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核電廠安全殼內儀表與控制電纜的老化管理(一)

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摘要:在調研國際上核電廠安全殼內儀控電纜老化管理文獻資料的基礎上,介紹了儀控電纜的組成及老化機理,敘述了儀控電纜的環境鑒定、狀態監測、壽命評估等方面的內容,希望對國內開展此項工作有所幫助。
儀控;電纜;老化;安全殼;核電廠
隨著核電廠數量的增加及運行時間的延長,核電廠設備的老化效應越來越引起人們的關注,如何對核電廠的老化實施有效管理、確保在役核電廠的安全性和可靠性,引起了國際原子能機構(IAEA)和世界核電大國的嚴重關注,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和國際主要核能機構已發表了不少專題報告[1]-[4]。
我國的秦山、大亞灣核電廠投入運行已有10多年的歷史,雖然運行時間不是很長,但已面臨安全殼內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,國內還沒有對安全殼內儀控電纜老化評估及壽命管理的系統研究,筆者在相關文獻資料的基礎上,介紹核電廠安全殼內儀控電纜老化管理的內容,以期對開展這項工作有所幫助。
1儀控電纜及其使用環境
核電廠包含了成千上萬公里不同型號及規格的電纜,這些電纜構成了中壓動力回路、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,傳輸數字或模擬信號;控制電纜也是低壓、低容量的,應用于控制開關、泵、閥門等的操作機構、繼電器和接觸器的控制回路。
構成儀控電纜的主要部分有:導體、絕緣材料、屏蔽、護套、多芯導體間的填充物、外部包扎帶。所謂電纜的老化,指的是電纜結構中有機材料的老化。雖然填充物和外部包扎帶也是有機物,但對電纜老化的影響并不大,因此,研究的重點是針對絕緣材料和護套。
電纜所使用的絕緣體和護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儀控電纜的工作環境
安全殼內部儀控電纜放置在不同的使用環境下,最重要的影響因素是自然環境,主要是有氧氣存在時溫度、濕度、核輻照的影響,溫度、濕度、核輻照的值應從設計文件中取得。
在正常運行情況下,安全殼內不會受到濕度的影響。輻照的影響可從相關技術數據中獲得,在40年時間內,正常運行情況下,安全殼內輻照的最大累計值為3×107rad。安全殼內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電纜的老化機理
在現場環境下,電纜的絕緣和護套等聚合物材料隨著時間的推移會發生各種緩慢的、不可逆的化學變化和物理變化,這些變化就是電纜的老化過程。從宏觀上來看,表現為材料的延伸率降低,即材料的抗拉強度減弱;護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(如介質損耗增加)。
電纜的老化機理可分為影響分子結構的化學老化機理和影響材料混合物成分的物理老化機理。
2.1化學老化機理
(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,導致物質性質的改變。
(2)交聯反應:在2個相鄰高分子間共價鍵的結構發生交聯,使原先物質的有效成分減少。
(3)氧化反應:這是一種自由基的鏈式反應,在氧化反應開始階段,在溫度和輻照的影響下,由于共價鍵的斷裂而產生反應性物質,即自由基,氧化反應既導致斷鏈,又生成交聯,這取決于氧化鏈式反應過程中各階段的分子運動情況,它隨著聚合物中添加劑的不同而不同。
(4)氧擴散控制過程:聚合材料中自由基的初速率大于溶解氧擴散的速率時,老化快慢由氧擴散來控制。
(5)協同效應:當各個環境因素的綜合影響大于其各個單一影響之和時,會產生這種效應,如對聚合物而言,既受熱,又受到輻照。
2.2物理老化機理
(1)增塑劑蒸發:材料表面的增塑劑向周圍的空氣中揮發,其留下的空隙又被由材料的核心向表面擴散的增塑劑所填塞,這2種揮發和填塞的分子運動并存,強弱由溫度所決定。
(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到均衡狀態。


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