核電廠1E級電纜一致性判別方法的研究

李世欣,鄭睿鵬,郎愛國,毛從吉,丁義行,尹寶娟,*

(1.環(huán)境保護部核與輻射安全中心,北京,100082;2.環(huán)境保護部核設(shè)施安全監(jiān)管司,北京,100034)

《民用核安全設(shè)備監(jiān)督管理條例》中規(guī)定 “民用核安全設(shè)備設(shè)計、制造、安裝和無損檢驗單位應(yīng)當依照本條例規(guī)定申請領(lǐng)取許可證”[1],即具有相應(yīng)技術(shù)水平和質(zhì)量管理能力的單位,只有在取得許可證后方可從事民用核安全設(shè)備的設(shè)計、制造等活動[2]。1E級電纜作為核電廠的核安全重要設(shè)備之一,已納入我國核安全設(shè)備監(jiān)管的范圍。

同時,HAF102-2016中規(guī)定 “必須采用安全重要物項的鑒定程序來確認核動力廠安全重要物項,這些物項能夠在其整個設(shè)計壽期內(nèi)以及支配性環(huán)境條件下執(zhí)行其必要的預(yù)期功能”[3],因此,1E級電纜須進行設(shè)備鑒定。在許可證審查過程中,針對1E級電纜的鑒定過程、鑒定文件進行審查是核安全設(shè)備審查的重要內(nèi)容。

根據(jù)電纜在核電廠所處安裝環(huán)境,按其嚴酷程度可分為和緩環(huán)境和嚴酷環(huán)境兩大類[4]。對于嚴酷環(huán)境的1E級電纜,應(yīng)該對電纜進行老化評價以確定造成電纜性能劣化的老化因素和機理,并確定電纜的鑒定壽命[5]。對于和緩環(huán)境的1E級電纜,由于更換具有相當高的成本,所以IEEE 383-2003[6]盡管不要求確定其鑒定壽命,卻要求通過評價熱和輻照數(shù)據(jù)確定其工作壽命[5,7]。由此可見,對于1E級電纜的鑒定,無論在嚴酷環(huán)境還是和緩環(huán)境下的1E級電纜,均需要進行材料的熱壽命評定,用以推算電纜關(guān)鍵材料在長期工作溫度下的熱壽命。熱壽命評定通常采用Arrhenius模型,按照IEC 60216-1:2001[8]的要求進行相關(guān)試驗,該試驗持續(xù)時間一般長達10個月左右。后續(xù)的加速熱老化試驗,均是在該試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,按照Arrhenius公式進行推算,這往往是1E級電纜鑒定試驗核安全審查中的重要關(guān)注點。

對于獲得國家核安全局頒發(fā)的民用核安全設(shè)備設(shè)計、制造許可證的單位,實際供貨的設(shè)備與進行核級鑒定試驗時設(shè)備的一致性也應(yīng)是核安全監(jiān)管、審查重點關(guān)注的問題之一[7],即在實際供貨時設(shè)備的原材料、加工工藝、結(jié)構(gòu)等方面是否與通過鑒定時設(shè)備的原材料、加工工藝、結(jié)構(gòu)等方面一致。對于多數(shù)電氣設(shè)備,實際供貨產(chǎn)品與鑒定時產(chǎn)品一致性的判別,在實際供貨出廠驗收時可以通過產(chǎn)品原材料型號、工藝文件、圖紙等進行判別。對于電纜來說,在實際供貨出廠驗收時,目前均是通過絕緣、護套材料的牌號來進行區(qū)分是否為鑒定時用的材料。在電纜廠批量供貨時,按照相關(guān)標準要求 (如對于低壓電力電纜出廠試驗參考GB/T12706.1-2008中例行試驗、抽樣試驗[9];對于中壓電力電纜出廠試驗參考GB/T12706.2-2008中例行試驗、抽樣試驗[10])進行的出廠試驗的目的是驗證電纜是否滿足基本的性能要求、尺寸要求等,但是上述試驗項目無法驗證電纜實際供貨時的原材料與核級鑒定時電纜所用原材料的一致性。同時,由于核級鑒定試驗時間長 (正如前文所述僅材料熱壽命評定試驗周期就為10個月左右)、費用高,在實際供貨時,抽取相應(yīng)的樣本重新進行核級鑒定試驗是不現(xiàn)實的,因此需要一種方法來判斷實際供貨電纜與通過鑒定的電纜的一致性。

