核電廠安全級設(shè)備鑒定及技術(shù)發(fā)展的探討

李 亮，范 瑾，唐立學(xué)，馮 燕，*

（1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠安全級設(shè)備鑒定及技術(shù)發(fā)展的探討

李 亮1，范 瑾2，唐立學(xué)2，馮 燕1，*

（1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠安全級設(shè)備鑒定是保障電廠安全功能完整的一項(xiàng)重要措施，也是核安全文化的重要體現(xiàn)。但是，目前設(shè)備鑒定存在著諸多理解偏差或缺失。本文結(jié)合核安全設(shè)計(jì)理念，闡述了設(shè)備鑒定的基本流程和方法以及具體的實(shí)施原則，指出了設(shè)備鑒定技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展方向，從而為建立一個(gè)整體的設(shè)備鑒定體系提供參考和依據(jù)。

核電廠；安全級設(shè)備鑒定；核安全文化

核電是一種經(jīng)濟(jì)、清潔的能源，可有效解決日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。隨著兩個(gè)核電規(guī)劃的通過，核電建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大。核電廠安全級設(shè)備用于保障電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此必須要經(jīng)過設(shè)備鑒定［1］。但是，核電廠安全級設(shè)備鑒定目前仍存在著許多理解偏差或缺失，例如：設(shè)備鑒定在核電廠壽期各個(gè)階段的作用和實(shí)施要求；設(shè)備鑒定的出發(fā)點(diǎn)、思想方法和實(shí)施原則；設(shè)備鑒定與核安全設(shè)計(jì)理念、縱深防御策略的關(guān)系及意義；對設(shè)備鑒定相關(guān)的主流標(biāo)準(zhǔn)等方面存在片面理解和認(rèn)識偏差。為建立正確的設(shè)備鑒定體系，本工作從核安全設(shè)計(jì)理念出發(fā)，闡述了設(shè)備鑒定各個(gè)環(huán)節(jié)、要素和方法以及設(shè)備鑒定的程序和今后的發(fā)展方向。

1 設(shè)備鑒定的含義

美國核管會（NuclearRegulatoryComm ission，簡稱NRC）將設(shè)備鑒定（EquipmentQualification，簡稱EQ）定義為：一個(gè)實(shí)施驗(yàn)證并維護(hù)證據(jù)的過程，證明設(shè)備在核電廠正常和異常工況下及發(fā)生假想設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件（Design Basis Event，簡稱DBE）時(shí)，能夠按指令投運(yùn)并滿足系統(tǒng)的要求以確保核電廠安全。設(shè)備鑒定通常分為環(huán)境鑒定和抗震鑒定［2］。廣義而言，設(shè)備鑒定可用于證明不存在可能會導(dǎo)致設(shè)備共因失效的設(shè)計(jì)缺陷、制造瑕疵、儲運(yùn)不當(dāng)所致缺損等［3］。但從嚴(yán)格意義講，設(shè)備鑒定的主旨是消除設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷，故又稱為“設(shè)計(jì)鑒定”或“設(shè)計(jì)驗(yàn)證”。

在設(shè)備鑒定過程中，需重點(diǎn)探究失效機(jī)理。所謂失效機(jī)理是指由一個(gè)致因引發(fā)降質(zhì)并進(jìn)而發(fā)展成一種或他種模式失效的物理過程［4］。宏觀來說，若非特指情況，設(shè)備鑒定與環(huán)境鑒定相似。具體而言，設(shè)備鑒定的外延更廣泛，包絡(luò)了針對設(shè)備缺陷和環(huán)境因素所致共因失效機(jī)理的應(yīng)對，涉及環(huán)境鑒定、抗震鑒定（針對機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力鑒定）、電磁兼容鑒定和阻燃性驗(yàn)證（針對電纜）。而環(huán)境鑒定則局限于驗(yàn)證特定的正?；驑O限環(huán)境不會導(dǎo)致設(shè)備共因失效。

