反應堆儀控電纜絕緣降低原因分析及對策研究

涂彩清，李 偉，宋 雨，苑偉宇

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

1 電纜絕緣降低及初步處理情況

2004年5月，某核電機組熱試以后發(fā)現(xiàn)，儀控系統(tǒng)的電纜絕緣下降，進一步檢查確認，該系統(tǒng)從反應堆豎井到安全殼貫穿件之間的殼內電纜絕緣下降。分析表明，由于噴淋試驗以及空氣潮濕等原因，造成從反應堆豎井到安全殼貫穿件之間的殼內電纜孔道內聚集大量的水汽，并在反應堆豎井的電纜孔道端口處凝結，導致殼內電纜絕緣值下降。雖然該系統(tǒng)殼內電纜絕緣最低要求為0.5 MΩ，但從縱深防御的角度考慮，只要存在電纜絕緣下降的趨勢，在絕緣值降低到遠大于最低限值要求前就應該著手處理。

為了處理殼內電纜絕緣問題，通過分析比較以及多次試驗，確定了選用E1-Cast 1-F-5TAB型環(huán)氧樹脂將電纜接頭和電纜芯線焊接處的焊點密封、并在環(huán)氧樹脂表面涂抹防輻照漆的處理方案。由于環(huán)氧樹脂良好的密封性能，經過處理后，殼內電纜絕緣全部恢復到1 000 MΩ以上。但經過一段時間的運行，部分殼內電纜絕緣又出現(xiàn)下降趨勢，特別是裝料運行后，電纜絕緣下降趨勢更為明顯。

2 殼內電纜絕緣降低原因分析

2.1 電纜孔道設計不合理

反應堆豎井周圍的電纜孔道設計為橫向布置，且豎井壁處的電纜接頭處于電纜孔道內的相對低點，因此孔道內的凝結水和潮氣會聚集在電纜接頭處(如圖1所示)，造成電纜絕緣下降。

2.2 環(huán)氧樹脂開裂

2005年2月和10月，2根殼內儀控電纜通道絕緣值分別降低到100 MΩ以下，在反應堆豎井壁處剪下電纜接頭，分別測量電纜和電纜接頭的絕緣情況，結果發(fā)現(xiàn)，電纜絕緣情況良好，電纜接頭絕緣降低，更換電纜接頭以后電纜絕緣恢復正常。

2007年2月，機組小修期間，在反應堆豎井處進行檢查時發(fā)現(xiàn)，電纜接頭處存在大量凝結水，部分電纜接頭的環(huán)氧樹脂出現(xiàn)明顯開裂情況。關于環(huán)氧樹脂開裂的原因，與國內科研院所進行了交流，了解到：

(1) 工業(yè)上用于處理絕緣問題的環(huán)氧樹脂種類有數(shù)十種，有單一試劑加固化劑的(現(xiàn)場使用的就是這種類型)，也有雙試劑加固化劑的，后者使用效果較好；

(2) 根據(jù)其他核電工程所做試驗，用環(huán)氧樹脂處理電纜絕緣問題，其優(yōu)點是固化后硬度較高，缺點是脆性較大，不耐輻照，抗熱應力效果較差，能長期工作的環(huán)境溫度一般不超過80 ℃；

(3) 根據(jù)經驗，環(huán)氧樹脂在高輻照和溫度變化較大的環(huán)境中使用，可能出現(xiàn)裂縫。一般在沒有輻照的地方使用環(huán)氧樹脂，而在有輻照的地方使用硅橡膠或K1級的熱縮套管。

通過分析可知，殼內電纜絕緣降低的根本原因為：殼內電纜通道設計不合理，導致凝結水在反應堆豎井電纜接頭處聚集，而用于密封電纜接頭焊點的環(huán)氧樹脂在高輻照和溫度變化較大環(huán)境下開裂，導致潮氣滲入接頭焊點處，使得電纜絕緣降低。

