海上核电站仪控设备鉴定的方法与建议

黄 勇 ，何伯阳 ，郭 伟

（1.中广核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中广核研究院有限公司，深圳 518031）

随着对海洋经济的倚重，世界各核电大国也纷纷将目光投向海上浮动核电站，以突破海上开发的能源供给瓶颈，为偏远岛屿和海上石油天然气开采平台提供电力、热力和淡水资源。世界上首座海上浮动核电站——俄罗斯 “罗蒙诺索夫院士”（Akademik Lomonosov）号已下海测试；我国也在加速发展海上浮动核电站，并被国家发改委纳入能源科技创新“十三五”规划。

海上浮动核电站是核电应用新技术，它将陆上的发电堆引入船舶，具有船舶和核电站双重属性。因此，海上浮动核电站仪控系统设计既需要符合核电站建设相关法律法规，也需要符合船舶建造设计规范，还需要综合考虑海上环境对核电仪控设备的影响。

1 海上浮动核电站应考虑的环境条件

设备的鉴定因素基于设备的使用条件，即设备在其寿期内经历的所有环境条件和运行条件。环境条件是指存在于设备外部的条件，比如温度、辐照、压力、冲击等。文献[1-2]对海洋气候环境条件和机械环境条件的要求进行了规定；文献[3]对船舶电气设备设计的环境条件要求进行了规定。相对于陆上核电站仪控设备的使用条件而言，海上浮动核电站增加了海洋环境条件下的使用要求，主要有船舶撞击（冲击）、极端风浪（倾斜、摇摆）、化学及生物条件（盐雾、霉菌）下设备的适应性要求。

为此，海上浮动核电站仪控系统的设计应考虑以下环境条件：

1）气候环境条件 包括气温、湿度、盐雾、霉菌、沙粒和沙尘、降雨、冰雹、降雪、结冰、太阳辐照等；

2）机械环境条件 包括倾斜、摇摆、振动、冲击等。

其中的倾斜、摇摆、盐雾、霉菌、冲击是海上核电站特定的海洋环境条件，其对仪控设备设计的影响应予重点考虑。

2 海洋环境条件对仪控设备的影响

2.1 冲击

海上浮动核电站在航行过程中，会受到推进发电机的振动、海浪正常碰击与甲板上浪冲击的综合影响。在事故工况下，还可能会受到船体碰撞、飞机坠落撞击等剧烈的事故冲击影响。冲击、碰撞工况产生的冲击力会传递到船上设备，对设备的结构和支承影响较大。

这些冲击对海上浮动核电站仪控设备的结构及功能造成影响，具体包括：设备产生疲劳而损坏、可靠性下降及功能和性能异常等；设备之间、设备与船体构筑物之间产生相对位移而引起碰撞、挤压；部件连接断开；电子元器件管脚断开、导线连接断裂，电气短路，粘层、键合点松脱，开关触点瞬间断开；等[4]。因此，海上核浮动电站设计时，需综合考虑海底抨击、船首冲击、碰撞、坠物等载荷对移动平台强度的影响。

仪控设备设计时，应对冲击的措施有：设备底部安装减震器；使用强度高、延伸率大的材料；避免采用悬臂式构件；焊缝尽可能远离高应力区；电气设备的接线应有足够的松弛长度；设备与外部的连接应有挠性；可动部件尽可能采用动平衡设计；等。

2.2 倾斜与摇摆

倾斜、摇摆是海上平台上安装的所有设备都将承受的一种基本的机械环境载荷。

倾斜指由于海上平台事故浸水、操纵、装载不平衡和风浪所造成的纵向或横向的最大倾角。

摇摆有纵摇、横摇、首摇、纵荡、横荡、垂荡等6种形式。纵摇、横摇和首摇，是指船舶在最大航行状态下，由于受风和波浪而产生的不利于航向的3个方向的最大摇动；纵荡、横荡、垂荡是指船体航行时，由于波浪和操作引起的在3个坐标轴方向的往复平移运动。

倾斜使海上核电站仪控设备承受静态力，其大小与设备的安装位置无关，而与平台的倾斜角度和设备的结构有关。因此，倾斜条件对设备的影响主要是设备及部件的固定变形、断裂、转轴挠度过大，导致卡死、运动部件不能动作等。