另外,在1E級電纜許可證審查過程中發(fā)現(xiàn),在出廠試驗時,成品電纜絕緣、護套的斷裂伸長率與材料熱壽命評定報告中的斷裂伸長率相差過大,如某廠家從成品電纜剝離得到的絕緣材料的斷裂伸長率為360%-380%左右,而對應(yīng)的材料熱壽命評定報告中內(nèi)、外絕緣材料斷裂伸長率在630%-640%左右。經(jīng)分析,兩者差距的原因可能有如下幾個方面:

(1)兩者的加工工藝不一樣。聚烯烴類材料熱壽命評定報告中的啞鈴試樣為高溫壓制、輻照交聯(lián)而成。成品電纜通過絕緣擠出、絕緣交聯(lián)、護套擠出、交聯(lián)等工序,在電纜加工過程中加工溫度、模具、水槽冷卻等條件的不同導致材料拉伸取向不一樣,都會導致成品電纜的斷裂伸長率有偏差。如采用擠壓式模具制成的電纜較為密實,電纜的拉伸強度相對較好,而采用擠管式模具制成的電纜拉伸取向強,電纜的斷裂伸長率會高于材料本身的測試結(jié)果。

(2)電纜規(guī)格型號不同導致斷裂伸長率時試樣不同。對于線徑較小的線纜一般采用管狀試樣進行測量,線徑較大的線纜一般采用從電纜上剝皮后,裁切成啞鈴試樣進行測量。

(3)電纜特有內(nèi)、外絕緣結(jié)構(gòu)導致斷裂伸長率有差異。對于1E級聚烯烴類電纜,我國該類電纜多為雙層絕緣結(jié)構(gòu)。在絕緣擠出過程中為雙層共擠,其內(nèi)、外絕緣結(jié)合緊密,對于成品電纜難以分開,成品電纜絕緣通常為內(nèi)、外雙層絕緣進行斷裂伸長率的測試,這將會導致部分偏差。

上述原因是從加工工藝、結(jié)構(gòu)等方面進行的分析推測,但斷裂伸長率差異過大,也存在材料配方不一致的可能性。為判斷材料配方的一致性,需要一種快速、科學、有效的方法來進行檢測。

1 材料一致性判別方法

對于材料測試方法,通常有材料紅外線光譜分析、材料熱失重法、材料差示掃描量熱法三種方法,其原理和測試方法如下:

(1)材料紅外線光譜分析 (簡稱IR):測定的是分子結(jié)構(gòu)和化學組成,是一種定性工具?；瘜W物質(zhì)是由官能團組成的,每個官能團都會形成自己的特征峰,可根據(jù)這些特征峰位置比對材料的一致性,且現(xiàn)有分析設(shè)備已具備相似度比對功能。紅外光譜儀可分為具有傅立葉變換方式的傅立葉變換紅外光譜儀 (FTIR)和分光方式的色散型紅外光譜儀。

(2)材料熱失重法 (簡稱TG):測定的是材料熱分析組分信息,由于不同的材料具有不同的分解溫度,可以通過測定材料的熱分解溫度、組分比例等來判斷材料的一致性。如樹脂、阻燃劑等物質(zhì)隨溫度升高而分解,形成不同的失重曲線,可對曲線失重、殘余物的重量以及溫度點進行比對。

(3)材料差示掃描量熱法 (簡稱DSC):測定的是材料跟隨溫度變化的熱信息,如玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶、熔融等階段的吸放熱情況及溫度點,可以推斷出材料使用基體樹脂的熔點。

GB/T 6040-2002《紅外光譜分析方法通則》[11]、GB/T 19466.1-2004《塑料 差示掃描量熱法 (DSC)第1部分:通則》[12]、GB/T 19466.2-2004《塑料 差示掃描量熱法 (DSC)第2部分:玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定》[13]、GB/T 19466.3-2004《塑料 差示掃描量熱法(DSC)第3部分:熔融和結(jié)晶溫度級熱焓的測定》[14]、ISO 11358-1-2014《塑料 高聚物的熱重分析法 (TG)一般原理》[15]中詳細規(guī)定了FTIR、TG和DSC的測試方法。

