??????? 摘要：在調(diào)研國際上核電廠安全殼內(nèi)儀控電纜老化管理文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，介紹了儀控電纜的組成及老化機(jī)理，敘述了儀控電纜的環(huán)境鑒定、狀態(tài)監(jiān)測、壽命評估等方面的內(nèi)容，希望對國內(nèi)開展此項工作有所幫助。?
??????? 儀控；電纜；老化；安全殼；核電廠?
??????? Abstract: Based on surveying the documents of the management of ageing of in-containment instrumentation and control cables used in NPPs, this paper briefly
???????? introduces the I&C cable construction and degradation mechanism, and describes?
??????? such aspects as the environmental qualification, condition monitoring methods,
???????? life prediction etc. of I&C cable, which, as authors hope, will be helpful for?
??????? launching the research in this field in China.?
??????? Key words: Instrumentation and Control; Cable; Ageing; Containment; NPP?
??????????? 隨著核電廠數(shù)量的增加及運(yùn)行時間的延長，核電廠設(shè)備的老化效應(yīng)越來越引起人們的關(guān)注，如何對核電廠的老化實(shí)施有效管理、確保在役核電廠的安全性和可靠性，引起了國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和世界核電大國的嚴(yán)重關(guān)注，并已開展了廣泛的工作。作為核電廠安全重要部件之一，安全殼內(nèi)儀表與控制電纜的老化評估與管理也得到了深入的研究，取得了較多的研究成果。IAEA和國際主要核能機(jī)構(gòu)已發(fā)表了不少專題報告[1]-[4]。?
??????????? 我國的秦山、大亞灣核電廠投入運(yùn)行已有10多年的歷史，雖然運(yùn)行時間不是很長，但已面臨安全殼內(nèi)儀控電纜的老化問題，隨著服役時間的增加，這一問題會更加突出。目前，國內(nèi)還沒有對安全殼內(nèi)儀控電纜老化評估及壽命管理的系統(tǒng)研究，筆者在相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，介紹核電廠安全殼內(nèi)儀控電纜老化管理的內(nèi)容，以期對開展這項工作有所幫助。?
??????????? 1 儀控電纜及其使用環(huán)境?
??????????? 核電廠包含了成千上萬公里不同型號及規(guī)格的電纜，這些電纜構(gòu)成了中壓動力回路、低壓動力回路、控制回路、儀表回路、接地回路等，表1為雙機(jī)組核電廠各種回路的分布情況?
??????????? 1.1 儀控電纜的用途及組成?
??????????? 儀表電纜是一種低壓、低容量的電纜，連接各種各樣的變送器、傳感器，傳輸數(shù)字或模擬信號；控制電纜也是低壓、低容量的，應(yīng)用于控制開關(guān)、泵、閥門等的操作機(jī)構(gòu)、繼電器和接觸器的控制回路。?
??????????? 構(gòu)成儀控電纜的主要部分有：導(dǎo)體、絕緣材料、屏蔽、護(hù)套、多芯導(dǎo)體間的填充物、外部包扎帶。所謂電纜的老化，指的是電纜結(jié)構(gòu)中有機(jī)材料的老化。雖然填充物和外部包扎帶也是有機(jī)物，但對電纜老化的影響并不大，因此，研究的重點(diǎn)是針對絕緣材料和護(hù)套。?
??????? 電纜所使用的絕緣體和護(hù)套的組成是由一些添加劑和填料合成的聚合材料，在核電廠中，儀控回路使用乙烯基、丙烯基合成的橡膠，玻璃纖維，以及以氯磺化聚乙烯、聚乙亞胺等為絕緣材料的電纜。?
??????????? 1.2 儀控電纜的工作環(huán)境?
??????????? 安全殼內(nèi)部儀控電纜放置在不同的使用環(huán)境下，最重要的影響因素是自然環(huán)境，主要是有氧氣存在時溫度、濕度、核輻照的影響，溫度、濕度、核輻照的值應(yīng)從設(shè)計文件中取得。?
??????????? 在正常運(yùn)行情況下，安全殼內(nèi)不會受到濕度的影響。輻照的影響可從相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)中獲得，在40年時間內(nèi)，正常運(yùn)行情況下，安全殼內(nèi)輻照的最大累計值為3×107rad。安全殼內(nèi)的儀控電纜一般不會受到震動的影響，除非有特殊要求，否則，不考慮由于震動引起的老化問題[5]。?
??????????? 2 電纜的老化機(jī)理?
??????????? 在現(xiàn)場環(huán)境下，電纜的絕緣和護(hù)套等聚合物材料隨著時間的推移會發(fā)生各種緩慢的、不可逆的化學(xué)變化和物理變化，這些變化就是電纜的老化過程。從宏觀上來看，表現(xiàn)為材料的延伸率降低，即材料的抗拉強(qiáng)度減弱；護(hù)套材料的硬度或抗壓模量增大；材料的密度增加；電氣性能改變(如介質(zhì)損耗增加)。?
??????? 電纜的老化機(jī)理可分為影響分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)老化機(jī)理和影響材料混合物成分的物理老化機(jī)理。?
??????????? 2.1 化學(xué)老化機(jī)理?
??????????? （1）高分子鏈斷裂：一個高分子鏈斷裂為2個或多個新鏈，一般為烷氧基或過氧化根斷鏈，導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)的改變。?
