??????? 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資料的基礎(chǔ)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(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(gòu)（IAEA）和世界核電大國的嚴重關(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(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(jié)構(gòu)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(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 電纜的老化機理?
??????????? 在現(xiàn)場環(huán)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(fā)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(xiàn)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(zhì)損耗增加)。?
??????? 電纜的老化機理可分為影響分子結(jié)構(gòu)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(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式反應(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)既導致斷鏈，又生成交聯(lián)，這取決于氧化鏈式反應(yīng)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(xié)同效應(yīng)：當各個環(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散的增塑劑所填塞，這2種揮發(fā)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(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，模擬電纜在運行壽期末經(jīng)受設(shè)計基準事件，驗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)的標準是IEEE-323[6]、IEEE-383[7]，前者是針對核電廠所有1E級設(shè)備的一個通用的標準，后者敘述了針對1E級電纜的試驗方案。?
??????????? 3.1 加速老化試驗?
??????????? 在正常運行時，濕度、化學物質(zhì)等對電纜的老化影響很小，加速老化試驗是模擬電纜在實際運行中受到的熱、輻照等環(huán)境因素，表3為主要核電大國進行熱老化和輻照老化的試驗條件[8]。?
??????????? 不管是熱老化還是輻照老化，試驗容器都是通風的，這樣可以模擬安全殼內(nèi)氧氣的存在。?
??????????? （1）進行聚合物的熱老化，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)對材料的樣本進行試驗，得到諸如老化時間及溫度條件的試驗參數(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、化學發(fā)光法等。?
??????????? （2）對大多數(shù)有機材料而言，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，針對正常運行條件，加速老化劑量可達50Mrad。如果不止一種放射源，則可依此進行試驗。?
??????????? （3）對大部分材料來說，對其進行熱老化及輻照老化的試驗并沒有嚴格的先后次序，一般來說，先進行熱老化試驗，再進行輻照老化試驗，然后是主管道破裂（MSLB）及失水事故（LOCA）條件下的試驗。?
??????????? 在某些情況下，如有氧環(huán)境，對于某些材料如PVC制成的護套，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，在試驗容器中，要保證氧氣的供給。?