摇摆使浮动平台承受交变的力，并将其传递给船上仪控设备，使之产生方向交变的应力和加速度，导致设备工作失常、结构损坏和疲劳失效等。

对于倾斜、摇摆的影响，应对策略有：确保可动部件的润滑；对固定或连接部件采取防松脱措施；增加设备的支撑，减少惯性；等。

2.3 盐雾

高盐度海洋环境带来的盐雾会随着空气进入舱室内部，而通风空调系统难以有效滤除盐分以消除对舱室内设备的影响。盐雾会加速金属材料的腐蚀，降低绝缘材料的绝缘性能，使金属材质发生电偶腐蚀。因此，在三高（高温、高湿、高盐）的环境条件中，盐雾会对设备产生综合性的腐蚀作用。盐雾对仪控设备的主要影响如下：

1）腐蚀效应 盐雾引起的电化学反应，导致金属材料腐蚀；高温、高湿环境条件下加速应力腐蚀；盐雾中的化学成分在水中电离，形成酸碱溶液的腐蚀[6]。

2）电效应 绝缘材料腐蚀和金属腐蚀；盐沉积产生导电层；盐沉积导致电子部件电气性能下降、损坏。

3）物理效应 容易导致机械活动部件阻塞而降低可靠性；容易导致设备表面漆层的脱离[6]。

对于盐雾的影响，应对措施有：电路板上喷三防漆；设计选型时使用耐腐蚀、耐老化材料；对于关键部件进行密封处理；等。

2.4 霉菌

霉菌在舱室内的“三高”环境下迅速生长，分解有机材料，导致其性能下降，从而破坏各类电子部件的绝缘性能；霉菌生长分泌的酸性物质还会腐蚀金属材料。

霉菌生长对设备材料带来的影响主要有：电子设备材料的绝缘电阻、电抗强度下降，导致电路板线路间短路；材料塑性变差，导致老化过程加速；橡胶密封件被破坏，导致密封性能下降；分泌酸性物质，导致金属材料电解腐蚀。

对此，应对措施有：采用气密结构；采用固体封装技术；选择耐腐蚀金属材料；部件表面采取涂镀工艺处理；等。

3 海上浮动核电站仪控设备的鉴定

3.1 设备鉴定思路

海上核电站仪控设备的鉴定思路是：参考陆上堆设备鉴定体系及方法，补充海洋环境条件特定的鉴定要求。

①参考陆上核电站设备鉴定的成熟鉴定体系、鉴定方法等，对海上核电站设备鉴定具有借鉴意义。②对设备性能的影响主要体现在环境条件的因素上，HAF 102中要求考虑设备寿期内所有的环境条件，故海上核电站需综合考虑核及船的环境条件因素。其中，IEEE 382，RCC-E中已规定了陆上核电站核级设备所经受的环境因素；GB/T 6994，GB/T 4798.6等规定了船用的环境条件及分类。

3.2 鉴定标准体系

对于海上核电站，目前国际上尚未形成成熟的鉴定实践。基于此，海上核电站的设备鉴定，可以参考现有的陆上核电站设备鉴定实践，并结合相应的船用标准开展。所采用的实践包括：

（1）陆上核电站实践

——基于RCC-E规范和EDF相关规范的法国实践；

——基于IEEE与ASME-QME-1标准的美国实践；

——基于KTA标准的德国实践；

——基于GB与NB标准的中国设计单位编写相关规范的中国实践。

（2）船用标准体系

——基于CCS入级规范及指导指南的标准体系，如GD22等；

——基于GB的船用标准体系，如GB/T 2423等；

——基于GJB的船用标准体系，如GJB 150等。

3.3 鉴定试验顺序

基于RCC-E规范和EDF相关规范的法国实践，设备鉴定可分为4个阶段：基准试验、极限工况试验、老化试验、模拟事故试验。对于特定海洋环境条件的倾斜、摇摆、盐雾、霉菌、冲击，其划分和依据如下：

1）盐雾、霉菌的鉴定，划分为极限工况鉴定。盐雾、霉菌的试验通常为验证在一定条件下（盐雾、潮湿）一段时间的适应性能力，而不考虑老化累积效应；此外，盐雾、霉菌造成的危害可以通过在役检查或监督来评估，不符合IEEE 627中的显著老化机理判定要求之一，不能称为显著老化机理。

