不同鉴定标准对核电站阀门鉴定的影响分析及评价

□龚 钊 曲昌明 张 卫 李栋梁

一、概述

HAF 102[1]和IAEA安全标准文件SSR-2/1[2]要求，必须采用设备鉴定来确认核电站安全重要物项能够在其整个设计运行寿期内满足处于需要起作用时的环境条件下执行其安全功能的要求。IAEA在安全报告系列文件的第46号文件[3]指出，通过设备鉴定，能够提高核电站纵深防御的能力。

鉴定是指：制造和维持证据以证明设备能够按要求运行以满足系统运行的要求。设备鉴定通常包括老化、抗震鉴定和环境鉴定。

阀门是核电站中重要组成部分。核电站运行的安全保障由大大小小的各种回路来实现，而实现其功能，管路上的各类阀门是必备的设备，阀门在各种工况下的可靠运行对核电站来讲至关重要。此外，核电站在设计上采用的安全准则是多重屏障和纵深防御，作为第三道屏障的相关设备，例如安全壳隔离阀和止回阀，对电站的安全性更有着不可或缺的作用。核电站安全级的阀门，必须通过鉴定的方式证明阀门能够满足该阀门所在系统对其的安全要求。

由于阀门的鉴定的重要性，核电站阀门鉴定工作越来越得到重视。其中阀门标准研究和建设是阀门鉴定工作的重要组成部分。目前国内主要使用的核电阀门鉴定的相关标准如表1所示。

正是有了完善的鉴定标准，阀门鉴定才能有据可依的进行。但是在鉴定实践中，发现对于同样的鉴定项目，不同的鉴定标准的要求却不完全一致，甚至会有冲突。如何选取适当的标准，成为阀门鉴定实践中的一个突出问题。

为了研究这个问题，本文结合国内核电阀门鉴定实际工作，找出了相关鉴定标准中不一致的鉴定项目：涉及到热老化试验、辐照试验、基频测定试验以及阀门执行机构的振动老化试验等；针对这些标准要求不一致的鉴定项目，本文逐一分析，并对其进行评价，以便更好地开展后续阀门鉴定工作。

表1 阀门鉴定的相关标准

二、热老化试验

热老化试验的目的是使设备在设计基准事件试验之前处于预计(热)寿命末期。

RCC-E对于热老化的要求引用了NF M64-001(1991版)“核事故环境的电气设备鉴定”，NF M64-001给出了热老化试验时间的计算公式为：

(1)

式中t为试验时间，θ为试验温度，最小试验温度为100小时。该计算公式未明确说明对应的鉴定时间，但根据M310工程实践，其对应的是鉴定寿命为40年时的热老化时间，如果鉴定寿命为其他时间，则相应进行比例换算。

IEEE 382对于热老化的要求引用了IEEE 1205-2000“核电站用1E级设备老化影响的评价、监视和减轻”，进行热老化试验的公式为：

t2/t1=exp{(φ/k)[(1/T2)-(1/T1)]}

(2)

式中t2为鉴定寿命，t1为热老化试验时间，φ为材料的活化能，k为波尔兹曼常数0.8617x10-4Ev/K，T1为正常使用的环境温度，T2为热老化的试验温度。IEEE 1205-2000并未对活化能做进一步规定，但在其他的标准或资料中，对于活化能有相关规定。

NB/T 20079对热老化的试验要求引用了GB/T 2423.2-2008“电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验B：高温”，并且规定：“如果缺少计算数据，可以使用10℃定律，40年寿命可使用135℃，950小时进行老化试验。”这个要求与RCC-E的要求相同。

NB/T 20093对老化的试验要求引用了GB/T 12727“核电厂安全系统电气设备质量鉴定”，NB/T 20086“核电厂安全级电气设备老化评估、监测和缓解”和IEEE 101-1987“热时效试验数据的统计分析指南”等标准。其中只有NB/T 20086给出了热老化公式，与IEEE 1205公式相同。

