核电站1E级仪表环境鉴定技术探析

刘松林，张楠，王兰兰（中国核电工程有限公司，北京 100840）

1 引言

为了减少由于环境影响而导致核电站1E级仪表共模失效的潜在可能，并证明1E级仪表有能力完成其安全设计功能，必须对1E级仪表进行环境鉴定。目前我国核电站的1E级仪表环境鉴定主要遵循GB、IEEE和RCCE系列标准。随着国内核电技术的进步和发展，1E级仪表的环境鉴定技术逐渐完善，本文对三代核电站的1E级仪表环境鉴定技术进行了研究和分析，并与二代改进型核电站的1E级仪表环境鉴定技术进行了对比，详细论述了1E级仪表环境鉴定技术的发展和完善。

2 仪表环境鉴定方法[1]

1E级仪表鉴定方法有试验法、运行经验法、分析法和组合法。

试验法是鉴定设备执行其安全功能的首选方法，它适用于大部分设备的质量鉴定。

运行经验法是指，已成功运行的设备可以被认为已经在严酷程度相同或较低的运行条件下经过质量鉴定。运行经验能提供外推极限值、故障模式和故障率方面的资料。

分析法是为了证明试验件已经满足或超过了对试验件自身的要求，证明其可以在正常、异常、设计基准事故（DBE）环境下执行其指定的安全功能。分析法是建立在一些已成立的定理和部分试验的数据的基础之上。所有的这些假设，包括推理，都必须根据认可的定理或可信的试验数据。

组合法是指使用上述方法的任意组合对设备进行鉴定。

3 环境鉴定分类

在三代核电站的环境鉴定中，将环境分为和缓环境、辐射-严酷环境和严酷环境三类，如表1所示。

3.1 和缓环境仪表鉴定

和缓环境是正常运行工况和仅有抗震要求的设计基准事件（DBE）异常工况区域的环境状态。应用于和缓环境的仪表，设备鉴定前应使用分析的方法确定其是否存在老化机理。

位于此类区域内的且没有明显老化机理仪表可以不要求鉴定寿命。位于和缓环境的仪表存在显著老化机理时，必须进行老化试验，并且根据已知的显著老化机理和可靠性数据确定仪表的设计寿命。

3.2 辐射-严酷环境仪表鉴定

高放射性环境是指设备所处环境高于一定辐射水平，无论其他的环境条件处于正常或非常状态。当设备所处环境放射性累计剂量超过104rads（102Gy）（γ）[对设备中的I&C 电子和微处理器部件为103rads（10Gy）（γ）]时，环境鉴定试验中应包括辐照老化试验。

3.3 严酷环境仪表鉴定

严酷环境是指冷却剂丧失事故（LOCA）、主蒸汽管道破裂（MSLB）或高能管道破裂（HELB）条件下安全壳内的环境和高HELB事故或LOCA 事故后安全壳外的环境。

对处于严酷环境的设备进行鉴定应采取试验法或者试验加分析的方法。试验应包括热老化试验和机械老化试验、辐照试验、极端环境条件试验、地震和振动影响试验。仪表的环境鉴定试验应根据设备所处的特定工作环境，并考虑一定裕量，按照IEEE 323-2003规定的顺序进行。

表1 和缓、辐射-严酷、严酷环境下的型式试验[2]

4 环境鉴定内容

AP1000 1E级仪表环境鉴定的要求和参数分为正常环境条件、异常环境条件和设计基准事件（地震、DBE和DBE后）三种情况。

不需要耐受DBE环境条件的设备，只需对正常和异常环境条件进行鉴定即可；需要耐受DBE环境条件的设备首先应满足正常和异常环境条件下的鉴定，其次满足DBE和DBE后环境鉴定。下面仅对环境鉴定的内容进行分析，对于抗震鉴定和DBE部分不作论述。

4.1 老化

首先对仪表进行评估以确认其是否存在潜在的显著老化机理。这种老化可能导致设备性能退化，进而渐渐地使设备失效，使其不能在DBE条件下执行安全功能。

（1）磨损老化（机械/电子）

周期性操作的或频繁操作的设备会发生机械内构件的周期性老化和磨损。对设计过程中存在显著机械或电子老化机理的设备，在DBE试验之前应先进行机械/电子老化试验。如果鉴定试验程序中没有进行磨损老化，则必须进行合理的分析。

（2）热老化

热老化试验是用来模拟设备在寿命末的退化影响。

热老化试验等效的寿命通过阿伦纽斯定律和材料的活化能来计算。首先对仪表中各种材料的活化能进行分析，从对安全相关功能影响最大的活化能中选择一个最保守的值。在适当条件下，需考虑源于温度变化的材料热疲劳损伤。