2）倾斜和摇摆的鉴定，划分为极限工况。对比GJB 150.23A—2009，GB/T 2423.101—2008，GD 22—2015中的倾斜和摇摆环境条件，验证可知，目前针对舰船设备仅需要考虑倾斜和摇摆环境的适应性，因此划分为极限工况。

3）冲击的鉴定，划分为事故工况。冲击试验是通过模拟外部冲撞，验证设备在经受外力作用时的安全性、可靠性和有效性，因此属于事故工况条件下的验证。

综上所述，海上核电站设备鉴定试验顺序建议见表1。

表1 海上核电站设备鉴定的试验顺序Tab.1 Test sequence of ONPP equipment qualification

3.4 海洋环境条件特殊鉴定要求及方法

3.4.1 倾斜和摇摆

海上浮动核电站的倾斜和摇摆与工作海况紧密联系，标准GJB 4000—2000对1～9级海况进行了相关定义，并结合船舶与海洋工程规范要求和经验，将6级及以下海况定义为核电站正常作业海洋条件，将8级海况定义为设计基准海洋条件，8级以上海况为极限工况。

依据《钢制海船入级规范2015（第4分册）》中，对所有电气设备允许的最大倾斜角规定见表2。

表2 钢质海船入级规范对电气设备倾斜角的规定[1]Tab.2 Rule for the inclination angle of electrical equipment in classification rule of steel seagoing vessel

基于以上所述及标准 GB/T 2423.101—2008，结合海上核电站的实际情况，其倾斜和摇摆参数可参见表3。

表3 海上核电站倾斜和摇摆参数Tab.3 Parameters of inclination and swing in ONPP

对于仪控设备，倾斜和摇摆的鉴定建议采用试验法。基于表3所列倾斜和摇摆参数，以及相关船用标准规定，对于通用设备，建议根据设备的种类及使用条件，参照GB/T 2423.101进行。对于特殊设备，其倾角、摇摆角、摇摆周期应符合设计方及船级社相应标准要求。

3.4.2 冲击

依据《海上浮式装置入级规范（2014）》：浮式装置碰撞的动能，侧面撞击≮14 MJ，首部或尾部撞击≮11 MJ，相当于一艘5000 t供应船以2 m/s速度撞击的能量[9]。因而，海上浮动平台冲击的假设始发事件为5000 t的船以2 m/s的速度撞击海上浮动平台。

在GJB 150.18A—2009中，采用冲击谱的形式进行冲击试验，并明确规定该试验可用于评估设备的结构和功能承受装卸、运输和使用环境中不常发生的非重复性冲击的能力；可用于测试装备固定装置的强度，该装备安装在可能发生碰撞的平台上[10]。

基于此，海上核电站可采用冲击谱的形式，对仪控设备进行鉴定。试验方法主要采用摆锤冲击试验或振动台冲击试验，其中，摆锤冲击试验可参照GJB 150，CB 1146等标准执行；振动台冲击试验可参照GB2423等标准执行。

3.4.3 盐雾及霉菌

依据GB/T 4798.6—2012和GB/T 14092.4—2009，海上核电站所处的化学环境条件为6C2级，盐雾的质量浓度为2 mg/m3；生物环境条件为6B2级，所处的环境生物活动频繁伴有各种生物灾害。

对于采用了经过验证的耐盐雾、霉菌材料的设备，或已采用合理的涂漆、镀金属层等方式进行了防护处理，可认为其满足防护的要求，不需要鉴定。对于需要进行鉴定的设备，鉴定可仅针对材料或易腐蚀的部件，采用试验法或分析法进行，试验法可参照GD 22或GB/T 2423等标准执行。

4 结语

文中根据海洋的特殊环境条件，讨论冲击、倾斜与摇摆、盐雾、霉菌等鉴定因素对仪控设备的影响，基于这些影响提出仪控设备对应的鉴定要求，并将上述特殊环境因素纳入仪控设备研发设计考量中。

由于海上浮动核电站的研发设计缺乏明确的法律法规指导，也无法照搬陆上堆的法律法规进行规范，因此文中仅给出一些综合性建议，作为参考。目前亟待解决的问题是结合海洋环境法律法规和陆上堆相关规范，在原有法规标准的基础上编制新的法规标准，形成海上核电站设计鉴定法规标准体系，以全面指导设计研发工作。