3 殼內電纜絕緣問題處理方案可行性分析

3.1 殼內電纜絕緣問題處理總體思路

由于從反應堆豎井到安全殼貫穿件之間的電纜孔道無法完全密封，而反應堆在冷態(tài)和熱態(tài)時電纜孔道內溫度變化較大，因此當反應堆處于冷態(tài)時，不可避免地會在豎井的電纜接頭處產生凝結水。

在電纜接頭的環(huán)氧樹脂上涂抹的防輻照漆實際上并沒有起到防止環(huán)氧樹脂開裂的效果，因此，處理殼內電纜絕緣下降問題的關鍵在于對電纜接頭的處理，應使其在有凝結水的環(huán)境中仍能保持正常的絕緣。處理思路是考慮對殼內電纜進行整體更換或者對絕緣低的電纜通道進行個別處理。

對殼內電纜(包括電纜接頭)進行整體更換可以徹底解決絕緣下降問題，但這個方案所需費用高昂(根據(jù)機組建設期報價，材料費用大概需要數(shù)千萬元人民幣)，并且至少需要占用4個星期的大修主線，因此整體更換的方案在現(xiàn)階段不可行。

對于絕緣值低于或接近運行限值的電纜通道進行個別改造，費用較低并且可不占用大修主線時間，是現(xiàn)階段可行的處理方案。

通過分析，可以考慮以下3種處理方案：

(1) 更換電纜接頭；

(2) 在環(huán)氧樹脂上增加其他的密封材料；

(3) 加強電纜孔洞內電纜接頭的對流通風。

3.2 更換電纜接頭方案的可行性分析

電纜接頭上環(huán)氧樹脂開裂是導致殼內電纜絕緣降低的內在原因，因此更換電纜接頭并使用硅橡膠或K1級熱縮管作為密封材料，理論上可以解決電纜絕緣降低的問題。

在實驗室使用硅橡膠對電纜接頭進行了密封試驗后發(fā)現(xiàn)：由于儀控電纜接頭芯線較多(28芯)，而硅橡膠在固化前流動性較差，固化后無法完全包裹每個芯線焊點，密封效果不理想(如圖2所示)。

由于電纜接頭后側有一個5 mm的凸臺，只使用K1級熱縮套管密封的話，會導致在凸臺處密封不嚴密?？紤]到環(huán)氧樹脂良好的密封性能，可以考慮先用環(huán)氧樹脂密封接頭，隨后在環(huán)氧樹脂表面使用K1級熱縮套管密封。這樣一來，即使環(huán)氧樹脂由于輻照和熱應力影響出現(xiàn)開裂，也不會影響到電纜接頭的密封性能。

如果只更換電纜接頭而不更換電纜，在反應堆豎井處電纜接頭的重新焊接和密封處理將會帶來較大的異物風險，并可能占用大修主線時間；此外部分電纜預留長度不足，也無法滿足重新焊接的要求。因此，只能對電纜接頭連同電纜進行整體更換，先將接頭與電纜焊接，并對接頭進行預制后敷設到電纜孔道內，最后在安全殼貫穿件處重新端接。

整體更換方案的優(yōu)點：

(1) 可以對電纜接頭進行預制，并選用合適的密封材料對電纜接頭進行密封；

(2) 在經過測試合格后再將預制好的電纜和接頭安裝到電纜通道內，保證電纜絕緣滿足要求。

整體更換方案的缺點：

(1) 材料費用較高，殼內電纜、安全殼貫穿件端接材料和對接材料等都需要整體更換；

(2) 原有電纜橋架裕量較小，如果更換電纜數(shù)量較多，還需要重新搭建新的電纜橋架；

(3) 需要重新敷設電纜并進行貫穿件上的端接工作，工期較長。

3.3 在環(huán)氧樹脂上增加其他密封材料可行性分析

如能消除開裂、減少開裂或消除開裂的不利影響，使用環(huán)氧樹脂處理電纜絕緣下降問題的效果還是比較好的。環(huán)氧樹脂的開裂說明，在殼內電纜接頭上涂抹的防輻照漆可能并未起到防輻照的效果。如果能在環(huán)氧樹脂表面增加其他密封材料(如K1級熱縮套管)，減少環(huán)氧樹脂受輻照影響，那么，即使環(huán)氧樹脂有一些開裂，也能保證密封，這樣，絕緣降低問題在一定程度上可以得到解決。

