海上核電站儀控設備鑒定的方法與建議

黃 勇 ，何伯陽 ，郭 偉

（1.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中廣核研究院有限公司，深圳 518031）

隨著對海洋經(jīng)濟的倚重，世界各核電大國也紛紛將目光投向海上浮動核電站，以突破海上開發(fā)的能源供給瓶頸，為偏遠島嶼和海上石油天然氣開采平臺提供電力、熱力和淡水資源。世界上首座海上浮動核電站——俄羅斯 “羅蒙諾索夫院士”（Akademik Lomonosov）號已下海測試；我國也在加速發(fā)展海上浮動核電站，并被國家發(fā)改委納入能源科技創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃。

海上浮動核電站是核電應用新技術，它將陸上的發(fā)電堆引入船舶，具有船舶和核電站雙重屬性。因此，海上浮動核電站儀控系統(tǒng)設計既需要符合核電站建設相關法律法規(guī)，也需要符合船舶建造設計規(guī)范，還需要綜合考慮海上環(huán)境對核電儀控設備的影響。

1 海上浮動核電站應考慮的環(huán)境條件

設備的鑒定因素基于設備的使用條件，即設備在其壽期內經(jīng)歷的所有環(huán)境條件和運行條件。環(huán)境條件是指存在于設備外部的條件，比如溫度、輻照、壓力、沖擊等。文獻[1-2]對海洋氣候環(huán)境條件和機械環(huán)境條件的要求進行了規(guī)定；文獻[3]對船舶電氣設備設計的環(huán)境條件要求進行了規(guī)定。相對于陸上核電站儀控設備的使用條件而言，海上浮動核電站增加了海洋環(huán)境條件下的使用要求，主要有船舶撞擊（沖擊）、極端風浪（傾斜、搖擺）、化學及生物條件（鹽霧、霉菌）下設備的適應性要求。

為此，海上浮動核電站儀控系統(tǒng)的設計應考慮以下環(huán)境條件：

1）氣候環(huán)境條件 包括氣溫、濕度、鹽霧、霉菌、沙粒和沙塵、降雨、冰雹、降雪、結冰、太陽輻照等；

2）機械環(huán)境條件 包括傾斜、搖擺、振動、沖擊等。

其中的傾斜、搖擺、鹽霧、霉菌、沖擊是海上核電站特定的海洋環(huán)境條件，其對儀控設備設計的影響應予重點考慮。

2 海洋環(huán)境條件對儀控設備的影響

2.1 沖擊

海上浮動核電站在航行過程中，會受到推進發(fā)電機的振動、海浪正常碰擊與甲板上浪沖擊的綜合影響。在事故工況下，還可能會受到船體碰撞、飛機墜落撞擊等劇烈的事故沖擊影響。沖擊、碰撞工況產(chǎn)生的沖擊力會傳遞到船上設備，對設備的結構和支承影響較大。

這些沖擊對海上浮動核電站儀控設備的結構及功能造成影響，具體包括：設備產(chǎn)生疲勞而損壞、可靠性下降及功能和性能異常等；設備之間、設備與船體構筑物之間產(chǎn)生相對位移而引起碰撞、擠壓；部件連接斷開；電子元器件管腳斷開、導線連接斷裂，電氣短路，粘層、鍵合點松脫，開關觸點瞬間斷開；等[4]。因此，海上核浮動電站設計時，需綜合考慮海底抨擊、船首沖擊、碰撞、墜物等載荷對移動平臺強度的影響。

儀控設備設計時，應對沖擊的措施有：設備底部安裝減震器；使用強度高、延伸率大的材料；避免采用懸臂式構件；焊縫盡可能遠離高應力區(qū)；電氣設備的接線應有足夠的松弛長度；設備與外部的連接應有撓性；可動部件盡可能采用動平衡設計；等。

2.2 傾斜與搖擺

傾斜、搖擺是海上平臺上安裝的所有設備都將承受的一種基本的機械環(huán)境載荷。

傾斜指由于海上平臺事故浸水、操縱、裝載不平衡和風浪所造成的縱向或橫向的最大傾角。

搖擺有縱搖、橫搖、首搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩等6種形式?？v搖、橫搖和首搖，是指船舶在最大航行狀態(tài)下，由于受風和波浪而產(chǎn)生的不利于航向的3個方向的最大搖動；縱蕩、橫蕩、垂蕩是指船體航行時，由于波浪和操作引起的在3個坐標軸方向的往復平移運動。

傾斜使海上核電站儀控設備承受靜態(tài)力，其大小與設備的安裝位置無關，而與平臺的傾斜角度和設備的結構有關。因此，傾斜條件對設備的影響主要是設備及部件的固定變形、斷裂、轉軸撓度過大，導致卡死、運動部件不能動作等。

