核電廠商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)研究與應(yīng)用

石 秦，王忠秋，張?jiān)撇?，劉景賓，喬 寧

(生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082)

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)核電項(xiàng)目工程應(yīng)用中，使用了不少外購(gòu)?fù)ㄓ霉I(yè)電氣部件。而在核安全級(jí)系統(tǒng)中，如何保證這些采購(gòu)的商業(yè)現(xiàn)貨成品具有與核級(jí)設(shè)備相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)其安全功能，是個(gè)較新的課題。

國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐也正在不斷加強(qiáng)。這種情況下，通過廣泛調(diào)研，吸收采納了商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)(commercial grade dedication，CGD)方法，來解決上述問題。

1 CGD背景

三厘島核事故(1979年)后，美國(guó)核電工業(yè)發(fā)展停滯不前。美國(guó)核電設(shè)備供應(yīng)商不愿繼續(xù)維持核級(jí)質(zhì)保大綱。核電業(yè)主們逐漸發(fā)現(xiàn)，很難繼續(xù)在市面上找到核級(jí)備件(即在10 CFR 50 Appendix B質(zhì)保大綱控制下，專門為核電開發(fā)的部件)，來替代一些老化的部件。

當(dāng)時(shí)，對(duì)于在核安全相關(guān)領(lǐng)域引入商品級(jí)物項(xiàng)(指未在核級(jí)質(zhì)保大綱控制下，按照核設(shè)施特有的技術(shù)和質(zhì)量要求開發(fā)制造的物項(xiàng)，如市售的通用工業(yè)用部件)，無論是業(yè)主還是監(jiān)管機(jī)構(gòu)，都對(duì)這些商業(yè)級(jí)部件能否夠達(dá)到核安全應(yīng)用的質(zhì)量要求存有疑慮。

為此，NRC委托美國(guó)電科院(EPRI)牽頭，聯(lián)合部分核電業(yè)主進(jìn)行了大量研究實(shí)踐，開發(fā)了商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)方法，發(fā)布了一系列通過CGD將商品級(jí)部件引入核安全應(yīng)用的法規(guī)、導(dǎo)則、標(biāo)準(zhǔn)及指導(dǎo)文件。目前，美國(guó)核電業(yè)主、承包商、分包商等單位，均依照NRC要求，對(duì)意圖使用于核安全相關(guān)領(lǐng)域的商品級(jí)物項(xiàng)進(jìn)行CGD。隨著國(guó)際技術(shù)交流，以及國(guó)際核電新建項(xiàng)目、核電設(shè)備現(xiàn)代化升級(jí)項(xiàng)目之間的交流，CGD方法逐步得到國(guó)際核電業(yè)主、承包商的廣泛認(rèn)識(shí)、支持和采用，已成為在核電廠安全重要(safety-important)領(lǐng)域控制零部件質(zhì)量、杜絕引入不良品的重要手段。

2 CGD法規(guī)、導(dǎo)則及標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

美國(guó)核電CGD自頂向下，建立了相對(duì)較為完整的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了相對(duì)較為清晰的層次和支持關(guān)系。

CGD法規(guī)導(dǎo)則標(biāo)注體系如圖1所示。

圖1 CGD法規(guī)導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)體系圖

①?gòu)姆ㄒ?guī)、導(dǎo)則層面，NRC通過法規(guī)10 CFR 21[1]提供了CGD、商品級(jí)物項(xiàng)(commercial grade item，CGI)等定義；通過10CFR50 Appendix B，對(duì)CGD相關(guān)的物項(xiàng)采購(gòu)控制、物項(xiàng)驗(yàn)證提出了要求，質(zhì)保大綱準(zhǔn)則RG1.28所背書的標(biāo)準(zhǔn)ASME NQA-1[2]；從采購(gòu)控制角度，對(duì)CGD提出了明確要求。這些都構(gòu)成了需要進(jìn)行CGD活動(dòng)的根本依據(jù)。

②NRC兩次通過特別條令(GL89-02[3]和GL 91-05[4])規(guī)定，核電廠在安全及安全相關(guān)系統(tǒng)中使用的零部件，必須依照EPRI NP-5652[5]的指導(dǎo)執(zhí)行，并通過CGD[6-7]。因此，EPRI NP-5652是CGD活動(dòng)的基本標(biāo)準(zhǔn)。