??????????? （2）交聯(lián)反應(yīng)：在2個相鄰高分子間共價鍵的結(jié)構(gòu)發(fā)生交聯(lián)，使原先物質(zhì)的有效成分減少。?
???????  ?? （3）氧化反應(yīng)：這是一種自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在氧化反應(yīng)開始階段，在溫度和輻照的影響下，由于共價鍵的斷裂而產(chǎn)生反應(yīng)性物質(zhì)，即自由基，氧化反應(yīng)既導(dǎo)致斷鏈，又生成交聯(lián)，這取決于氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中各階段的分子運(yùn)動情況，它隨著聚合物中添加劑的不同而不同。?
??????????? （4）氧擴(kuò)散控制過程：聚合材料中自由基的初速率大于溶解氧擴(kuò)散的速率時，老化快慢由氧擴(kuò)散來控制。?
??????????? （5）協(xié)同效應(yīng)：當(dāng)各個環(huán)境因素的綜合影響大于其各個單一影響之和時，會產(chǎn)生這種效應(yīng)，如對聚合物而言，既受熱，又受到輻照。?
??????????? 2.2 物理老化機(jī)理?
??????????? （1）增塑劑蒸發(fā)：材料表面的增塑劑向周圍的空氣中揮發(fā)，其留下的空隙又被由材料的核心向表面擴(kuò)散的增塑劑所填塞，這2種揮發(fā)和填塞的分子運(yùn)動并存，強(qiáng)弱由溫度所決定。?
??????? （2）增塑劑遷移：在使用增塑材料的多層電纜中，增塑劑在不同材料層間遷移，直到各層材料中的增塑劑達(dá)到均衡狀態(tài)。
??????? 3 環(huán)境鑒定?
??????????? 為了保證電纜的設(shè)計裕度，必須采用環(huán)境鑒定的方法，通過加速老化試驗(yàn)，模擬電纜在運(yùn)行壽期末經(jīng)受設(shè)計基準(zhǔn)事件，驗(yàn)證電纜可以保證其功能，從而證明電纜在服役期的可靠性能。許多國家環(huán)境鑒定依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE-323[6]、IEEE-383[7]，前者是針對核電廠所有1E級設(shè)備的一個通用的標(biāo)準(zhǔn)，后者敘述了針對1E級電纜的試驗(yàn)方案。?
??????????? 3.1 加速老化試驗(yàn)?
??????????? 在正常運(yùn)行時，濕度、化學(xué)物質(zhì)等對電纜的老化影響很小，加速老化試驗(yàn)是模擬電纜在實(shí)際運(yùn)行中受到的熱、輻照等環(huán)境因素，表3為主要核電大國進(jìn)行熱老化和輻照老化的試驗(yàn)條件[8]。?
??????????? 不管是熱老化還是輻照老化，試驗(yàn)容器都是通風(fēng)的，這樣可以模擬安全殼內(nèi)氧氣的存在。?
??????????? （1）進(jìn)行聚合物的熱老化，普遍應(yīng)用Arrhenius方程：?
??????????? ts/ta=exp[Ea/B(1/Ts-1/Ta)]?
??????????? 其中：Ts為在役溫度，Ta為加速老化溫度，ts為對應(yīng)于在役溫度Ts的老化時間，ta為對應(yīng)于加速老化溫度Ta的老化時間，Ea為活化能，B為波爾茨曼常數(shù)。?
??????????? Arrhenius方程既可用于在給定的測試時間下求取加速老化溫度，也可用于在給定的加速老化溫度下求取測試時間。但該方程受制于以下3個條件：老化僅由單一化學(xué)反應(yīng)所引起；就是對同一種材料，在不同的溫度范圍內(nèi)，其活化能是不同的；通過在不同溫度和時間范圍內(nèi)對材料的樣本進(jìn)行試驗(yàn)，得到諸如老化時間及溫度條件的試驗(yàn)參數(shù)。這樣，某一材料在一定范圍內(nèi)的時間與溫度的對應(yīng)關(guān)系外推至另一范圍時，有可能不一定成立。?
??????? 確定活化能的精確值是加速老化試驗(yàn)的關(guān)鍵，除了通常采用的伸長測量法之外，還有微觀量熱法、氣體分析法、化學(xué)發(fā)光法等。?
??????????? （2）對大多數(shù)有機(jī)材料而言，輻照的影響僅與材料受到的輻照總量有關(guān)，而與輻照率及種類無關(guān)，這就是等量劑量/等量損傷的模式。輻照老化采用伽瑪源，如鈷60，在輻照率不大于1Mrad/hr的情況下，針對正常運(yùn)行條件，加速老化劑量可達(dá)50Mrad。如果不止一種放射源，則可依此進(jìn)行試驗(yàn)。?
??????????? （3）對大部分材料來說，對其進(jìn)行熱老化及輻照老化的試驗(yàn)并沒有嚴(yán)格的先后次序，一般來說，先進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，再進(jìn)行輻照老化試驗(yàn)，然后是主管道破裂（MSLB）及失水事故（LOCA）條件下的試驗(yàn)。?
??????????? 在某些情況下，如有氧環(huán)境，對于某些材料如PVC制成的護(hù)套，加速老化時要考慮輻照率和老化次序的協(xié)同效應(yīng)的影響。氧氣對老化的作用很顯著，在試驗(yàn)容器中，要保證氧氣的供給。?