华龙一号核电厂安全级仪控就地盘箱柜的鉴定

聂洪权，郑 燃，王 欣

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

0 引言

随着三代核电技术的日趋成熟，安全级设备的鉴定要求也越来越高。在华龙一号(ACP1000)核电厂内，安全级仪控就地盘箱柜作为核电厂设备控制系统的重要组成部分，主要实现开关量、模拟量的信号汇集，就地控制设备的控制、指示、电源配电以及电缆转接等功能，具有数量众多、功能要求各异、内部结构差异大、设备安装环境十分复杂等特点。为了保证核电厂安全、稳定运行，安全级仪控就地盘箱柜样机的设备鉴定便显得尤为重要[1]。设备鉴定的目的是为了证明安全级重要设备在需要时及时投运，可以满足系统所需的性能要求；在设计寿期内，正常工况及事故工况产生的环境条件下，能够执行其安全功能。设备鉴定的实质也是为了证明安全级重要设备具备核安全功能的过程[2-4]。本文根据华龙一号核电厂实际工况，以及新增的鉴定要求，确定鉴定程序，选择适合的样机，对关键技术进行分析、计算，使样机最终通过鉴定试验，为后续设备鉴定提供借鉴和参考。

1 鉴定需求

1.1 鉴定等级

RCCE—2005版B卷相关要求如下[5]。

K1类:适用于安装在安全壳内、应在正常运行条件、事故条件、事故后条件(必要时)以及地震荷载下保证完成其功能的设备。

K2类：安装在安全壳内，可在正常运行工况和地震荷载下工作的设备。

K3类:适用于安装在安全壳外、应在正常运行条件和地震荷载下，以及必要时在恶化的环境条件下保证完成其功能的设备。

根据华龙一号项目设备分级情况，安全级仪控就地盘箱柜可分为K1类和K3类。

1.2 设计要求

①设计寿命增加。

以往项目，仪控就地盘箱柜的使用寿命一般为K1类40年、K3类为10年。而华龙一号项目对于K1使用寿命要求是60年，K3类不变。因此，需要根据环境条件，对设备老化试验进行重新计算。

②新增K3类就地盘箱柜耐辐照鉴定要求。

由于RCCE—2005版在引入严重事故条件鉴定程序概念的同时，也增加了严重事故下设备“必须使用”的概念。为了确保这些设备在严重事故条件下能够正常运行，对于安全壳外的安全级就地盘箱柜，也需要考虑耐辐照鉴定。即K3类就地盘箱柜需要进行耐辐照鉴定，这是华龙一号对安全级仪控设备新增加的鉴定要求。

③核电厂设计参数变化。

与以往核电站相比，华龙一号地面加速度峰值由0.2 g提高至0.3 g，这对就地盘箱柜的抗震鉴定提出了更高的要求。因此，需要对其箱体结构、支架等进行改进，以满足试验要求，确保设备在此工况下可以正常执行其规定的功能。

以上是华龙一号在设计要求上与以往项目的差别。本文通过对鉴定试验内容的详细设计，确保仪控就地盘箱柜能够顺利通过各项鉴定试验。

2 鉴定程序

2.1 样机选型原则

由于仪控就地盘箱柜类型较多，箱型尺寸、安装方式、结构形式以及内部元件都有较大差异，且安装位置遍布全厂，因此鉴定样机的选择应重点考虑以下几个方面[6]。

①功能代表性。样机应具有与被鉴定设备在事故工况、事故后工况以及地震期间和地震之后执行的功能相同或相近代表性。

②机械结构代表性。样机应具有与被鉴定设备相似的动态结构特性，充分考虑其包络代表性及保守性。

③包络部件或元件的代表性。样机应包含所代表的被鉴定设备中的各类部件或元件，并考虑到实际设备的安装位置以及内部安装元件和实现功能最多。

④接口和连接的代表性。设备样机应充分考虑到被鉴定设备的实际安装方式以及与外部的电气连接和电缆,并选择安装方式中最为苛刻的固定方式为设备样机安装方式。

根据以上四个方面的要求，结合现有箱型经过充分的分析论证，选出具有典型性、包络性且最不利于抗震的箱型；箱内元器件应涵盖所有类型且元器件在箱内的布置也以最接近实际安装位置为原则；就地箱功能应选取典型的调节、控制回路。

