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   摘要：為了保證核電廠的運行安全，必須對1E級儀表進行環境鑒定。本文論述了核電站1E級儀表環境的鑒定方法和主要內容，并通過三代核電站和二代改進型核電站環境鑒定要求的對比，分析了三代核電站在1E級儀表環境鑒定技術中的改進。

    關鍵詞：1E級儀表；環境鑒定；鑒定要求對比

    Abstract: To ensure the safety of nuclear power plant, the class 1E instrument must be endured the  environmental qualification. This paper describes the procedure and approach to environmental qualification for class 1E instrument in nuclear power plants. Through the comparison of environmental qualification requirements between the third and  the second generation approved nuclear power plant, this paper analyzes the improvement of the third generation in the environment qualification of 1E instrument.

    Key words: Class 1E instrument; Environmental qualification; Comparison of Requirement

    1　引言

    為了減少由于環境影響而導致核電站1E級儀表共模失效的潛在可能，并證明1E級儀表有能力完成其安全設計功能，必須對1E級儀表進行環境鑒定。目前我國核電站的1E級儀表環境鑒定主要遵循GB、IEEE和RCCE系列標準。隨著國內核電技術的進步和發展，1E級儀表的環境鑒定技術逐漸完善，本文對三代核電站的1E級儀表環境鑒定技術進行了研究和分析，并與二代改進型核電站的1E級儀表環境鑒定技術進行了對比，詳細論述了1E級儀表環境鑒定技術的發展和完善。

    2　儀表環境鑒定方法[1]

    1E級儀表鑒定方法有試驗法、運行經驗法、分析法和組合法。

    試驗法是鑒定設備執行其安全功能的首選方法，它適用于大部分設備的質量鑒定。

    運行經驗法是指，已成功運行的設備可以被認為已經在嚴酷程度相同或較低的運行條件下經過質量鑒定。運行經驗能提供外推極限值、故障模式和故障率方面的資料。

    分析法是為了證明試驗件已經滿足或超過了對試驗件自身的要求，證明其可以在正常、異常、設計基準事故（DBE）環境下執行其指定的安全功能。分析法是建立在一些已成立的定理和部分試驗的數據的基礎之上。所有的這些假設，包括推理，都必須根據認可的定理或可信的試驗數據。

    組合法是指使用上述方法的任意組合對設備進行鑒定。

    3　環境鑒定分類

    在三代核電站的環境鑒定中，將環境分為和緩環境、輻射-嚴酷環境和嚴酷環境三類，如表1所示。

    3.1　和緩環境儀表鑒定

    和緩環境是正常運行工況和僅有抗震要求的設計基準事件（DBE）異常工況區域的環境狀態。應用于和緩環境的儀表，設備鑒定前應使用分析的方法確定其是否存在老化機理。

    位于此類區域內的且沒有明顯老化機理儀表可以不要求鑒定壽命。位于和緩環境的儀表存在顯著老化機理時，必須進行老化試驗，并且根據已知的顯著老化機理和可靠性數據確定儀表的設計壽命。

    3.2　輻射-嚴酷環境儀表鑒定

   高放射性環境是指設備所處環境高于一定輻射水平，無論其他的環境條件處于正常或非常狀態。當設備所處環境放射性累計劑量超過104rads（102Gy）（γ）[對設備中的I&C 電子和微處理器部件為103rads（10Gy）（γ）]時，環境鑒定試驗中應包括輻照老化試驗。

    3.3　嚴酷環境儀表鑒定

    嚴酷環境是指冷卻劑喪失事故（LOCA）、主蒸汽管道破裂（MSLB）或高能管道破裂（HELB）條件下安全殼內的環境和高HELB事故或LOCA 事故后安全殼外的環境。

    對處于嚴酷環境的設備進行鑒定應采取試驗法或者試驗加分析的方法。試驗應包括熱老化試驗和機械老化試驗、輻照試驗、極端環境條件試驗、地震和振動影響試驗。儀表的環境鑒定試驗應根據設備所處的特定工作環境，并考慮一定裕量，按照IEEE 323-2003規定的順序進行。

                               表1 和緩、輻射-嚴酷、嚴酷環境下的型式試驗[2]
                     

    4　環境鑒定內容

    AP1000 1E級儀表環境鑒定的要求和參數分為正常環境條件、異常環境條件和設計基準事件（地震、DBE和DBE后）三種情況。

    不需要耐受DBE環境條件的設備，只需對正常和異常環境條件進行鑒定即可；需要耐受DBE環境條件的設備首先應滿足正常和異常環境條件下的鑒定，其次滿足DBE和DBE后環境鑒定。下面僅對環境鑒定的內容進行分析，對于抗震鑒定和DBE部分不作論述。

    4.1　老化

    首先對儀表進行評估以確認其是否存在潛在的顯著老化機理。這種老化可能導致設備性能退化，進而漸漸地使設備失效，使其不能在DBE條件下執行安全功能。

    （1）磨損老化（機械/電子）

    周期性操作的或頻繁操作的設備會發生機械內構件的周期性老化和磨損。對設計過程中存在顯著機械或電子老化機理的設備，在DBE試驗之前應先進行機械/電子老化試驗。如果鑒定試驗程序中沒有進行磨損老化，則必須進行合理的分析。

    （2）熱老化

    熱老化試驗是用來模擬設備在壽命末的退化影響。

    熱老化試驗等效的壽命通過阿倫紐斯定律和材料的活化能來計算。首先對儀表中各種材料的活化能進行分析，從對安全相關功能影響最大的活化能中選擇一個最保守的值。在適當條件下，需考慮源于溫度變化的材料熱疲勞損傷。