從反應堆豎井處電纜接頭示意圖可以看出，在灌注了環(huán)氧樹脂以后，如果在環(huán)氧樹脂上再增加其他密封材料的話，由于電纜接頭與電纜孔道內壁的空間余量較小，電纜接頭可能無法回裝到電纜孔道內。因此可以考慮在接頭的法蘭處增加鋼襯，將電纜接頭的環(huán)氧樹脂部分移到電纜孔洞外面。

電纜接頭副翼直徑為50 mm，電纜直徑為25 mm，如果選用熱縮套管的話，其內徑必須大于50 mm，這樣套管熱縮到電纜上的厚度將超過5 mm，會導致電纜無法回裝到電纜孔道內，而且由于熱縮套管內徑過大，其密封效果也不好。經過比較，美國瑞侃公司生產的NJRT-1N型K1級熱縮帶熱縮后厚度可達2 mm左右。在實驗室對該熱縮帶的密封效果進行了驗證，發(fā)現(xiàn)其操作工藝簡便，密封性能優(yōu)良(如圖3所示)。

熱縮帶密封方案的優(yōu)點：不需更換電纜接頭，費用低，操作簡單，不需占用大修主線時間。

熱縮帶密封方案的局限：

(1) 固定螺栓加長后其強度會受到影響，需要使用高強度螺栓，需請專業(yè)機構對加長的螺栓是否滿足應力要求進行分析計算；

(2) 對電纜接頭進行處理時，需要在反應堆豎井處將電纜向外拉出20 cm左右，部分電纜長度裕量不足。

3.4 加強對流通風方案可行性分析

根據(jù)此前反應堆停堆時對電纜通道應急處理的經驗，將電纜從孔道中拔出一段距離，使用自然通風就可以在短時間內提高電纜絕緣。如果加強反應堆豎井電纜接頭處的對流通風，可以避免潮氣在接頭處聚集，從而提高電纜絕緣。

在機組正常運行時，反應堆豎井內的通風系統(tǒng)一直處于運行狀態(tài)，風量較大?？梢钥紤]在固定螺栓上增加比較厚的墊片，使得電纜孔道不密封，在電纜孔道中形成對流通風，自然風干接頭，有效避免凝結水在接頭處的聚集。

方案的優(yōu)點：

(1) 無需更換電纜接頭，也無需包裹熱縮帶，操作簡單；

(2) 對電纜長度裕量要求不高，只需在反應堆豎井處將電纜拉出2～3 cm即可操作。

方案的局限：電纜孔道內的接頭失去密封，輻照對于環(huán)氧樹脂的影響可能會加大，有可能加速環(huán)氧樹脂的開裂。

3.5 加長螺栓后的強度分析

增加密封材料的方案中采用了加長的螺栓并增加了套筒，使接頭的受力情況發(fā)生變化。為了保證接頭有足夠的強度，不致因接頭損壞對機組安全穩(wěn)定運行造成嚴重影響，需要對電纜接頭在反應堆豎井環(huán)境下的強度進行分析計算。

2009年6月曾委托專業(yè)機構對反應堆豎井環(huán)境下電纜接頭的強度(增加密封材料方案)進行了分析計算。分析對象包括法蘭盤、保護套筒和連接螺栓。

計算中對改造后的殼內接頭樣品結構和受力進行了詳細分析，采用了常規(guī)的計算分析和有限元分析。在ANSYS10.0環(huán)境下分別對關鍵部件進行了結構載荷分析、熱載荷分析和熱-結構耦合分析，計算與分析結果匯總見表1。

