂甚至结构解体,间隙超差等,也包括了因电气触点在地震期间的抖动而导致的功能性失效.和缓环境电气设备的明显老化机理应具有地震相关性,但作为明显老化机理的判据之一,这一点在鉴定实践中却是较难辨析的.为此,美国电力研究院(EPRI)曾对大量的电气器件进行了比对试验,即比较经过和未经老化器件的抗震试验结果,发现,大多数电气器件的老化劣化并不影响其抗震性能,即不满足2.3节判据
15、1),相关老化机理判为非明显老化机理.EPRINP-3326据此得出结论:和缓环境中的大多数电气设备(如开关器件等)的老化机理是不明显的,其抗震鉴定前的预老化模拟是不必要的.但是,美国的结论是否可直接移植于我国的设备鉴定实践,我个人认为还有待商榷.因为,首先老化作用的效果往往因设备的构成材料的不同而大相径庭,其次即使是具有相同材料构成的设备或器件,也往往会因结构不同而导致不同的老化劣化结果.由于工业体系及其依托基础的不同,不经过具体物项的比对和分析,就将美国的结论移植到我国的设备鉴定活动,至少在逻辑上存在着不严谨性.因此,我认为对于该判定一定要慎重,并且必须以扎实的分析论证为支持依据,必要时还
16、应辅以适当的试验.与此同时,和缓环境设备的老化本身,也是一种潜在的共因故障源,在不考虑地震事件的情况下,仍可能导致电气设备故障.众所周知,设备的故障率随时间的变化在统计上呈现浴盆曲线的特征,即,两个盆沿分别表征了设备投运初期因设备设计或制造缺陷,或产品的早期不稳定而导致的早期高故障率区,以及设备在接近寿终时,因老化和耗损而导致的另一个高故障率区域.平坦的盆底则表征了设备在有效寿期内由随机或偶发故障所确定的稳定低故障率区域.早期高故障率一般可通过设备鉴定和投运前的调试加以避免,而当电厂中的同类型电气设备群运行年限逐渐达到或进入上述的寿末高故障区时,不同冗余通道中的同类设备在较短的时间间隔内同时故
17、障的可能性将急剧上升.于是,即使不发生地震,这种老化所导致的性能劣化本身就是一种共因故障机理.尽管基于IEEE323标准的有关原则,当和缓环境中的电气设备不存在明显老化机理时,鉴定合格寿命是不必要的,也无须进行地震试验前的预老化,但为了避免设备老化劣化本身所可能导致的设备共因故障,应在老化评价的基础上,建立定期的设备状态监测,可运行性检查和故障趋势分析制度,以指导设备的定期更换,从而确保设备安全功能的完整性.这里隐含着两个关键要素:首先,应确立具有设备寿命可跟踪性的技术手段来定期检测设备技术状态;其次,应能设定设备失效判定预警值和相应的检测间隔,以确保能及时检测到设备的失效趋势,并保证设备安全
18、功能完整性在定期检测间隔期内得到有效的保障.否则,设备老化劣化即为不可监测,那么根据2_3节判据3),相关老化应判为明显老化机理.与此同时,2.3节关于明显老化机理的判据4)也较难把握.基于多年的相关实践经验,笔者的见解是,当设备材料的寿命远远大于其预期一23舷电Z程与磕术2006年第2期鉴定寿命时,其在所期望寿期内的老化劣化程度应是不明显的.那么应该如何量化远远大于这一关键呢?美国WYI.公司基于其多年核电厂设备鉴定技术服务而提出的判据应具有较好的指导意义(WYLEReportNo.42772一oo):当和缓环境中电气设备的计算寿命大于预期鉴定寿命的3倍时,即可认为该设备具有所期望的鉴定寿命
19、.换盲之,当相关老化机理所确定的设备或材料寿命大于预期鉴定寿命的3倍时,即可认为在预期鉴定寿命期间,该老化机理所导致的设备或材料的性能劣化程度是不显着的,这样,依据2.3节判据4),该老化机理应判为非明显老化机理.(3)严酷环境设备鉴定严酷环境下的设备,由于其在正常的工作环境和运行条件下的老化因子参数(温度,辐照,压力,湿度等),与设计基准事故(DBA,如LOCA)参数的性质的一致性,两者所引发的故障模式是一致的,于是自然满足2.3节判据1).由于这样的老化机理的作用势必与DBA工况产生互动影响,因此,当该老化机理同时满足其他准则而被判为潜在明显老化机理时,其所对应的设备鉴定程序,就必须考虑老
20、化效应和DBA的叠加作用.2.5老化模型老化模型为老化评价或老化等效模拟提供了必要的量化依据和分析手段,尤其对于下列工作而言是不可或缺的:1)在进行老化评价时,确定存在于正常环境中的老化因子所造成的设备性能劣化与DBE作用相比的严重程度;2)制定加速老化程序;3)确定设备的合格寿命.下面,基于笔者的实践经验,对几种主要的模型作逐一描述.但需要说明的是,在设备鉴定实践中,热老化,辐照老化和运行老化模型较常用也较成熟.其他模型则由于受限于当前的技术水平,仍存在较大的不确定性,因此仅作为常用成熟模型的补充,用于特定环境条件的设备鉴定参考.24.(1)热老化模型目前为止,最为成熟和广泛使用的热老化-.