    （3）輻照老化

    輻照老化試驗是模擬設備在壽期末輻照老化影響。輻照老化應當考慮預期壽命內和DBE條件下所受γ輻照劑量總和的影響。位于嚴酷或是輻射-嚴酷環境的設備都要進行輻照老化試驗。基于偏保守的考慮，在地震和模擬事故環境工況試驗前進行輻照老化試驗。

    測試中受到的總輻照劑量（TID）包括正常、事故的劑量，等于或是超過要求輻射劑量的最高值。

    （4）振動老化

    應對產生的不同程度的磨損和振動進行評估以明確潛在的顯著設備老化。振動老化（非地震）應考慮自身引入的振動和來自管道、泵、電動機等運行振動。非地震性的振動可能產生疲勞受損、機械磨損、公差調整度喪失、部件松動等現象。非地震性振動老化試驗應在抗震測試之前進行。

    IEEE382-2006對電廠正常運行時管裝設備正常運行所造成的運行振動進行了明確要求。通過對設備進行以每分鐘2倍頻程從5Hz~100Hz~5Hz的正弦拍波試驗，對振動老化引起的潛在疲勞影響進行評估。設備應在每個正交軸向進行90分鐘的振動試驗。以低頻狀態下0.75g（7.36m/s2）加速度或減速度的正弦信號為輸入信號，將雙振幅限定在0.635mm以內[3]。

    4.2　電磁兼容性

    電磁和射頻干擾（EMI/RFI）可能是來自于操縱員向控制盤、外殼或機柜的靜電釋放，或是對講機、手機、收音機和電視等相關的設備。

    電磁兼容性（EMC）鑒定必須遵循NRC管理導則1.180進行型式試驗。NRC管理導則R.G. 1.180是關于核級設備的導則，當非核級設備也要滿足核級設備的要求時，也可參照此導則。R.G. 1.180給出EMC鑒定方法，并且同樣認可基于EPRI典型報告TR-102323的試驗準則和方法。[4]、[5]

    儀控和電子設備的EMC鑒定標準用來保證設備性能和可用性。并且，相關分析不能作為設備EMC鑒定的主要方法，必須通過試驗來論證其EMC性能。

    5　三代核電站環境鑒定技術改進

    三代核電站對1E級儀表鑒定的特定環境條件和運行條件所存在的各種因素都做了詳細的要求，并作了充分評價。下面從五個方面描述三代核電站在1E級儀表環境鑒定技術方面的改進。

    （1）事故后可操作時間

    三代核電站對于不同儀表有不同的可操作時間要求，用DBE后的熱老化試驗時間來表示DBE后儀表的可運行時間。

    （2）淹沒

    三代核電站不同環境區域的儀表在DBE模擬事故試驗時施加一個最小16.5 psig（113.65 KPa）的壓力，淹沒安全殼內的液體初始的PH值為4.5的硼酸溶液，pH值在事故后的數小時內增加到7.80~7.85之間。

    （3）輻照老化試驗

    三代核電站要求，當設備所處環境放射性累計劑量超過104rads（102Gy）（γ）[對設備中的I&C電子和微處理器部件為103rads（10Gy）（γ）]時，則應進行輻照老化試驗。

    （4）鑒定壽命

    三代核電站1E級儀表鑒定壽期的目標為60年，當達不到60年的壽期要求時，應確定一個短期的鑒定壽命，并提供設備的更換程序文件。二代改進型核電站參考的RCCE中沒有明確鑒定壽命的說法，但一般情況下，機械部件要求40年，電子部件要求10年。

   （5）振動老化

    三代核電站設備以每分鐘2倍頻程從5Hz~100Hz~5Hz的正弦拍波試驗，對振動老化引起的潛在疲勞影響進行評估，設備應在每個正交軸向進行90分鐘的振動試驗。二代改進型核電站根據RCC-E D2221給出了各設備的振動老化試驗頻率為10~2000Hz。[6]

    6　結語

    綜上所述，1E級儀表是核電站安全系統保持其安全功能的重要保障，是核電廠安全縱深防御的重要環節。通過對1E級儀表環境鑒定條件的分析和研究，確認了可能影響1E級儀表安全功能的潛在因素，根據標準和規范的要求，運用正確的方法對1E級儀表進行環境鑒定，杜絕共模故障發生的可能。

    參考文獻：

    [1] IEEE323-2003 IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations.

    [2] APP-GW-VP-040 AP1000 Safety-Related Field Sensors Equipment Qualification Specification.

    [3] IEEE382-2006 IEEE Standard for Qualification of Safety-Related Actuators for Nuclear Power Generating Stations.

    [4] R.G.1.180 Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interference in Safety-Related Instrumentation and Control Systems.

    [5] TR-102323 Guidelines for Electromagnetic Interference Testing in Power Plants.

    [6] RCC-E D2221 Normal Ambient Conditions.

    作者簡介

    劉松林（1981-），男，山東淄博人，工程師，碩士研究生，現就職于中國核電工程有限公司，主要從事核電站核輔助系統的儀控設計和科研方面的工作。

    張楠（1981-），男，河北安國人，工程師，碩士研究生，現就職于中國核電工程有限公司，主要從事核電站核輔助系統的儀控設計和科研方面的工作。

    王蘭蘭（1985-），女，江蘇鹽城人，助理工程師，本科，現就職于中國核電工程有限公司，主要從事核電站核輔助系統的儀控設計和科研方面的工作。