對于1E級電纜來說,上述圖譜測試方法能否有效確定電纜材料的 “身份”,或者能否判別兩者材料的一致性,則要通過實際試驗數(shù)據(jù)來驗證。

2 1E級電纜圖譜測試結(jié)果

本文選取了三種不同情況進行對比。第一種情況是三根不同顏色電纜的絕緣線芯,其原材料是由三家不同的材料廠供應(yīng)的絕緣材料;第二種情況是兩根不同規(guī)格,相同顏色的絕緣線芯,其原材料牌號一致;第三種情況是兩根相同規(guī)格、不同顏色的絕緣線芯,其原材料牌號一致。

2.1 三種不同原材料牌號FTIR曲線對比

圖1—圖3的圖譜分別為白色、黑色、紅色絕緣線芯的圖譜,其原材料來自三個不同1E級電纜材料廠商,但由同一電纜生產(chǎn)廠家制造成電纜。

圖1 白色絕緣線芯A的FTIR曲線Fig.1 FTIR curve of black insulated wire A

可以看出圖1、圖2、圖3之間曲線的走勢存在明顯差異。因此,如果原材料不一致,其絕緣線芯的FTIR曲線完全不同。

圖2 黑色絕緣線芯B的FTIR曲線Fig.2 FTIR curve of white insulated wire B

圖3 紅色絕緣線芯C的FTIR曲線Fig.3 FTIR curve of red insulated wire C

2.2 同一原材料牌號、相同顏色、不同規(guī)格的FTIR曲線對比

圖4、圖5分別為不同規(guī)格護套的圖譜,其護套原材料牌號相同,且由同一電纜生產(chǎn)廠家制造。

圖4 藍色小規(guī)格護套D的FTIR曲線Fig.4 FTIR curve of blue small size jacket D

圖5 藍色大規(guī)格護套E的FTIR曲線Fig.5 FTIR curve of blue big size jacket D

經(jīng)統(tǒng)計37組圖4和圖5中關(guān)鍵數(shù)據(jù)點,圖4和圖5關(guān)鍵數(shù)據(jù)點兩者差值X統(tǒng)計見表1。

表1 圖4和圖5關(guān)鍵數(shù)據(jù)之差Table 1 Differences between key figures in Figures 4 and 5

由表1可知,在所統(tǒng)計的37組數(shù)據(jù)中,圖4和圖5關(guān)鍵數(shù)據(jù)相差在0到1之間占70.3%,關(guān)鍵數(shù)據(jù)相差在1到2之間占18.9%,關(guān)鍵數(shù)據(jù)相差大于2的占11.8%,關(guān)鍵數(shù)值相差極值為3.21?？梢钥闯?對于同一材料、同樣顏色,取不同大小規(guī)格的試樣,其曲線基本相同,關(guān)鍵數(shù)據(jù)相差不大。

2.3 同一原材料牌號,相同規(guī)格,不同顏色的FTIR曲線對比

圖6、圖7分別為紅色、藍色絕緣線芯的圖譜,其原材料牌號相同、規(guī)格相同,但顏色不同,由同一電纜生產(chǎn)廠家制造。

圖6 紅色絕緣F的FTIR曲線Fig.6 FTIR curve of redinsulated wire F

經(jīng)統(tǒng)計30組圖6和圖7中關(guān)鍵數(shù)據(jù)點,

圖6和圖7兩者差值Y統(tǒng)計見表2。

圖7 藍色絕緣G的FTIR分析曲線Fig.7 FTIR curve of blueinsulated wire G

表2 圖6和圖7關(guān)鍵數(shù)據(jù)兩者之差Table 2 Differences between key figures in Figures 6 and 7

由表2可知,在所統(tǒng)計的30組數(shù)據(jù)中,圖6和圖7關(guān)鍵數(shù)據(jù)相差在0到1之間占73.4%,關(guān)鍵數(shù)據(jù)相差在1到2之間占13.3%,關(guān)鍵數(shù)據(jù)相差大于2的占13.3%,關(guān)鍵數(shù)值相差極值為6.85。可以看出圖6和圖7曲線趨勢基本一致,關(guān)鍵數(shù)值差距不大。

2.4 小 結(jié)

綜上所述,對于不同原材料,其FTIR曲線走勢差異性較大,可以明顯分辨出;對于由同一原材料牌號,不同顏色或者不同電纜規(guī)格的絕緣線芯,其FTIR曲線趨勢基本一致,關(guān)鍵數(shù)值有差異但在可接受范圍內(nèi)。另外,對不同原材料、不同顏色、不同電纜規(guī)格的線芯所獲得的DSC、TG曲線結(jié)論與上述FTIR曲線結(jié)論相同。由于篇幅原因,材料熱失重法、材料差示掃描量熱法測的曲線就不一一列出。因此,可以看出,FTIR、DSC、TG曲線測試方法可以基本分辨出兩者材料是否一致。

