核电站电气贯穿件导体组件老化寿命评估研究

郑兰疆，王广金，周 天

(中国核动力研究设计院，四川 成都 610041)

0 引 言

设备老化管理与寿命评估是反应堆结构力学领域的重要研究方向，老化因素对材料力学性能的影响直接表征到设备的各项性能指标上，利用设备性能指标进行寿命评估具备较强的工程实际意义。核电厂电气贯穿件（electrical penetration assemblies，EPA）是安装在核电厂安全壳上，用于电缆穿越安全壳的1E级专用电气设备，在正常和各种事故（包括地震和失水事故）条件下，维持反应堆安全壳压力边界的完整性和电气连续性，防止放射性物质外泄，设计寿命与安全壳同为60年[1-2]。导体组件作为承载EPA的电气连接性和密封性能的最关键部件，组件材料在复杂环境的长期作用下会发生缓慢的物理化学性能退化和力学性能退化，致使电气连接性和密封性能变差，因此其老化寿命直接决定了EPA的寿命。导体组件的基本结构如图1所示，具体是将绝缘包覆导体穿入填充制品内，然后在制品外套一个不锈钢管，通过专用工艺和特殊的结构设计使其形成致密整体。针对核电厂高分子材料的老化性能研究中，A.Chapiro等[3]对核电站的老化因素进行了研究，得知老化因素主要是由热效应、辐照、化学环境和机械应力等几个方面综合而成。M.D.Chipara等[4]对NBR-EPDM混合橡胶材料在不同辐照剂量率老化性能进行研究得出剂量率的影响呈现非线性。R.Clavreul等[5]对硅橡胶的辐照老化性能研究得出小的辐照剂量率对老化有更大的破坏性。V.Placek等[6]对核电站EPDM橡胶的辐照老化和热老化性能研究得出辐照老化和热老化试验是一种累积效应，先后进行或同时进行效果基本一致。以上研究都是基于单一材料或零件开展的研究工作，而导体组件作为一复合功能性部件，不能只用材料的老化性能来进行判断，而应该根据实际工程应用的需求进行老化性能的评估，进而获得准确的老化寿命，这对解决工程实际具有重要的意义。本文针对核电厂电气贯穿件的导体组件，设计了导体组件的辐照和热老化寿命试验方案，并开展了试验测试研究。

图1 导体组件结构示意图

1 寿命评估目标和判断准则

1.1 寿命评估目标

为完全满足核电厂的需求，电气贯穿件的设计寿命为60年，因此导体组件的老化寿命应满足60年的寿命要求；导体组件作为复合性功能部件，按照IEEE317[7]并结合工程实际情况确定对导体组件进行辐照老化寿命和热寿命的评估研究。

1.2 失效判断准则

电气贯穿件的主要功能为电气连接性能和机械密封功能，密封性能又与导体材料的力学性能密切相关，导体组件同时承载以上两种性能，任何一个功能不满足要求均可造成电气贯穿件整体性能的缺失，因此确定样品在任一老化试验后或老化试验的周期性检测中的失效判定准则同时为电气和密封性能，如表1所示。在表1检验项目中若有一项不合格，则判断导体组件失效。

表1 失效判断准则

2 辐照老化寿命

辐照老化试验是用来评估被测试样暴露于模拟60年寿命的设计正常工作期限以及一次设计基准事件工作（DBE）期限的γ辐射环境中，验证试样遭受辐照老化作用后，其电气和力学性能依然满足要求。

2.1 辐照老化寿命评估的理论基础

对高分子材料进行辐照老化寿命评估的常用方法通常是基于IEC61244-2的图表法，其主要是在相同温度条件下对辐照试验数据的外推而获得辐照寿命，这些参与外推的辐照试验数据是通过不同剂量率来获得一个终止剂量，并通过该终止剂量在正常辐照剂量的图表中外推得到其预期寿命。另外在国内，顾申杰[8]认为对于绝大多数的有机材料的辐照老化模型为“等剂量/等破坏效应”，即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射剂量率无关，但同时又指出在辐照老化试验中，剂量率应控制在0.5～1.0 Mrad/h之间。王福志等[9]在对核电站用1E级电缆的研究中得出辐照试验的剂量率在不超过1.0 Mrad/h的条件下可进行不同总剂量的试验。同样的研究在孙建生等[10]对核电站1E级电缆材料的辐照老化试验研究中得出辐照试验时剂量率不超过1.0 Mrad/h的范围下，短时间内低剂量率和高剂量率影响相当。综合考虑以上因素，导体组件在服务60年所受的累积剂量可通过核电厂所提供的环境条件计算得到，因此要考验导体组件能否达到预期寿命，可直接进行预期寿命的辐照剂量试验来进行判断。

2.2 试验样品和试验参数确定

电气贯穿件导体组件的种类规格多达20余种，因此在试验时选择具有代表性的试样来进行，试样的选取根据电气贯穿件的分类（动力、仪控和同轴）来进行配置，最终选取规格型号为同轴、37芯（16 AWG）、9芯（8 AWG）和单芯（500 MCM）导体组件作为试样。

