核电厂电缆老化管理大纲的开发

南华大学电气工程学院 欧阳宏志中国核动力核反应堆系统设计技术国家级重点实验室 游 洲 刘文静 李 朋



核电厂电缆老化管理大纲的开发

南华大学电气工程学院 欧阳宏志
中国核动力核反应堆系统设计技术国家级重点实验室 游 洲 刘文静 李 朋

【摘要】电缆是核电厂中重要的电气设备，影响着电厂的安全性和可靠性。为了使电缆老化管理活动有章可循，以IAEA的系统化老化管理理念为指导，介绍了核电厂电缆老化管理大纲开发的主要内容，包括老化管理的要求、筛选原则、老化机理分析方法、老化效应的评估、状态监测方法和缓解措施、老化管理大纲与其他大纲的协调等。最后对我国核电厂电缆老化管理的实施提出几点建议。

【关键词】电缆；老化机理；老化管理大纲；状态监测；寿命管理目前全世界正在运行的核电动力堆中，49%已经运行了30年以上，其中有7%已经运行了40年以上，还有一些动力堆已经或即将进入设备老化和退役阶段([1])。核电厂设备的老化会降低电厂的核安全水平，同时也是影响延寿运行的主要不利因素。有效的老化管理过程，是以全面的认知设备及其老化引起的性能降质和这种降质对该部件执行功能的影响为基础和先决条件，通过整合、优化现有与老化管理相关的大纲、活动来实现的。电缆是构成核电厂仪表和控制系统的重要部件，与核电厂的安全运行紧密相关。20世纪90年代以来，电缆的老化管理和状态监测技术一直是国际核电领域研究的热点问题，国际原子能机构（IAEA）定期组织研讨会专门讨论该议题。老化管理大纲是核电厂开展设备老化管理工作的主体文件，用以确保核电厂安全重要设备的完整性和执行功能的能力。为电缆制定有效的老化管理大纲，以便能够及时探测并缓解其老化效应，从而保障核电厂安全、经济地运行。

1 核电厂电缆简介

一座核电厂包含成千上万千米的电缆和导线，大致可归为以下几类：

●仪表和控制电缆（同轴、三同轴、双绞、屏蔽等类型）；

●低压电力电缆（电压低于1 kV）；

●中压电力电缆（例如，6 kV-35 kV）；

●一般功能电缆（接地电缆、通信电缆等）。

仪表和控制电缆(以下简称仪控电缆)的主要组成部分有：导体、绝缘材料、屏蔽层、护套、多芯导体间的填充物、外部包扎带。与核电厂电缆老化相关的应力主要有：热应力、电应力、机械应力、辐射应力、化学应力(氧气、臭氧、潮湿/湿度)、污垢、灰尘及其他污染因素。在上述应力中，氧气、湿度、污垢、灰尘及其他污染并不能直接产生影响，但它们能强化其他应力的作用效果，从而导致电缆材料（重点是绝缘材料和护套）的老化。需要特别指出的是，某种形式的老化可由两种或多种应力造成，某种应力能加速另一种应力的作用效果。

2 核电厂老化管理的要求

核电厂电缆老化管理应以对老化机理的理解为核心，采取国际原子能机构提出的计划-运行-检查-行动循环（戴明循环）管理的系统老化管理模式，并将该模式中的各项要素融合在老化管理活动中。

图1 系统的老化管理要求

图1给出了老化管理的戴明循环过程。其中，“计划”活动旨在通过协调所有与老化管理相关的大纲和活动使老化管理的效益最大化；“运行”的目的在于按照操作程序和限制，合理使用相关电缆，使得预期的退化最小化；“检查”是要通过检查和监测及时发现和辨别电缆的任何退化，通过评估已发现的退化确定需要采取的纠正或缓减措施，以及具体实施的时间；“行动”是经过对有关电缆的适当维护（包括维修或更换），适时缓解、纠正电缆的退化。老化管理过程的循环表明：需要根据当前对电缆的理解和评估以及同行审查的结果，结合对老化管理深化研究及改进状态监测技术，不断升级完善电缆的具体老化管理大纲。每完成一次循环，对电缆老化的认识和管理应上升一个层次。

3 核电厂老化管理范围的筛选

核电厂的电缆数量众多，规格不一，铺设路径复杂，如果对每一根电缆的老化程度进行评估，既不现实，也无必要。因此可以对其进行筛选，分级别进行管理。应该把电缆的安全级别和所处环境的恶劣程度作为筛选的主要原则，结合国内外的经验反馈，科学有序地进行老化管理活动。

通过筛选得到老化管理关注电缆清单，依据电缆清单应进一步开展电缆的老化管理优先级分析。IAEA NS–G-2.12中将老化管理关注电缆优先级分为三级，即AM-1（老化管理1级电缆，核电厂老化管理最优先关注的电缆) 、AM-2（老化管理2级电缆，应当持续关注的电缆）、AM-3（老化管理3 级电缆，应关注业界经验反馈）。针对不同的老化管理级别制定相应的老化管理活动，并利用对电缆实施老化管理过程中得到的信息，进一步优化识别结果。