③美國(guó)電科院(EPRI)發(fā)布了數(shù)十份文件組成的系列CGD技術(shù)報(bào)告、實(shí)施指南。其中，EPRI TR-102260作為EPRI NP-5652的補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)，提供了概念的澄清和進(jìn)一步闡釋，進(jìn)一步舉例說明了CGD方法，對(duì)實(shí)際工作執(zhí)行有較強(qiáng)指導(dǎo)意義；而采樣標(biāo)準(zhǔn)EPRI TR-017218[7]，商品級(jí)數(shù)字化部件CGD標(biāo)準(zhǔn)EPRI TR-106439等，從不同方面和層次提供了頗具可操作性的指導(dǎo)，對(duì)EPRI NP-5652構(gòu)成了強(qiáng)有力的補(bǔ)充和支持。

3 CGD概念、定義及方法

商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)、商品級(jí)物項(xiàng)及關(guān)鍵特性(critical characteristic,CC)的定義由美國(guó)核安全相關(guān)法規(guī)10 CFR 21給出。

(1)CGI：在依照10 CFR 50進(jìn)行核電廠取證時(shí)，商業(yè)級(jí)物項(xiàng)是指那些沒有作為“基本組件(basic component)”來開發(fā)、制造的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、部件，以及其中影響安全功能的部分。同時(shí)，商業(yè)級(jí)物項(xiàng)不包括那些特性不可能得到驗(yàn)證的物項(xiàng)。

基本組件要求如下。

同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件的物項(xiàng)，可稱為“基本組件”：①用于確保反應(yīng)堆壓力邊界完整性、停堆，并將其置于安全關(guān)閉狀態(tài)的能力、阻止或減輕事故后果的能力；②在符合10 CFR 50 Appendix B質(zhì)保大綱下開發(fā)制造的物項(xiàng)，或者是已經(jīng)成功完成了“Dedication”程序的商業(yè)級(jí)物項(xiàng)?；窘M件包括伴隨硬件組件的安全相關(guān)設(shè)計(jì)、分析、檢查、測(cè)試、制造、部件替換或咨詢服務(wù)。這些服務(wù)由組件供應(yīng)商或其他方完成 。

通過上述定義可知，商品級(jí)物項(xiàng)未置于核安全質(zhì)保大綱控制之下，并未按核設(shè)施特有的安全要求進(jìn)行開發(fā)研制，但準(zhǔn)備將其用于承擔(dān)核安全功能，或其故障會(huì)影響核安全功能。

因此，已成功通過商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)的物項(xiàng)，視為基本組件。

(2)CGD是一個(gè)認(rèn)可程序。采用這個(gè)程序來提供合理的保證，保證一個(gè)用于安全功能的商業(yè)級(jí)物項(xiàng)，將會(huì)執(zhí)行其所需要的安全功能。就其安全功能的用途而言，該物項(xiàng)等同于一個(gè)在10 CFR 50 Appendix B質(zhì)保大綱下開發(fā)制造的物項(xiàng)。這個(gè)保證是通過識(shí)別物項(xiàng)的關(guān)鍵特性，并在物項(xiàng)交付后通過買方或第三方的檢查、測(cè)試及分析來獲得的，可以使用商業(yè)級(jí)調(diào)查、源地驗(yàn)證以及可接受的歷史記錄作為補(bǔ)充手段。在任何情況下，適用性確認(rèn)活動(dòng)的執(zhí)行必須符合10 CFR 50 Appendix B的相關(guān)要求。

EPRI 3002002982[8](對(duì)NP-5652和TR-102260的第一版修訂)進(jìn)一步解讀分析該定義：“設(shè)計(jì)的適用性(suitability)應(yīng)當(dāng)建立在物項(xiàng)開始采購(gòu)之前。換句話說，適用性確認(rèn)包括的技術(shù)評(píng)價(jià)和接受活動(dòng)不是設(shè)計(jì)的替代，這些活動(dòng)不能用來改變給定物項(xiàng)的設(shè)計(jì)，也不能用來驗(yàn)證給定設(shè)計(jì)的適用性?！盵2]