2.2 鉴定要求

仪控就地盘箱柜对于鉴定等级、质保等级、防护等级、抗震等级以及使用寿命有严格的要求。鉴定要求如图1所示。

图1 鉴定要求

除此之外，华龙一号与以往项目正常运行期间的环境条件也不相同，尤其是环境温度、大气压等参数不同。正常运行期间环境条件如表1所示。

表1 正常运行期间环境条件

2.3 试验内容

安全级仪控就地盘箱柜包含K1类和K3类样机的鉴定试验，经过对试验项目的分析，其鉴定试验内容存在一定差异[7-9]。鉴定试验如表2所示。

表2 鉴定试验

3 鉴定试验方法

3.1 试验方法选择

根据RCCE—2005版B卷描述，安全级设备的鉴定可以采取试验法、分析法或者混合法。在试验法中，设备应经受设计规定的环境条件和运行条件，同时在这些条件下测定其性能。由于该方法属于型式试验，因此必须有一定数量的样机能够涵盖设备的所有类型。分析法是通过定性或定量的论证证明该设备具有完成期望能力的功能，同时分析法中应包括对所采用方法、理论和假设正确性的论证。虽然分析法对试验结果外推和确定局部的设计变更对已试验过的设备的影响是有效的，但一般情况下仅用分析法对就地盘箱柜进行质量鉴定则显得过于复杂。混合法则是将试验法和分析法相结合。

通常来说，对于环境鉴定，一般采用试验方法。对于抗震鉴定，其鉴定方法的原则是：对于能动(即通过机械运动实现其安全功能)的安全级电气设备，应采用试验方法。而华龙一号的安全级仪控就地盘箱柜则属于试验法范畴，因此安全级就地盘箱柜的鉴定采用试验法。

3.2 关键技术

3.2.1 热老化温度计算

热老化试验的原则是：既要尽可能地缩短老化时间，又要确保设备元器件不因为温度过高而损坏。因此，老化温度应低于元器件材料的耐受允许值，并留有一定的裕量。大量的试验与研究显示，非聚合类(金属、矿物质、陶瓷、玻璃等)对温度效应不敏感，即不存在热老化机理。而对于聚合类材料，当所含非金属材料的热寿命大于合格鉴定寿命目标值的3倍时，即可判定为无明显热老化机理[10]。

考虑到仪控就地盘箱柜的鉴定寿命以及存在老化机理的设备/部件均为有机材料，因此热老化试验通常采用基于阿伦纽斯定律的热老化试验方法。公式如下：

(1)

式中：t1为鉴定寿命；t2为加速老化时间；φ为材料的活化能；k为玻尔兹曼常数；T1为正常环境温度；T2为加速老化温度。

3.2.2 辐照剂量计算

根据RCCE—2005版提出严重事故下设备“必须使用”的概念，对于安全壳外的安全级仪控就地盘箱柜，需要考虑耐辐照鉴定。同时，根据华龙一号壳外剂量对设备影响的情况，首先界定了对于老化敏感的设备，如果设备暴露在100 Gy(对于微型设备或IC电子设备和微处理器为10 Gy)以上辐照环境条件的应考虑进行辐照老化鉴定。对于K3类仪控就地盘箱柜，应归为微型设备或IC电子设备和微处理器分类，即暴露在超过10 Gy的环境下就需要进行耐辐照鉴定。

K3类仪控就地盘箱柜耐辐照鉴定所需剂量主要由以下两部分组成。

①寿期内正常运行累计剂量。

②严重事故下必须使用的就地盘箱柜所在房间，在事故后的累计剂量。

由于K3类就地盘箱柜的耐辐照鉴定剂量主要来自于严重事故后累积剂量，因此对严重事故下必须执行安全功能的设备进行整理分析。通过分析发现，严重事故下必须执行安全功能的仪控就地盘箱柜均为接线箱，并不包含电子类及机电类元件。因此，只要K3类接线盒能够满足壳外严重事故环境条件下的耐辐照试验剂量，即可保证K3类设备能在严重事故下执行相应的安全功能。

对于其他K3类就地盘箱柜，则只需考虑正常寿期累计剂量和基准事故下累计剂量即可。

而电子类元器件依然无法满足该条件下的耐辐照要求，因此考虑对电子类元件进行100 Gy的耐辐照试验。该数值可涵盖壳外除橙区之外所有厂房的10年正常运行累计剂量。而经过排查，橙区内的K3类仪控就地盘箱柜内的确不含有电子类元器件。若按照以上分段进行耐辐照试验依然无法通过，则只能通过布置手段规避辐照剂量比较高的房间。