4 核电厂电缆老化机理分析方法

老化机理分析应在广泛收集国内外研究成果、管理经验的基础上开展工作，特别是国际原子能机构关于仪控电缆方面的技术报告、国际核电厂通用老化经验（即IGALL报告）以及美国的核电厂通用老化经验（即GALL报告）[2-3]。通过对电缆的设计特点、结构、材料、制造和运行条件的分析，对可能存在的老化机理进行梳理、分析和评价，明确存在的老化机理及其敏感部位、失效模式、对功能的影响和主要监测方法、缓解措施和寿命评估方法等。老化机理分析应形成报告。

5 核电厂电缆老化效应的监测和缓解

定期对电缆进行监督和检查在电缆老化管理中处于关键的地位，有利于核电厂运营者在电缆安全性能丧失之前，发现部件严重降质并确定降质性质。电缆老化状态监测就是根据电缆绝缘层、护套材料的具体情况，选择合适的、足以反映其老化状态的特征参数，使用合适的监测仪器和监测手段，分析电缆当前老化状态，评估其功能的完整性。它能够识别出在最初鉴定试验中没有表现出来的老化机理和初始故障，能评估电缆剩余使用寿命，是现今电缆老化管理最重要的手段之一。由于电缆材料众多，至今没有一种状态监测技术能够满足全部种类的电缆并达到理想情况，可以考虑将多种监测技术组合起来，必要时进行电缆留样。当发现电缆存在老化迹象时(如护套龟裂、变色、状态指标变化过快等)，应评估电缆的老化程度及其对电缆功能的影响，并根据评估结果采取必要的维修活动。

6 核电厂电缆老化管理大纲的持续优化

根据电缆老化管理大纲的戴明循环模式，其实施过程中需要不断地优化。营运公司各级老化管理大纲由核电厂最高管理层批准生效，全厂大纲通过每10年一次的综合评审来实现对文件内容的优化，设备管理大纲、专项老化管理大纲通过每年联合各相关部门组织的自我评审来优化和完善。电缆老化管理大纲审查中产生的电缆老化管理行动将定期或不定期地补充进入可执行的老化管理相关大纲中，在老化管理相关大纲升版、批准生效之前，电缆老化管理大纲审查中产生的电缆老化管理行动将形成单独文件并有效执行[4]。另外，面对任何新出现的老化事件，应开展经费充足的研究和开发项目，从而为电缆老化机理的研究和理解、老化动力学过程、老化相关的监控和缓解方法或措施等方面的研究提供持续的技术支持。

7 结束语

电缆老化管理大纲的开发要考虑综合性、主动性和系统性。综合性是指电缆老化管理大纲的编制、实施和优化应由多方参与，核电厂各部门应有共同的认识、足够的管理和资源支持，用以保证电缆老化管理大纲的技术评估和管理策略是详尽的、高质量的，确保大纲行动的实施；主动性是指电缆老化管理应主动地贯彻于核电厂的整个寿命期间，包括役前、运行和退役阶段；系统性是指应建立有效的电缆老化管理策略，对特定设备建立一个专用的戴明循环似的系统老化管理流程。

根据笔者开发电缆老化管理大纲的经验，提出以下几点建议[5]：（1）在充分消化国外先进核电厂老化管理经验，特别是GALL报告和IGALL报告的基础上，结合我国国情，建立核电厂电气和仪控设备老化管理标准体系；（2）电缆的筛选是电缆老化管理具体工作的第一步，应把握安全重要性的主要原则，可以用模糊理论解决分级管理的问题；（3）电缆的状态监测技术是国际核电界研究的热点，应该增加投入，开展基础性研究，寻求更加理想的监测方法，以缩小我国与发达国家的差距；（4）电缆的剩余寿命预测（主要是热老化模型和辐照老化模型）在电缆老化管理中占重要地位，对处于加速老化的电缆或是自然环境中的电缆进行寿命评估都非常有帮助，但也要注意模型的局限性，例如对于活化能的测定、老化试验的顺序及协同效应等；（5）仪控电缆回路占据了所有电缆回路的五分之四以上，所以，将仪控电缆，特别是将环境条件恶劣的安全壳内的仪控电缆作为老化管理的研究对象具有典型意义。

我国大多数核电厂运行时间不长，老化管理方面的工作还处于起步阶段，目前也只有秦山一厂在考虑延寿问题，而老化管理是一项系统性的工程，需要多方面共同参与，构建一个共同的交流平台。核电领域各阶层要引起重视，核电厂营运者要培养员工老化管理中的核安全意识。电缆是核电厂安全重要部件之一，被喻为核电厂的“中枢神经”，只有在技术和管理两个层面对电缆老化管理进行全面研究，建立完善的老化管理体系和延寿体系，才能提高核电厂运行的安全性、可用性和经济性，为我国核电行业又快又好地发展保驾护航！

参考文献

[1]国际原子能机构.2014年核安全评论[M].维也纳:国际原子能机构,2014.

[2]NRC.NUREG 1801 Generic Aging Lessons Learned (GALL) Report[R].Washington D.C.,2010.

[3]龚嶷,窦一康.美国核电厂GALL报告解读[J].核安全,2014, 5(10):88-94.

[4]焦丽玲.核电厂机械设备老化管理大纲内容探讨[J].核标准计量与质量,2012,4(15):14-16.

[5]马明俊,周拥辉,张建等.核电厂老化和寿命管理现状与进展[J].核安全,2011,5(10):12-14.

欧阳宏志（1982－），男，湖南衡阳人，副教授，主要从事电工电子技术的教学及核电厂仪控电设备老化管理的研究工作。

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