2 設(shè)備鑒定與核安全設(shè)計(jì)理念的關(guān)系

核電廠安全系統(tǒng)的可靠性基于對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的定義，以及對反應(yīng)堆固有安全特性、保護(hù)系統(tǒng)故障安全設(shè)計(jì)、單一故障準(zhǔn)則和縱深防御策略等的綜合應(yīng)用。由設(shè)計(jì)基準(zhǔn)所確立的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以及遵循單一故障準(zhǔn)則所需的冗余性、多樣性、獨(dú)立性和設(shè)備鑒定等要求，為核電廠安全功能的可靠執(zhí)行提供了充分而恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)保障。縱深防御理念在核電設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的貫徹更進(jìn)一步加強(qiáng)并提升了核安全裕度［5］。設(shè)備缺陷（包括設(shè)計(jì)缺陷、制造瑕疵、錯(cuò)誤的安裝或運(yùn)行程序、不當(dāng)維修等）和環(huán)境因素（包括正常運(yùn)行期間的老化降質(zhì)和突然施加的事故環(huán)境）是導(dǎo)致共因失效的主要原因［6-8］。設(shè)備鑒定作為縱深防御策略的實(shí)施環(huán)節(jié)被納入核電廠設(shè)計(jì)，其目的就是防止共因失效而降低系統(tǒng)冗余度，即防止連續(xù)發(fā)生的非偶發(fā)的系統(tǒng)性失效，以防因保障重要安全功能的兩個(gè)或多個(gè)通道失效而致系統(tǒng)冗余性喪失。設(shè)備鑒定采用確定論方法［9］驗(yàn)證安全級設(shè)備在正常運(yùn)行、地震及發(fā)生假想事故工況時(shí)能夠按指令執(zhí)行安全功能，并發(fā)揮預(yù)期作用。

3 設(shè)備鑒定的流程、要素和方法

3.1 設(shè)備鑒定的流程

設(shè)備鑒定是一個(gè)持續(xù)的過程，并非終止于建立或?qū)嵤╄b定這一環(huán)節(jié)，而是貫穿從核電廠設(shè)計(jì)至運(yùn)行壽終的全生命周期。設(shè)備鑒定的流程如圖1所示。

圖1 設(shè)備鑒定流程Fig.1 Process of equipmentqualification

設(shè)備鑒定流程各階段的要素見表1。

表1 設(shè)備鑒定流程各階段的要素Table1 Elem en tsof different stages in equipment qualification process

3.2 設(shè)備鑒定的要素

（1）老化：如圖2所示，老化是指設(shè)備從安裝到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件發(fā)生前期間所承受的運(yùn)行載荷和環(huán)境對設(shè)備性能影響的過程，或者人工模擬對設(shè)備所受上述影響的過程［10］。潛在老化因子：輻照、溫濕度、水蒸汽、振動(dòng)、水或化學(xué)噴淋、氣壓，以及設(shè)備本身運(yùn)行所導(dǎo)致的電氣或機(jī)械載荷、操作循環(huán)、機(jī)械磨損、自發(fā)熱、工藝工況、自生振動(dòng)等。核電廠運(yùn)行期間因老化作用而產(chǎn)生的影響稱作老化效應(yīng)，其既有正面的又有負(fù)面的，由負(fù)面效應(yīng)導(dǎo)致的設(shè)備性能衰退稱為老化降質(zhì)。

圖2 設(shè)備老化階段Fig.2 Ageing phasesof equipm ent

（2）老化效應(yīng)評估：通過對設(shè)備運(yùn)行條件和環(huán)境的評估與分析，確定在各種運(yùn)行工況下老化對設(shè)備執(zhí)行規(guī)定功能的影響程度［11］。

（3）顯著老化機(jī)理：在安裝壽期內(nèi)的正常和異常運(yùn)行環(huán)境下，導(dǎo)致設(shè)備性能逐漸但明顯的劣化或衰退，并進(jìn)而極大地促成設(shè)備在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件工況下的安全功能完整性喪失的潛在老化機(jī)理［12］，它是影響設(shè)備壽命的主要老化機(jī)理。潛在老化機(jī)理若同時(shí)滿足表2的準(zhǔn)則即可判定為顯著老化機(jī)理。

表2 判定為顯著老化機(jī)理的準(zhǔn)則Table 2 Rulesof judging for significantageingmechanism

（4）和緩或嚴(yán)酷環(huán)境：核電廠安全級設(shè)備安裝在不同環(huán)境中，一般可以分為和緩環(huán)境和嚴(yán)酷環(huán)境［13］。和緩環(huán)境指一個(gè)預(yù)想的正?；虍惓９r環(huán)境，安全殼外的絕大部分區(qū)域?qū)儆诤途彮h(huán)境，安裝在和緩環(huán)境的設(shè)備，其顯著老化機(jī)理一般具有地震相關(guān)性，都是通過監(jiān)查、維修、失效趨勢分析等隱形手段來考慮。嚴(yán)酷環(huán)境主要集中在安全殼內(nèi)區(qū)域，由假想的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（簡稱DBA）所造成的環(huán)境。安裝在嚴(yán)酷環(huán)境中的設(shè)備，其顯著老化機(jī)理由鑒定程序納入考慮。

設(shè)備故障率在統(tǒng)計(jì)學(xué)上隨著時(shí)間變化呈“浴盆曲線”特征，例如典型電子元器件的失效浴盆曲線如圖3所示。由圖可見在電子元器件的早期失效一般產(chǎn)生在1 000 h以內(nèi)，但如果對所有的器件均進(jìn)行1000 h的試驗(yàn)是不可行的，因此可以利用圖4失效激活能關(guān)系圖，在不改變產(chǎn)品失效機(jī)理的前提下，提高篩選效率。