以环境温度40℃，试验温度135℃，活化能0.8eV，鉴定寿命40年为输入，可以根据RCC-E的计算公式得到热老化试验时间；设定不同的活化能数值，则可以根据IEEE 1205计算得到热老化试验时间。如表2所示。

表2 热老化试验时间示例

从表2可以看出，在其他输入一定的情况下，选取不同的活化能，对IEEE 1205计算得到的热老化试验时间影响很大；而RCC-E则为定值，等于IEEE 1205以活化能0.692eV计算的结果。

单个材料可能具有多种热退化的物理性质，因此，材料对每种性质表现出不同的活化能。选定的活化能是反映对执行安全功能或考虑设计基准事故作用于材料的应力有关的最重要的物理特性。然而，在实际惯例中，很少有这么简单的，阀门电动执行机构总是由多种材料组成。在很多情况下，所用材料的任何化学细节不明而只知道一个总的有机或工业商用名称，就是无法知道合适的活化能。当反映材料或部件以及感兴趣的物理特性的活化能无法得到时，一个单一保守的活化能得到了采用。虽然IEEE 1205对活化能未作深入论述，但其它标准或资料中有相关论述：一是EJ 1197明确，在活化能未知时，可选择不大于0.8eV的数值，除非另有材料试验可以证明，加速因子t2/t1应小于250，加速老化时间不应低于1,000h；二是EPRI基于170种材料提出了活化能的分布图[4]。西屋公司对活化能数据进行了分析研究，表明有95%的活化能都大约超过0.6eV。西屋公司认为，当具体活化能不可用时，则选定0.5eV用于热老化试验中。

因此，在进行阀门执行机构热老化试验时，如果使用IEEE 1205的计算公式，应对活化能进行分析，选取合理的活化能，否则保守起见，宜选用0.5eV，但此时其试验时间将大大超过RCC-E公式计算得到的试验时间。由此可见，选用RCC-E公式计算更加方便可行。

三、辐照试验

辐照试验包括辐照老化试验和事故辐照试验。辐照老化试验的目的是使设备在设计基准事件试验之前处于预计(辐照)寿命末期。事故辐照试验的目的是证明样机在事故辐照后的可运行性。辐照老化试验和事故辐照试验可以结合起来进行。

RCC-E(NF M64-001)和NB/T 20079对于阀门电动执行机构要求为：辐照老化的辐照剂量率为1KGy/h，累积剂量250KGy；安全壳内设计基准事故后辐照剂量率为1KGy/h，累积剂量600KGy。

IEEE 382等IEEE系列相关标准，以及NB/T 20093同样要求进行辐照老化试验和事故后辐照试验，要求按照规定的辐照记录进行试验，但未明确剂量率和剂量。

事实上，目前每个工程均有具体的辐照剂量要求，事故工况也从上述标准的设计基准事故延伸至严重事故。因此，在进行新样机的辐照试验时，应根据每个工程的具体要求进行。但是RCC-E给出了剂量率，因此在进行辐照试验时，建议辐照试验按照RCC-E给出的剂量率进行试验。

四、基频测定试验

基频测定试验的目的是确定固有频率。HAF J0053规定：动态特性探查试验的激励的输入幅值不大于0.2g；ASME QME-1(2007版)引用了IEEE 344-1987“核电站1E级设备抗震鉴定评定推荐规程”。IEEE 344 §7.1.4.1规定：扫频输入振幅为0.2g，此外为了避免设备损坏，可以调低输入振幅，或者考虑非线性而调高输入振幅；ASME QME-1(2002版)QVP-7341规定：对于振动台法进行基频测定时，输入正选扫描波的振幅不小于0.2g。其目的是为了保证输入振幅应足够以便能激励机构的共振；NB/T 20036.2 §6.4规定：探查性试验的正选扫描波的幅度不低于0.05g，建议用0.1g。