搖擺使浮動平臺承受交變的力，并將其傳遞給船上儀控設備，使之產(chǎn)生方向交變的應力和加速度，導致設備工作失常、結構損壞和疲勞失效等。

對于傾斜、搖擺的影響，應對策略有：確?？蓜硬考臐櫥粚潭ɑ蜻B接部件采取防松脫措施；增加設備的支撐，減少慣性；等。

2.3 鹽霧

高鹽度海洋環(huán)境帶來的鹽霧會隨著空氣進入艙室內部，而通風空調系統(tǒng)難以有效濾除鹽分以消除對艙室內設備的影響。鹽霧會加速金屬材料的腐蝕，降低絕緣材料的絕緣性能，使金屬材質發(fā)生電偶腐蝕。因此，在三高（高溫、高濕、高鹽）的環(huán)境條件中，鹽霧會對設備產(chǎn)生綜合性的腐蝕作用。鹽霧對儀控設備的主要影響如下：

1）腐蝕效應 鹽霧引起的電化學反應，導致金屬材料腐蝕；高溫、高濕環(huán)境條件下加速應力腐蝕；鹽霧中的化學成分在水中電離，形成酸堿溶液的腐蝕[6]。

2）電效應 絕緣材料腐蝕和金屬腐蝕；鹽沉積產(chǎn)生導電層；鹽沉積導致電子部件電氣性能下降、損壞。

3）物理效應 容易導致機械活動部件阻塞而降低可靠性；容易導致設備表面漆層的脫離[6]。

對于鹽霧的影響，應對措施有：電路板上噴三防漆；設計選型時使用耐腐蝕、耐老化材料；對于關鍵部件進行密封處理；等。

2.4 霉菌

霉菌在艙室內的“三高”環(huán)境下迅速生長，分解有機材料，導致其性能下降，從而破壞各類電子部件的絕緣性能；霉菌生長分泌的酸性物質還會腐蝕金屬材料。

霉菌生長對設備材料帶來的影響主要有：電子設備材料的絕緣電阻、電抗強度下降，導致電路板線路間短路；材料塑性變差，導致老化過程加速；橡膠密封件被破壞，導致密封性能下降；分泌酸性物質，導致金屬材料電解腐蝕。

對此，應對措施有：采用氣密結構；采用固體封裝技術；選擇耐腐蝕金屬材料；部件表面采取涂鍍工藝處理；等。

3 海上浮動核電站儀控設備的鑒定

3.1 設備鑒定思路

海上核電站儀控設備的鑒定思路是：參考陸上堆設備鑒定體系及方法，補充海洋環(huán)境條件特定的鑒定要求。

①參考陸上核電站設備鑒定的成熟鑒定體系、鑒定方法等，對海上核電站設備鑒定具有借鑒意義。②對設備性能的影響主要體現(xiàn)在環(huán)境條件的因素上，HAF 102中要求考慮設備壽期內所有的環(huán)境條件，故海上核電站需綜合考慮核及船的環(huán)境條件因素。其中，IEEE 382，RCC-E中已規(guī)定了陸上核電站核級設備所經(jīng)受的環(huán)境因素；GB/T 6994，GB/T 4798.6等規(guī)定了船用的環(huán)境條件及分類。

3.2 鑒定標準體系

對于海上核電站，目前國際上尚未形成成熟的鑒定實踐?；诖耍Ｉ虾穗娬镜脑O備鑒定，可以參考現(xiàn)有的陸上核電站設備鑒定實踐，并結合相應的船用標準開展。所采用的實踐包括：

（1）陸上核電站實踐

——基于RCC-E規(guī)范和EDF相關規(guī)范的法國實踐；

——基于IEEE與ASME-QME-1標準的美國實踐；

——基于KTA標準的德國實踐；

——基于GB與NB標準的中國設計單位編寫相關規(guī)范的中國實踐。

（2）船用標準體系

——基于CCS入級規(guī)范及指導指南的標準體系，如GD22等；

——基于GB的船用標準體系，如GB/T 2423等；

——基于GJB的船用標準體系，如GJB 150等。

3.3 鑒定試驗順序

基于RCC-E規(guī)范和EDF相關規(guī)范的法國實踐，設備鑒定可分為4個階段：基準試驗、極限工況試驗、老化試驗、模擬事故試驗。對于特定海洋環(huán)境條件的傾斜、搖擺、鹽霧、霉菌、沖擊，其劃分和依據(jù)如下：

1）鹽霧、霉菌的鑒定，劃分為極限工況鑒定。鹽霧、霉菌的試驗通常為驗證在一定條件下（鹽霧、潮濕）一段時間的適應性能力，而不考慮老化累積效應；此外，鹽霧、霉菌造成的危害可以通過在役檢查或監(jiān)督來評估，不符合IEEE 627中的顯著老化機理判定要求之一，不能稱為顯著老化機理。