圖3 典型電子元器件的失效浴盆曲線Fig.3 Failure bathtub curve of typicalelectronic component

圖4 失效激活能關(guān)系圖Fig.4 Failure to activate diagram

（5）老化模型：熱老化模型和輻照老化模型，輻照老化模型基于材料所吸收的劑量決定輻照效應(yīng)，與輻照劑量率或輻射源的類型無關(guān)的假設(shè)［14］。在實(shí)際鑒定中，一般采用60Co源做輻照老化，劑量率應(yīng)控制在0.5M rad·h-1至1.0M rad·h-1之間。

3.3 設(shè)備鑒定的方法

設(shè)備鑒定的一般方法有：論證分析法、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)法和型式試驗(yàn)法，此三種方法的特點(diǎn)見表3。在實(shí)施過程中，由于受到經(jīng)濟(jì)、時(shí)間以及有效模型等因素的限制，僅采用表3所述的某一種方法的鑒定并不多見，常見的是采用這些方法的組合。由于設(shè)備所處環(huán)境特點(diǎn)的不同，設(shè)備鑒定所適用組合方法的側(cè)重點(diǎn)也不同。

對于和緩環(huán)境設(shè)備，如果其老化機(jī)理不具備地震相關(guān)性，并且其老化參數(shù)具有可探測性，則其鑒定可通過完善設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、儲運(yùn)、安裝調(diào)試的質(zhì)保體系進(jìn)行定期的性能監(jiān)測和故障趨勢分析以及應(yīng)用抗震鑒定［15］來實(shí)現(xiàn)。

對于嚴(yán)酷環(huán)境設(shè)備，由于設(shè)備的復(fù)雜性、故障模式和失效機(jī)理的多樣性，以及事故環(huán)境中壓力、溫度和輻照等的相互作用，宜采用型式試驗(yàn)法做鑒定。

表3 設(shè)備鑒定方法的特點(diǎn)Table 3 Characteristicsof equipmentqualificationmethods

4 設(shè)備鑒定程序及文件

設(shè)備鑒定首先要鑒定定義，定義鑒定的目標(biāo)、范圍和接口、驗(yàn)收準(zhǔn)則、安全功能、運(yùn)行工況和環(huán)境條件等。就核電廠整體而言，此階段應(yīng)明確設(shè)計(jì)基準(zhǔn)定義、物項(xiàng)分級、環(huán)境分區(qū)及對應(yīng)正常/異常及事故環(huán)境參數(shù)等。其次，確定鑒定對象并以技術(shù)規(guī)范書的形式對鑒定對象進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)描述。通過鑒定設(shè)備清單明確設(shè)備編碼、型號、環(huán)境區(qū)域、安全分級、抗震類別、質(zhì)保組別、鑒定類別、鑒定文件編碼等。通過部件安全分級和功能定義，以及故障模式和影響分析，確定安全級和安全相關(guān)級部件及其功能。通過數(shù)據(jù)收集和老化評價(jià)，確定潛在的明顯老化機(jī)理，進(jìn)而確定適用的老化模型及老化參數(shù)。采用適用的鑒定方法，編制鑒定大綱，規(guī)定工作程序和驗(yàn)收準(zhǔn)則。做好鑒定工作實(shí)施和記錄以及鑒定結(jié)果分析和鑒定報(bào)告的編制。具體實(shí)施過程中，應(yīng)形成一個(gè)鑒定文件包，以匯總?cè)珡S設(shè)備的鑒定文件。為規(guī)范設(shè)備鑒定工作并實(shí)現(xiàn)設(shè)備鑒定過程的可追溯性，設(shè)備鑒定的文件應(yīng)至少包括：模擬件或工程樣機(jī)技術(shù)規(guī)范書、設(shè)備鑒定規(guī)范書或設(shè)備鑒定大綱、設(shè)備鑒定報(bào)告。

5 設(shè)備鑒定技術(shù)的發(fā)展方向

國內(nèi)外多年的設(shè)備鑒定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果為設(shè)備鑒定技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展指明了方向。需要改進(jìn)的方面主要包括以下幾個(gè)：相對于自然老化，老化模擬應(yīng)更趨于逼真；明確老化模型的應(yīng)用限值；老化因子的疊加效應(yīng)；劑量率效應(yīng)；事故模擬。鑒于核電廠改造、延壽、定期安全評審、老化管理活動(dòng)的開展以及應(yīng)對嚴(yán)重事故的需求，為設(shè)備鑒定技術(shù)的發(fā)展提供了更大的應(yīng)用或演變空間，主要包括：設(shè)備狀態(tài)參數(shù)及其模型的開發(fā)；基于狀態(tài)監(jiān)測的設(shè)備鑒定；設(shè)備延壽鑒定；數(shù)字化設(shè)備鑒定；嚴(yán)重事故環(huán)境設(shè)備可用性驗(yàn)證。