压水堆核电站1E级设备正常工作期限下，安全壳电气贯穿件60年寿期内的累积剂量为7.5 Mrad。一次设计基准事件（DBE）期限下，反应堆安全壳内侧空气中的标准累积剂量为60 Mrad。因此电气贯穿件在60年安装寿期内的设计正常运行期限以及一次设计基准事件（DBE）的环境下，最大的辐射累积剂量为67.5 Mrad。同时为提高试验的严酷程度，充分证明导体组件至少能够在满足核电厂正常和事故辐照环境下合格使用60年以上，最终选择的辐照老化试验剂量为100 Mrad，剂量率范围为0.5 Mrad/h～1.0 Mrad/h。

2.3 试验结果

试验在国内某权威辐照研究中心进行，试验采用22根Co60靶件均匀排布在辐照孔道周围形成辐照场，辐照场的平均温度为64 ℃，平均剂量率为0.88 Mrad/h，γ射线总累积剂量为100 Mrad。试验结束后试样外观无变化，全部试样均通过了表1所示的各项性能检测，密封性能的保持说明各材料力学性能没有显著变化。

3 热寿命

热寿命试验的目的获得热老化寿命模型，再通过该曲线的外推从而得到样品在不同温度条件下的老化寿命模型，并为模拟运行寿期的加速热老化试验和寿命快速评定试验提供模型支撑。

3.1 热寿命评估的理论基础

常规法（CA）用来进行热老化寿命的评估已经过多年的实践表明其符合实际情况，具有一定的合理性和必要性，结果应用到工程中有一定的可靠性，其最基本原理是Arrhenius方程[11]：

式中：τ——材料寿命；

a——常数，它与材料的固体振动频率和本身对化学反应的敏感性有关；

E——材料的活化能；

R——摩尔气体常数；

T——绝对温度。

该方程表示材料的热老化寿命的对数与绝对温度的倒数成线性关系。CA法通常是选择几个较高温度点进行性能老化试验，得到对应的失效时间，从而确定方程的系数。

3.2 试验样品和试验参数的确定

按照辐照老化试验的选样原则，同样选取规格型号为同轴、37芯（16 AWG）、9芯（8 AWG）和单芯（500 MCM）导体组件作为试样进行热寿命试验。

按照标准IEEE317的要求，所选择的温度点之间的间隔应不低于25 ℃，最低温度点的平均热寿命应大于5 000 h，最高温度点的失效时间应不低于100 h。最终选择的温度点为 210 ℃、185 ℃、160 ℃和135 ℃，其中的检测周期分别为3d、7d、14 d和28 d。

3.3 试验结果及数据处理

将样品按不同规格进行编号，并将同一试验温度点下的样品置于热老化烘箱中，为准确模拟设定的试验条件，该热老化烘箱的排气速率、温度波动应满足GB/T 11026.1—2016《电气绝缘材料 耐热性》的要求。按照设定的检测周期进行如表1所示的基本性能检测，在检测时若有一项性能不符合要求，则判定失效。通过对所有样品在不同温度下的性能检测发现所有类型导体组件在135 ℃下无明显老化趋势。对其余3个温度点，在各老化周期检测时均发现性能指标有一定程度的降低，失效发生说明材料的力学回弹性能受到热效应的影响，且对得到的失效数据进行分析可知在同一温度点下，37芯导体组件试样的老化寿命均比其他规格试样的老化寿命值低。因此为保守起见，选择寿命值最低的37芯导体组件老化数据进行热寿命分析，结果见表2。

表2 37芯导体组件热寿命试验数据

根据37芯的老化寿命试验数据，按照IEEE101[12]对热寿命试验数据统计分析的要求，进行热寿命评估，其结果如表3所示。通过试验测试研究，获得了导体组件的热寿命方程模型，且相关系数为0.993 7，表明回归方程拟合数据的效果很好。

表3 热寿命方程的回归分析

最后根据IEEE101的外推计算方法，进行95%下置信限热寿命曲线方程的推导，如图2所示，然后外推得到导体组件在85 ℃时的寿命值为7.2×107h（8 219年），远超60年的寿命要求。并进一步根据95%下置信限热寿命曲线方程推导出导体组件对应60年寿命的曲线方程，根据导体组件60年寿命方程曲线，得知在开展电气贯穿件鉴定试验中的加速热老化试验时选择145 ℃的温度条件下进行408 h即可等效60年热老化寿命。

图2 热寿命特征曲线图

4 结束语

本文针对核电厂电气贯穿件的导体组件，设计了导体组件的辐照和热老化寿命试验方案，并开展了试验测试研究，获得电气贯穿件导体组件的辐照老化性能和热寿命方程模型，综合研究测试结果，可以得到以下结论：

1）导体组件在辐照试验后外观无明显变化，各项性能指标稳定，说明导体组件完全能够满足60年辐照老化寿命的要求，且辐照因素对导体组件机械密封相关力学性能指标的影响较小。

2）热寿命试验的导体组件，在进行试验的一段时间后，电气性能和密封性能均有一定程度的降低直到失效，说明热效应对导体组件填充制品材料的力学回弹性能产生了影响，进一步说明了热效应是引起导体组件失效的主要原因。

3）热寿命试验获得的热寿命曲线的线性相关性较高，符合Arrhenius现象，通过寿命方程模式外推结果表明导体组件在设计正常温度85 ℃的服务寿命远大于60年寿期的要求。