計算結果表明，各分析對象滿足使用條件和使用環(huán)境下的強度要求和剛度要求。從表1可以看出，各分析對象許用應力最小余量也大于50 %，即從結構強度看，接頭的改造方案可行。

4 方案驗證

由于反應堆儀控電纜對于機組安全運行非常重要，殼內電纜的絕緣改造的各種方案都應經過充分的分析、論證和驗證，最終選擇合適的處理方案。

表1 計算分析結果

曾有3根殼內電纜絕緣值低于運行限值，現(xiàn)已使用絕緣正常的其他備用電纜通道替代。選擇這3根有缺陷的電纜通道(分別標記為A，B，C)，對三種絕緣處理方案進行了驗證。

4.1 更換電纜接頭方案驗證

2010年4月機組大修期間，對電纜通道A進行了處理。實施方案如下：

(1) 按照圖紙，使用跟現(xiàn)場使用材料相同的材料焊接電纜接頭；

(2) 制作專用的灌澆模具，在電纜接頭處灌注環(huán)氧樹脂(見圖4)；

(3) 待環(huán)氧樹脂固化后在樹脂表面熱縮K1級熱縮套管(見圖5)；

(4) 將A電纜通道中的原來的電纜整體拆除，重新安裝預制好的電纜(見圖6)。

方案效果驗證：

(1) 更換完成以后，從2010年4月開始每月一次定期對A通道電纜絕緣進行檢查，其絕緣電阻值始終保持在500 MΩ以上；

(2) 更換電纜可與反應堆主線工作并行，不需要占用大修時間。

4.2 增加密封材料方案驗證

2008年10月機組小修期間，對電纜通道B進行了處理。

實施方案如下(參見圖7和8)：

(1) 按照瑞侃公司提供的標準，使用NJRT-1N型K1級熱縮帶對電纜接頭進行包裹；

(2) 在法蘭下增加2個長度為50 mm的半柱形不銹鋼支撐件；

(3) 將固定螺栓由M6×25變?yōu)镸6×75；

(4) 不銹鋼支撐件使用不銹鋼喉箍固定。

方案效果驗證：

電纜通道B進行干燥處理前電纜絕緣為0.6 MΩ，干燥處理后絕緣恢復到100 MΩ，隨后使用熱縮帶進行處理。從2008年11月開始，每月1次定期對該電纜通道絕緣進行檢查，絕緣值始終保持在100 MΩ以上。

4.3 加強對流通風方案驗證

2009年10月機組小修期間，對電纜通道C進行了處理。實施方案如下(參見圖9)：

(1) 將固定螺栓由M6×25改為M6×35；

(2) 在法蘭下、螺栓上增加一個約10 mm厚的墊片。

方案效果驗證：

電纜通道C在機組第1次大修期間絕緣值曾降至0.03 MΩ，使用風干的辦法也不能使其絕緣穩(wěn)定在1 MΩ以上。使用加強對流通風的方案處理后，從2009年12月開始每月1次對該電纜通道絕緣進行檢查，絕緣值始終保持在100 MΩ以上。

5 改造方案的確定

通過上述的驗證試驗，證明更換電纜接頭、增加密封材料、加強對流通風3個方案對處理殼內電纜絕緣降低問題都是可行的。

每個機組殼內電纜有數(shù)百根，目前絕大部分通道電纜絕緣值滿足運行限值要求。對電纜通道的改造將是一個長期的過程。后續(xù)改造策略如下：

(1) 對于電纜長度裕量較多的通道選用增加密封材料方案；

(2) 對于電纜長度裕量較少的通道選用加強對流通風方案；

(3) 對于絕緣不能恢復的通道選用更換電纜接頭方案；

(4) 制訂殼內電纜絕緣問題處理計劃，在保證質量并盡量不占用大修主線時間的原則下，在后續(xù)大修中分批對殼內電纜通道進行改造處理。