3 1E級電纜一致性判別的建議

根據(jù)實驗曲線可知,通過FTIR、DSC、TG測試曲線可以快速分辨出原材料是否一致,對于今后實際供貨的1E級電纜材料與鑒定時電纜所用材料一致性的判別方法,可按圖8進行。

圖8 1E級電纜一致性判別流程Fig.8 Consistency identification procedure of 1E cable

簡要步驟如下:

(1)為驗證1E級電纜是否滿足核電廠環(huán)境要求,需選取有代表性的樣本進行相應(yīng)的加速熱老化試驗、輻照老化試驗等鑒定試驗。在進行鑒定試驗的同時,要求選取不同規(guī)格、不同顏色的絕緣和護套進行FTIR、DSC、TG測試,并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。同時,建議將部分常規(guī)的試驗項目,如密度,斷裂伸長率、熱延伸等的關(guān)鍵數(shù)據(jù)也保存在數(shù)據(jù)庫中。

(2)在后續(xù)相應(yīng)廠家為核電廠實際供貨時,由核安全監(jiān)管部門在出廠試驗時隨機抽取相應(yīng)樣本獲取相應(yīng)的FTIR、DSC、TG測試曲線,并與之前數(shù)據(jù)庫中的曲線進行比對。如果曲線趨勢一致,關(guān)鍵數(shù)值在可接受范圍內(nèi),則認為材料與之前鑒定時材料一致;如果不一致,將加倍取樣,獲取FTIR、DSC、TG曲線以及密度、斷裂伸長率、熱延伸等相關(guān)數(shù)據(jù),并與之前數(shù)據(jù)庫中曲線和數(shù)據(jù)進行比對。如果加倍取樣后的得到的FTIR、DSC、TG曲線及數(shù)據(jù)均與數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)曲線、數(shù)據(jù)不一致或者差異過大,則廠家需要解釋原因;否則,則可以供貨。

(3)如果現(xiàn)有廠家已經(jīng)完成了1E級鑒定試驗,但未測量FTIR、DSC、TG測試曲線,則可以在該廠家首批1E級電纜供貨時抽取不同規(guī)格、不同顏色的絕緣和護套分別測量密度、斷裂伸長率、熱延伸等數(shù)據(jù),如果上述數(shù)據(jù)與首次鑒定時試驗報告中數(shù)據(jù)相一致,再進行FTIR、DSC、TG曲線測試,并將相關(guān)曲線和數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。在后續(xù)批次1E級電纜供貨時再隨機抽取樣本按照步驟 (2)進行測試。

4 總 結(jié)

本文對1E級電纜提出了利用FTIR、DSC、TG測試曲線來判斷材料一致性的方法,這在1E級電纜監(jiān)管中屬于首次提出,具有一定創(chuàng)新性;同時,對該方法的應(yīng)用也提出了相應(yīng)的建議。該方法可在一定程度上避免實際供貨的電纜材料與鑒定時電纜材料不一致的情況。

在將FTIR、DSC、TG測試曲線作為判斷材料一致性的方法中也將面臨各種問題,特別是以下兩個問題仍需要繼續(xù)研究:

(1)FTIR、DSC、TG曲線測試樣本的抽取規(guī)則。由于核電廠1E級電纜規(guī)格較多,而每種規(guī)格均測試FTIR、DSC、TG曲線顯然不現(xiàn)實,也耗資巨大。這需要根據(jù)后續(xù)實踐情況制定FTIR、DSC、TG曲線測試樣本抽取規(guī)則,選取有代表性的樣本進行測試并將曲線或數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。

(2)由已有的FTIR、DSC、TG曲線可知,對于同一材料牌號制成的不同顏色的電纜或者不同規(guī)格的電纜,曲線趨勢大致相同,曲線中關(guān)鍵數(shù)值有差異,部分數(shù)值差異是由試驗儀器造成且在接受范圍內(nèi),但兩者數(shù)值差異超過多少閾值時需要引起注意或說明兩者材料不一致,這需要在后續(xù)工作中通過對大量的試驗樣本的統(tǒng)計、分析,找到合理的驗收準則。

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