21、模型,是阿伦纽斯(Arrhenius)模型,用于预测热老化导致的非金属材料性能的劣化.其主要假设是,在一定的温度范围内,材料的热降解由单一的化学反应所主导,反应速率取决于运行温度以及材料的特定老化参数(活化能),即:,R=De-*/Kr(1)其中:I_R=化学反应速率=活化能(eV)?K=玻尔兹曼常数,8.617x10eV/K【T=运行温度();D=常数当假设非金属材料化学反应速率R与平均寿命t呈反比时,(1)式可转化为:log(t)=C+(d/K)/T(2).现假设材料在温度T日时,寿命为ta;而运行温度为时,材料寿命为t.将这两个条件分别代人(2)式得:log(t)=C+(/)/(3)lo
22、g(t.)=C+(巾/)/(4)(3)式减(4)式并经代数运算,可得到阿伦纽斯模型的另一种较实用的表述方式:/4=e)/r,-(5)其中:t=加速老化时间k=等效模拟的运行时间Ta=老化温度(.K)=运行温度(.K)上述模型是阿伦纽斯化学反应速率等式与等效人工加速老化要求相结合的产物.在这;里,表征化学反应速率的活化能表达了材料性j能的热老化劣化速度.其假设前提是,一定温度作用下所发生的主导化学反应与材料性能的劣化程度之间存在着一定的关系,并且在一定的温度范围内,可通过提高温度缩短作用时间的方法来等效地获得材料的这种热老化劣化状态.i顾申杰:核电厂lE级电气设备鉴定要素研究该模型应用的一个关键
23、是,在进行加速热老化温度确定时,必须保证所选择的老化温度不超出特定阿伦纽斯等式所依托的主导化学反应的有效温度范围.当直接采用阿伦纽斯曲线外推材料或设备的寿命时,外推温度范围不应超出用以获得该曲线的最高或最低试验温度30.K.当采用试验方法进行老化模拟时,试验温度的选择在考虑材料或设备的耐受能力的同时,还应充分考虑加速率(即等效寿命时间与加速模耗时之比)的控制,以避免过度加速可能一主导化学反应改变.典型例子如电缆,其护套和绝缘材料往往是半晶状的高聚类混合物,当外界温度足够高而达到熔晶点时(一般为170.C以上),材料的性状将发生极大的变化,于是,表征熔晶点两侧各自主导化学反应的活化能将截然不同.