3.2.3 抗震鉴定试验

抗震鉴定试验是为了验证鉴定样机(样机上安装有经过老化试验的原件)在地震荷载的作用下和/或作用后能否正常工作，保证其完整性和可运行性，以履行其安全功能。仪控就地盘箱柜一般采用多频法、双向人工时程试验法，使用所有厂房设备安装位置标高最高的楼层反应谱的包络谱作为要求的地震反应谱，阻尼比选为5%。在抗震试验前、后均应重复进行基准性能试验，并在抗震试验过程中进行功能试验，以便检验试验结果的可接受性。

根据抗震要求的特点，在鉴定样机设计中，重点考虑对设备结构的加固和特殊设计，以确保满足抗震试验的要求。

①对鉴定样机进行加固，确保结构在抗震鉴定中的完整性。例如样机上下采用2个不锈钢手柄螺栓进行固定，中间采用门锁进行固定，门锁锁舌行程为右旋，通过角度止旋卡位，锁舌加长并折弯加筋，增加锁舌刚性强度，保证控制箱门与门框的牢固锁合。

②调整鉴定样机安装支架固定板尺寸及厚度，避免由于支架刚性强度不够而引起的加速度差异。

③调整鉴定样机安装支架的固定螺栓。

抗震试验按下列顺序进行：试验过程中的实时状态监测、外观及结构检查、电气性能检查(抗震试验前、后)。进行抗震试验时，设备需处于正常运行状态。

本项目在X、Y、Z方向的最大地震反应谱包络谱如图2所示。

图2 最大地震反应谱包络谱图

3.2.4 严重事故环境试验

对于安全壳内应用于设计基准事故和严重事故的K1类鉴定样机，除上述鉴定试验外，还需考虑设计基准事故温度压力鉴定试验及严重事故温度压力鉴定试验[6-7]。其中，设计基准事故温度压力鉴定试验需根据行标EJ/T 1197相关要求[8]。LOCA鉴定曲线如图3所示。

图3 LOCA鉴定曲线

LOCA鉴定试验各阶段试验内容如表3所示。

表3 LOCA鉴定试验各阶段试验内容

4 鉴定试验结果及改进

4.1 鉴定试验结果

K1类鉴定样机经过所有鉴定试验后，需要进行基准性能试验。K1类样机鉴定试验结果如表4所示。

表4 K1类样机鉴定试验结果

K3类鉴定样机经过所有鉴定试验后，需要进行基准性能试验。K3类样机鉴定试验结果如表5所示。

表5 K3类样机鉴定试验结果

由表4、表5中的试验结果可知，经过所有鉴定试验后，K1、K3类鉴定样机的试验结果均满足鉴定要求。

4.2 设计改进

在K1类样机元器件鉴定过程中，老化试验后出现个别电缆密封头产品密封圈焦化失去弹性的情况。由于前期设计选型中已选取冗余器件，因此，可将改类型电缆密封头从样机清单中删除，并且使用通过鉴定试验的元器件完成所需的功能要求。

另外，在事故辐照后，出现个别橡胶密封圈单行降低、容易断裂的情况。这对实际工况下的使用是非常不利的。因此，可以使用金属不锈钢垫圈替代原非金属材料垫圈，以满足严重事故后的环境条件。

5 结论

华龙一号安全级仪控就地盘箱柜在鉴定方面较以往项目有了更加严格的要求，对设计以及鉴定也带来了非常大的影响。本文通过鉴定试验不断改进，提出合理、有效的鉴定方法。

①根据阿伦纽斯定律的计算样机热老化时间，并且根据各工况条件选取适合的元器件，使得样机满足鉴定寿命要求，顺利通过热老化鉴定试验。

②提出K3类仪控就地盘箱柜耐辐照剂量计算方法，试验结果可以满足K3类设备在不同辐照剂量条件下使用要求。

③通过对箱体结构、安装支架的改进，同时对全厂地震反应谱进行包络，使得设备顺利通过抗震鉴定试验。

④本文给出仪控就地盘箱柜严重事故环境的鉴定依据、鉴定步骤以及K1、K3类样机鉴定试验后的基准性能试验结果，以证明本华龙一号安全级仪控就地盘箱柜顺利通过了所有鉴定试验，为后续项目提供了良好的技术经验。同时，该研究也为应对后续核电厂更复杂工况下的安全级设备鉴定奠定了基础。