6 結(jié)論

核電廠安全級設(shè)備是保持核電廠安全功能完整性的重要保障，為了解決目前安全級設(shè)備鑒定存在的諸多問題，本文梳理了設(shè)備鑒定與核安全設(shè)計(jì)理念的關(guān)系，闡述了設(shè)備鑒定的流程、要素和方法以及具體的實(shí)施原則和改進(jìn)方向，為建立一個(gè)整體的設(shè)備鑒定理論體系提供了有價(jià)值的參考。

［1］劉棟，王宏印，張甬.核電廠設(shè)備鑒定的過程控制與管理［J］.核安全，2013（2）：69-73.

［2］孫造占，路燕，朱秀云.關(guān)于核安全設(shè)備抗震鑒定的監(jiān)管要求［J］.核動(dòng)力工程，2011，6（32，s1）：867-880.

［3］李明成，林建，付明星，等.核電廠1E級充電器及逆變器設(shè)備鑒定方案的研究［J］.核安全，2014（2）：77-82.

［4］胡林忠.失效機(jī)理在可靠性工程中的應(yīng)用［J］.環(huán)境技術(shù)，2008（2）：14-15.

［5］姚惠欽.核電站儀控設(shè)備鑒定技術(shù)研究［D］.華東理工大學(xué)，2013.

［6］王廣金，劉燕，劉江燕，等.核電廠1E級電氣設(shè)備鑒定試驗(yàn)研究［J］.核動(dòng)力工程，2008，29（4）：131-134.

［7］郭滿華，趙月?lián)P，黃文有.核電站核級設(shè)備鑒定過程［J］.電力設(shè)備，2008，9（7）：127-128.

［8］閆貴銀，劉莉.核電站安全級儀控設(shè)備的質(zhì)量鑒定［J］.核工程研究與設(shè)計(jì)，2010（80）：36-40.

［9］張明佳.核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組可靠性數(shù)據(jù)的建立與應(yīng)用［D］.上海交通大學(xué)，2009.

［10］顧申杰.核電廠1E級電氣設(shè)備環(huán)境鑒定［J］.核安全，2005（2）：31-40.

［11］陳云卿.檢驗(yàn)關(guān)于在設(shè)備工作中存在老化效應(yīng)的假設(shè)的參數(shù)方法［J］.管理科學(xué)文摘，1997（12）：13-14.

［12］王繼東.設(shè)備鑒定試驗(yàn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［J］.核標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量與質(zhì)量，2014（2）：35-37.

［13］郎愛國.核電廠和緩環(huán)境顯著老化機(jī)理與設(shè)備鑒定［J］.核安全，2006（3）：11-16.

［14］劉吉珍，龔隨軍，陳翠平.核級設(shè)備輻照老化試驗(yàn)中的劑量保證［J］.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院科學(xué)技術(shù)年報(bào)，2009.

［15］方慶賢，孫造占.核級設(shè)備的抗震鑒定［J］.力學(xué)2000學(xué)術(shù)大會論文集，2000.

Discussion aboutNuclear Power Plant Safety ClassEquipment Qualification and Technology Development

LILiang1，F(xiàn)AN Jin2，TANGLixue2，F(xiàn)ENGYan1，*
（1.Nuclearand Radiation SafetyCenter，MEP，Beijing100082，China；2.ChinaNuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing100840，China）

Nuclear power plant safety class equipment qualification is one of the importantmeasures to ensure thesafety function ofpowerplantcompletely，and also is the importantembodimentof nuclear safety culture.But，at present there are a lotof understanding deviations or w rong cognition for the equipment identifications.Basedon thenuclearsafetydesignconcept，thispaperexpoundsthebasicprocessandmethod，aswellasthespecific principlesof implementationand developmentdirectionof theequipmentqualification，thus to provide the referenceand basis forbuildingawhole ideaofequipmentqualification system.

nuclearpowerplant；safety classequipmentqualification；nuclearsafety culture

TM 623

：A

：1672-5360（2015）02-0058-04

2014-12-31

2015-02-05

國家科技重大專項(xiàng)，項(xiàng)目編號2010ZX 06002-10-02

李 亮（1981—），男，河北保定人，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事民用核安全設(shè)備監(jiān)管及審評工作

*通訊作者：馮 燕，E-mail：fengyan@chinansc.cn