24、在这方面,国外的经验(IAEATECDOCll86)显示,在条件许可的情况下,加速率应尽可能低,其极限不应超过250.阿伦纽斯模型应用的另一个关键是材料的活化能取值.值得注意的是,在获取特定材料的活化能值时,不同的参考物理特性(如断裂伸长率,抗拉强度,电阻值,介电强度等,均分属不同的工程特性)和/或不同的失效判定准则(如当老化期问测得的上述物理特性值与初始值之比即保留率为75%,50%或25%时判定失效,一般采用50%保留率作为失效判定点),将导致截然不同的数值.因此,在进行活化能取值时,应尽量采用那些由设备功能相关联的材料特性和失效判定准则所确定的活化能值.如,电机绝缘材料应尽量采用以电阻值
25、或介电强度为判定手段所获得的活化能值,而电缆材料则应以断裂伸长率为判定依据.另外,对于具有多种材料构成的设备或部件(如断路器组件,变压器,电缆等),应取其中活化能值最低的主体材料作为老化评价或老化试验参数选择的依据.一般情况下,活化能值可由有关的材料手册或数据库查得,亦可通过IEC216或IEEE98,IEEE99等标准所规定的多温度点耐热性评定试验获得.当没有确切的数值来源时,亦可通过保守取值的方式,来进行老化评价.普遍认同的最保守取值是0.5eV,因为该值几乎覆盖了所有的非金属材料,但却由于过于保守,该活化能推荐值的可操作性并不强,为此,EPRI在大量材料基础试验的基础上提出,在进行老化评
26、价时,绝大多数材料的活化能值可保守地采用0.8eV.这一取值已在国内外的相关实践中得到了极为广泛的应用.(2)辐照老化模型对于绝大多数的有机材料而言,基于目前技术水平而为各国所普遍接受和采用的辐照老化模型是等剂量/等破坏效应模型.这一模型的假设基础是,材料的辐照效应取决于所吸收的剂量,而与辐射源的类型或辐照剂量率无关.这一点,在一定的剂量率范围内,已为大量的试验结果所证实.但是,当设备所处实际环境剂量率极低时(如小于1Gy/h),这一模型的应用存在着一定的误差.在鉴定实践中,辐照老化模拟一般采用Co60源,并且为减少误差,剂量率应控制在1.0Mrad/h以下.(3)湿度目前,还没有一个能够对潮
27、湿引起的老化劣化进行加速模拟的模型.但在鉴定实践中,必要时往往采用多循环周期交变湿热试验的方法,累加潜在的潮湿老化效应.但对于电气设备的绝缘系统而言,潮湿环境的影响往往不被视为一种老化机理,在大多数情况下,它对绝缘失效并不起支配作用.因为它并不直接破坏绝缘,而只是在其他原因造成损坏的绝缘之间或对地之间形成电气通路,使故障得以显现.在绝缘系统热性能评定试验中引入潮湿过程,亦仅仅是为了在对已经受热损害和其他物理损害后的绝缘系统进行介电性能试验时,便于失效显现.在10CFR50.49中亦有类似论述:到目前为止尚未有任何迹象表明,在一定时间的作用下,潮湿会引起电气设备的绝缘系统老化.因此,在鉴定实践中
28、,湿度不单独作为一种老化机理考虑.但是往往作为一种显现故障的手段,用于样本老化前后的介电强度试验,以充分呈现潮湿环境对老化设备的考验.一25微电Z程与磕朱2006军第2朝(4)运行老化模型目前并不存在一个通用的可以对运行老化进行评价的模型.但对于循环操作,通常的做法仅仅是估计设备合格寿期内的操作次数,并且,对试样进行保守的操作循环试验.而对于连续运行磨损,则通常根据供货商的建议,针对易损件建立定期检查和更换制度.(5)振动由于设备因环境影响而产生的振动水平一般较难确定,因此其加速模型更是难以获得.于是,许多振动试验的幅值强度和持续时问的规定,也就显得较为任意.但是,IEEE3821985的建议
29、应具有现实指导意义,即,模拟振动疲劳的加速老化试验,应对样本在5至10oHz的频率范围内,在三个垂直方向上,各施加幅值为0.75g的加速度达9O分钟.与此同时,OBE和水力负荷也经常用于样本的振动老化模拟.3设备鉴定方法和程序3.1设备鉴定方法总体而言,设备鉴定的基本方法有型式试验法,论证分析法和运行经验法三种.型式试验法是在对设备进行老化评价并确定了设备潜在明显老化机理的基础上,采用加速老化试验的方法,等效模拟设备在特定环境条件下和预期鉴定合格寿期末的技术状态和运行工况,并通过设计基准事件环境模拟试验.来验证设备在所要求时间内执行规定的安全功能的能力.论证分析法是在试验数据,运行经验,物理定律的基础上,充分地考虑并计及明显老化机理对设备的影响,运用有效的数学模型,或通过严谨的逻辑推导,来证明设备能在特定的运行环境中和所要求的时间内,保持其安全功能的完整性.运行经验法是通过对类似设备在相近或更严酷环境中的成功运行数据的收集和分析,类比论证设备执行其安全功能的能力.但在实际的鉴定操作过程中,由于经济和一26一时间投入的限制,或缺乏有效模型,或缺乏必要的数据等种种原因,任何仅仅倚重于上述某一种基本方法的鉴定并不多见,而较普遍的是采用上述方法的组合来实施设备鉴定.值得注意的是,由于设备所处环境(和缓环境或严酷环境)特点的
