核电厂安全重要部件老化机理分析方法探讨

陈佳卉　周博

摘要 随着核电厂运行时间的不断增加，核电厂部件会发生各种各样的老化降质。根据老化降质类型的不同及发生的位置不同，所导致的后果或轻或重，严重时危及核电厂的安全。因此在老化降质未发生之前，开展老化机理分析工作显得尤为重要。在国际原子能机构开发的导则中，也已经将老化机理分析列为各项工作的核心。本文提供了一种相对统一的老化机理分析分析方法，可使得电厂的机理分析工作更加规范化和系统化。

关键词 核电厂部件老化机理分析方法

随着核电厂运行时间的不断增加，材料发生各种各样的变化，包括物理变化引起的形状、尺寸、结构的改变，也包括化学变化所导致的材料损失；这些变化最终使得系统设备性能的退化，也即老化降质。根据老化降质类型的不同及发生的位置不同，其发生的效应的速度或快或慢，所导致的后果或轻或重，严重时危及核电厂的安全。为应对老化降质对核电安全所带来的威胁，从美国等核电发展较早的国家开始，已经积累了较为丰富的实践经验，其中很多被用作标准被核电管理者实践依据。在国际原子能机构开发的导则中，也已经将老化机理分析列为各项工作的核心。

一、老化机理分析原则

核电厂需开展老化管理工作的设备众多，设备用材、制造工艺等也各有差异，这些都可能导致老化降质过程的差异性，尽管要求在机理分析过程中通过各种知识和信息清楚的认识并理解这些机理，但对千差万别的各种因素很难保障其分析方法和分析过程的完全一致性。为了保障机理分析工作在能提供足够有用的信息的同时，又能对机理分析工作给出足够的自由度，以便于有针对性的合理采取方法进行机理分析，可采用以下机理分析原则：机理分析必须充分结合材料的基本属性和各种经验反馈信息，经验反馈信息包括NUREG-1801报告、电厂国内外经验反馈等。这些信息的利用办法是将经验反馈中材料、环境、机理与电厂的材料、环境以及相关机理进行对比，进而分析各机理发生的可能性。

二、机理分析的实施方法

（一）机械类设备的老化机理分析

机械类设备主要是反应堆主回路冷却剂系统、专设安全设施系统、辅助系统、蒸汽和动力转换系统等系统设备和经验反馈认为老化管理重要性程度高的设备。这些设备的老化降质将直接危及核电厂安全或对电厂的生产效益造成重大影响，因此，必须针对这些设备进行详细的机理分析，以便于以此为基础开展有关该设备的各种老化管理工作。機械类设备的机理分析按如下步骤开展：

1.理解设备的设计。在设计阶段，设备设计所遵循的标准、设备的设计功能、设备的选材、设备的结构特点、设备的运行限值已经确定下来，这些因素一定程度地决定了设备发生各种老化降质机理的可能性，因此，对设备设计特性的理解是开展详细的机理分析的基础。对设备设计的理解须重点关注并明确如下内容：设备设计所遵循的标准；设备包含的部件及各部件选用的材料；设备的主要参数、设备主要部件的结构参数；设备的设计运行条件、设备的实际运行条件；设备制造过程的不符合项及不符合项的处理工艺。

2.设备的机理分析。各部件的机理分析包括分析材料的固有特性和经验反馈该材料的老化降质特性。在核电厂的设计阶段，为提高材料的抗老化性能，已经在选材及材料的加工制造上作了充分的考虑，这些考虑是基于设计时期的认识而作出的，尽管如此，仍然不能避免材料的老化降质的发生，为深入地分析这些机理，需要分别从材料的固有特性和经验反馈两个方面进行考虑，机理分析需从部件名称，部件材料，实际运行环境中的温度、压力、水质、辐照环境等方面进行分析。

（1）老化机理分析需要从设计的角度人手考虑材料的固有特性。任何材料本身不可能不发生老化降质，这是所有材料的必然属性，而材料的降质速度和降质规律则是通过试验或实践经验总结出来，这些规律在设计之前已经总结出来并形成行业规范或标准，作为设计的基础。在对部件的老化机理进行分析时，需要理解认识材料的这些固有特性，这些固有特性是设计阶段在设计上对材料行为特性的预期，也是进一步开展老化机理分析工作的基础。材料的固有特性需要考虑的内容包括：设计选材所采用的标准上对该材料特性的规定、材料的主要加工工艺对设备结构材料老化行为特性的影响。在考虑这些内容时，依据已经掌握的材料，进行分析，可繁可简，能反映主要的老化特性即可。在这一阶段，分析出的主要是材料的潜在老化降质机理。

（2）从经验反馈信息分析设备的老化机理。尽管在设计阶段对材料的老化降质有较充分的考虑，但由于运行环境控制的差异，以及材料属性的少量不确定性，材料是否发生特定的潜在的老化机理，需要通过经验反馈信息加以验证，因此，对经验反馈信息进行分析，并辅助第一步中总结的规律，列出设备的各项老化降质机理。在列出各种降质机理时，还必须注明设备的降质机理的发生位置。可供参考的经验反馈信息包括NUREG-1801和国内外相同电厂或类似电厂发生的经验反馈信息。

（二）构筑物的老化机理分析

构筑物结构复杂，不仅包含金属部件，还包含非金属部件，其不同部件的材料属性相差较大，因此，在对构筑物进行机理分析时，需按部件分开进行机理分析，这些部件包括混凝土、加强钢筋、贯穿件、预应力系统部件、衬里、防水层、密封垫圈等，具体到每个部件，其老化机理分析方法与机械类设备的分析方法相同，不再重复说明。

1.电气设备的老化机理分析。电气类设备的范围包括大型电气机械设备，如柴油机、发电机等电气类设备，还包括电缆等。由于不同设备的结构特点不同，其机理分析的方法也会略有不同，以下分几类分别说明：

2.大型电气设备的老化机理分析。对于大型电气设备，如柴油机、发电机等，其老化机理分析方法与机械类设备相同。以下仅对电气仪控类原件的老化机理分析方法和电缆的老化机理分析方法进行规定。

3.电缆的老化机理分析。与电气仪控类元件相似，核电厂的电缆种类和数量繁多，但电缆材料和电缆的服役环境则仅可简单的分为几类、同种类型的电缆的老化机理基本相同，因此，电缆的老化机理分析可分为电缆分类、电缆环境识别、电缆老化机理分析、电缆老化机理分析报告编写几步，具体如下：

（1）电缆分类。由于本文仅针对1E级电缆进行老化机理分析，因此，所涉及的分类是对1E级电缆进行分类。在进行电缆分类前，需根据电厂提供的设计资料整理出电厂的1E级电缆，并列出1E级电缆的范围，在此基础之上，按照电缆用途的差别，本文将电分为高压电缆、中压电缆、低压电缆和仪控电缆。

（2）电缆属性。根据电缆材料与环境，识别出不同电缆的材料和环境，填写“电缆材料”和“电缆服役环境”，同时，充分理解材料的基本属性。

（3）电缆的老化机理分析。根据第（2）步所分析的材料属性及电缆的环境，并结合国内外的经验反馈，分析电缆的老化机理。

三、结语

本文建立了综合考虑老化机理发生的位置、服役环境、结构材料的老化机理分析方法，可为核电厂安全重要部件的机理分析工作提供指引和参考。endprint