从上可以看出，不同的鉴定标准对基频测定试验的正选扫描波的输入幅值要求不一致。

当输出加速度响应值等于输入加速度响应值的3倍或更高因子时的最低频率，即为阀门的基频。一般而言，基频试验中，输入幅值越大，对鉴定设备的作用越大，更大的输入幅值可以避免其他因素的影响，从而保证能够产生激励机构的共振。通过上述标准的规定，可以看出ASME QME-1(2002版)更加保守，而且也是可以实现的，因此，建议基频测定试验的输入振幅不小于0.2g。

五、阀门执行机构的振动老化

振动老化试验提供的振动环境代表核电厂正常情况下的振动，包括系统运行瞬变过程和其他的动态振动环境。振动老化试验的目的是使执行机构在设计基准事件试验之前经历适当的振动老化。

RCC-E B3300要求设备考虑与安装条件有关的影响量(例如振动)，但并未给出具体要求；实际工程中，以往M310阀门电动执行机构技术要求中，规定阀门电动执行机构振动老化试验的扫描频率为每分钟1个倍频程；在NF M64-001中，通常要求扫描范围为10Hz-500Hz-10Hz；EJ/T 1197适用于参照法国RCC系列规范设计建造的压水堆核电厂安全系统电气设备进行质量鉴定的试验方法和环境条件。EJ/T 1197§5.4.5的振动老化试验引用了GB/T 2423.10-1995“电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Fc和导则：振动(正弦)”，GB/T 2423.10 §4.1.6规定扫描的速率应为每分钟1个倍频程；IEEE 382 §14.3规定，振动老化的扫描频率为每分钟2个倍频程，扫描范围5Hz-100Hz-5Hz；NB/T 20079在§5.4.5.1规定振动老化的试验条件和方法见GB/T 2423.10。(如前所述，GB/T 2423.10规定的扫描频率为每分钟1个倍频程)，但在§5.4.5.2又具体规定，振动老化的扫描频率为每分钟2个倍频程，扫描范围5Hz-100Hz-5Hz；NB/T 20093 §14.3规定，振动老化的扫描频率为每分钟2个倍频程，扫描范围5Hz-100Hz-5Hz。

可以看出，上述标准对于阀门执行机构的振动老化的倍频程和范围要求不完全一样。

(一)倍频程。RCC-E系列标准要求阀门电动执行机构的振动老化的扫描频率为每分钟1个倍频程；IEEE系列标准(NB/T 20093是按照IEEE 382编制，而NB/T 20079主要参考了NB/T 20093)要求阀门电动执行机构的振动老化扫描频率为每分钟2个倍频程。

可以看出，倍频程越小，扫描时间越长，效果越好。但是鉴于1倍频程和2倍频程没有本质冲突，并且由于IEEE 382、NB/T 20079和NB/T 20093的具体要求，许多鉴定实践中选择了2倍频程。因此建议如果已有的阀门电动执行机构，按照1倍频程或2倍频程鉴定均可以接受，但后续进行新的鉴定时，应根据研制技术规格书的要求，选择合适的倍频程。

(二)扫描范围。NFM64-001中，电气设备扫频范围通常为10～500Hz，对于一些特殊鉴定程序，在经过确认后可以使用不同的范围。而IEEE，NB系列标准的扫描范围均为5Hz-100Hz-5Hz。

由于目前未有对阀门执行机构实际运行使用环境的频率规定，因此，根据工程经验和实践，上述2种扫描范围均可，但在具体工程中，特别是需要重新试验鉴定的执行机构，应根据工程中具体规格书的要求执行。

六、结语

综上所述，目前阀门鉴定实践中，有一些鉴定项目存在鉴定标准要求有差异的情况。其中有的差异影响较大，例如动态特性探查试验的激励的输入幅值等。因此在进行新的阀门样机鉴定时，对于有可能造成影响的地方应特别关注，应按照规格书的要求选取合适的标准和方法。

此外，目前国内标准对于部分鉴定试验要求存在不一致的地方，后续相关国内核电阀门标准制定中，应对这些差异处进行更详细的分析，争取统一，以更好地进行国产化标准的建设。