（3）辐照老化

辐照老化试验是模拟设备在寿期末辐照老化影响。辐照老化应当考虑预期寿命内和DBE条件下所受γ辐照剂量总和的影响。位于严酷或是辐射-严酷环境的设备都要进行辐照老化试验。基于偏保守的考虑，在地震和模拟事故环境工况试验前进行辐照老化试验。

测试中受到的总辐照剂量（TID）包括正常、事故的剂量，等于或是超过要求辐射剂量的最高值。

（4）振动老化

应对产生的不同程度的磨损和振动进行评估以明确潜在的显著设备老化。振动老化（非地震）应考虑自身引入的振动和来自管道、泵、电动机等运行振动。非地震性的振动可能产生疲劳受损、机械磨损、公差调整度丧失、部件松动等现象。非地震性振动老化试验应在抗震测试之前进行。

IEEE382-2006对电厂正常运行时管装设备正常运行所造成的运行振动进行了明确要求。通过对设备进行以每分钟2倍频程从5Hz~100Hz~5Hz的正弦拍波试验，对振动老化引起的潜在疲劳影响进行评估。设备应在每个正交轴向进行90分钟的振动试验。以低频状态下0.75g（7.36m/s2）加速度或减速度的正弦信号为输入信号，将双振幅限定在0.635mm以内[3]。

4.2 电磁兼容性

电磁和射频干扰（EMI/RFI）可能是来自于操纵员向控制盘、外壳或机柜的静电释放，或是对讲机、手机、收音机和电视等相关的设备。

电磁兼容性（EMC）鉴定必须遵循NRC管理导则1.180进行型式试验。NRC管理导则R.G. 1.180是关于核级设备的导则，当非核级设备也要满足核级设备的要求时，也可参照此导则。R.G. 1.180给出EMC鉴定方法，并且同样认可基于EPRI典型报告TR-102323的试验准则和方法。[4]、[5]

仪控和电子设备的EMC鉴定标准用来保证设备性能和可用性。并且，相关分析不能作为设备EMC鉴定的主要方法，必须通过试验来论证其EMC性能。

5 三代核电站环境鉴定技术改进

三代核电站对1E级仪表鉴定的特定环境条件和运行条件所存在的各种因素都做了详细的要求，并作了充分评价。下面从五个方面描述三代核电站在1E级仪表环境鉴定技术方面的改进。

（1）事故后可操作时间

三代核电站对于不同仪表有不同的可操作时间要求，用DBE后的热老化试验时间来表示DBE后仪表的可运行时间。

（2）淹没

三代核电站不同环境区域的仪表在DBE模拟事故试验时施加一个最小16.5 psig（113.65 KPa）的压力，淹没安全壳内的液体初始的PH值为4.5的硼酸溶液，pH值在事故后的数小时内增加到7.80~7.85之间。

（3）辐照老化试验

三代核电站要求，当设备所处环境放射性累计剂量超过104rads（102Gy）（γ）[对设备中的I&C电子和微处理器部件为103rads（10Gy）（γ）]时，则应进行辐照老化试验。

（4）鉴定寿命

三代核电站1E级仪表鉴定寿期的目标为60年，当达不到60年的寿期要求时，应确定一个短期的鉴定寿命，并提供设备的更换程序文件。二代改进型核电站参考的RCCE中没有明确鉴定寿命的说法，但一般情况下，机械部件要求40年，电子部件要求10年。

（5）振动老化

三代核电站设备以每分钟2倍频程从5Hz~100Hz~5Hz的正弦拍波试验，对振动老化引起的潜在疲劳影响进行评估，设备应在每个正交轴向进行90分钟的振动试验。二代改进型核电站根据RCC-E D2221给出了各设备的振动老化试验频率为10~2000Hz。[6]

6 结语

综上所述，1E级仪表是核电站安全系统保持其安全功能的重要保障，是核电厂安全纵深防御的重要环节。通过对1E级仪表环境鉴定条件的分析和研究，确认了可能影响1E级仪表安全功能的潜在因素，根据标准和规范的要求，运用正确的方法对1E级仪表进行环境鉴定，杜绝共模故障发生的可能。

[1] IEEE323-2003 IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations.

[2] APP-GW-VP-040 AP1000 Safety-Related Field Sensors Equipment Qualification Specification.

[3] IEEE382-2006 IEEE Standard for Qualification of Safety-Related Actuators for Nuclear Power Generating Stations.

[4] R.G.1.180 Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interference in Safety-Related Instrumentation and Control Systems.

[5] TR-102323 Guidelines for Electromagnetic Interference Testing in Power Plants.

[6] RCC-E D2221 Normal Ambient Conditions.