2）傾斜和搖擺的鑒定，劃分為極限工況。對比GJB 150.23A—2009，GB/T 2423.101—2008，GD 22—2015中的傾斜和搖擺環(huán)境條件，驗證可知，目前針對艦船設備僅需要考慮傾斜和搖擺環(huán)境的適應性，因此劃分為極限工況。

3）沖擊的鑒定，劃分為事故工況。沖擊試驗是通過模擬外部沖撞，驗證設備在經(jīng)受外力作用時的安全性、可靠性和有效性，因此屬于事故工況條件下的驗證。

綜上所述，海上核電站設備鑒定試驗順序建議見表1。

表1 海上核電站設備鑒定的試驗順序Tab.1 Test sequence of ONPP equipment qualification

3.4 海洋環(huán)境條件特殊鑒定要求及方法

3.4.1 傾斜和搖擺

海上浮動核電站的傾斜和搖擺與工作海況緊密聯(lián)系，標準GJB 4000—2000對1～9級海況進行了相關定義，并結合船舶與海洋工程規(guī)范要求和經(jīng)驗，將6級及以下海況定義為核電站正常作業(yè)海洋條件，將8級海況定義為設計基準海洋條件，8級以上海況為極限工況。

依據(jù)《鋼制海船入級規(guī)范2015（第4分冊）》中，對所有電氣設備允許的最大傾斜角規(guī)定見表2。

表2 鋼質海船入級規(guī)范對電氣設備傾斜角的規(guī)定[1]Tab.2 Rule for the inclination angle of electrical equipment in classification rule of steel seagoing vessel

基于以上所述及標準 GB/T 2423.101—2008，結合海上核電站的實際情況，其傾斜和搖擺參數(shù)可參見表3。

表3 海上核電站傾斜和搖擺參數(shù)Tab.3 Parameters of inclination and swing in ONPP

對于儀控設備，傾斜和搖擺的鑒定建議采用試驗法?；诒?所列傾斜和搖擺參數(shù)，以及相關船用標準規(guī)定，對于通用設備，建議根據(jù)設備的種類及使用條件，參照GB/T 2423.101進行。對于特殊設備，其傾角、搖擺角、搖擺周期應符合設計方及船級社相應標準要求。

3.4.2 沖擊

依據(jù)《海上浮式裝置入級規(guī)范（2014）》：浮式裝置碰撞的動能，側面撞擊≮14 MJ，首部或尾部撞擊≮11 MJ，相當于一艘5000 t供應船以2 m/s速度撞擊的能量[9]。因而，海上浮動平臺沖擊的假設始發(fā)事件為5000 t的船以2 m/s的速度撞擊海上浮動平臺。

在GJB 150.18A—2009中，采用沖擊譜的形式進行沖擊試驗，并明確規(guī)定該試驗可用于評估設備的結構和功能承受裝卸、運輸和使用環(huán)境中不常發(fā)生的非重復性沖擊的能力；可用于測試裝備固定裝置的強度，該裝備安裝在可能發(fā)生碰撞的平臺上[10]。

基于此，海上核電站可采用沖擊譜的形式，對儀控設備進行鑒定。試驗方法主要采用擺錘沖擊試驗或振動臺沖擊試驗，其中，擺錘沖擊試驗可參照GJB 150，CB 1146等標準執(zhí)行；振動臺沖擊試驗可參照GB2423等標準執(zhí)行。

3.4.3 鹽霧及霉菌

依據(jù)GB/T 4798.6—2012和GB/T 14092.4—2009，海上核電站所處的化學環(huán)境條件為6C2級，鹽霧的質量濃度為2 mg/m3；生物環(huán)境條件為6B2級，所處的環(huán)境生物活動頻繁伴有各種生物災害。

對于采用了經(jīng)過驗證的耐鹽霧、霉菌材料的設備，或已采用合理的涂漆、鍍金屬層等方式進行了防護處理，可認為其滿足防護的要求，不需要鑒定。對于需要進行鑒定的設備，鑒定可僅針對材料或易腐蝕的部件，采用試驗法或分析法進行，試驗法可參照GD 22或GB/T 2423等標準執(zhí)行。

4 結語

文中根據(jù)海洋的特殊環(huán)境條件，討論沖擊、傾斜與搖擺、鹽霧、霉菌等鑒定因素對儀控設備的影響，基于這些影響提出儀控設備對應的鑒定要求，并將上述特殊環(huán)境因素納入儀控設備研發(fā)設計考量中。

由于海上浮動核電站的研發(fā)設計缺乏明確的法律法規(guī)指導，也無法照搬陸上堆的法律法規(guī)進行規(guī)范，因此文中僅給出一些綜合性建議，作為參考。目前亟待解決的問題是結合海洋環(huán)境法律法規(guī)和陸上堆相關規(guī)范，在原有法規(guī)標準的基礎上編制新的法規(guī)標準，形成海上核電站設計鑒定法規(guī)標準體系，以全面指導設計研發(fā)工作。