該報(bào)告在闡述適用性確認(rèn)目的和邊界的章節(jié)中也強(qiáng)調(diào)：“CGI 適用性確認(rèn)發(fā)生在設(shè)計(jì)和鑒定活動(dòng)完成之后” 。

TR-102260則從核電廠相關(guān)質(zhì)保要求10 CFR 50 Appendix B規(guī)定的質(zhì)量范疇角度，解釋鑒定活動(dòng)屬于“設(shè)計(jì)控制”范疇，即設(shè)計(jì)驗(yàn)證；而適用性確認(rèn)屬于“采購(gòu)控制”范疇，即驗(yàn)證交付物項(xiàng)是否真正符合需求[6]。

(3)關(guān)鍵特性：商品級(jí)物項(xiàng)的重要設(shè)計(jì)、材質(zhì)以及性能特性。一旦這些特性得到驗(yàn)證，將提供合理的保證(reasonable assurance)：該物項(xiàng)將執(zhí)行預(yù)期的安全功能。

核電廠物項(xiàng)替換報(bào)告NP-6406，將關(guān)鍵特性分為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性(critical characteristics for design)和驗(yàn)收的關(guān)鍵特性(critical characteristics for acceptance)并給出基本定義。TR-102260接受并引用了這個(gè)概念。而EPRI 3002002982則進(jìn)一步闡釋明確了上述概念，并且從美國(guó)核電導(dǎo)則的慣例出發(fā)，將術(shù)語“設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性(critical characteristics for design)”規(guī)范為“設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性(design critical characteristics)”，將術(shù)語“驗(yàn)收的關(guān)鍵特性(critical characteristics for acceptance)”規(guī)范為“關(guān)鍵特性(critical characteristic)”

以安全級(jí)金屬閥桿為例，EPRI 3002002982所闡釋的“設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性”與“關(guān)鍵特性”之間的關(guān)系[8]如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵特性與設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性的關(guān)系

TR-102260和EPRI 3002002982均指出，通常關(guān)鍵特性是設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性的一個(gè)子集。那些對(duì)物項(xiàng)安全相關(guān)功能必不可少的設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性，被歸為關(guān)鍵特性。CGD定義中“合理保證”的含義是，通過驗(yàn)證經(jīng)適當(dāng)挑選的關(guān)鍵特性，保證物項(xiàng)將會(huì)執(zhí)行預(yù)期的安全功能，而剩余的設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性也是可接受的。

4 CGD方法

4.1 基本方法與過程

CGD基本方法如圖3所示。該方法主要包括兩大元素：技術(shù)評(píng)價(jià)和驗(yàn)收過程。

圖3 CGD基本方法

應(yīng)用于安全相關(guān)功能的商品級(jí)物項(xiàng)，應(yīng)建立CGD大綱，通過充分的技術(shù)評(píng)價(jià)以識(shí)別物項(xiàng)與安全功能相關(guān)的關(guān)鍵特性，并針對(duì)關(guān)鍵特性建立相應(yīng)的驗(yàn)收方法。通過對(duì)采購(gòu)過程的控制、關(guān)鍵特性相關(guān)的質(zhì)量程序的監(jiān)督及專門試驗(yàn)和檢查等活動(dòng)，來確保外購(gòu)物項(xiàng)的關(guān)鍵特性滿足采購(gòu)技術(shù)需求，并最終保證所采購(gòu)物項(xiàng)可充分實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的安全功能。

技術(shù)評(píng)價(jià)由商品級(jí)物項(xiàng)的工程應(yīng)用方根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，來確定所需商品級(jí)物項(xiàng)的具體技術(shù)規(guī)格要求，以及其設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性。技術(shù)評(píng)價(jià)提供了一種在采購(gòu)規(guī)格文件中描述對(duì)該物項(xiàng)的準(zhǔn)確需求的方法。

NP-5652、TR-102260規(guī)定了CGD活動(dòng)的具體過程。CGD的實(shí)施方應(yīng)通過分析物項(xiàng)是否在系統(tǒng)中承擔(dān)安全功能，以及其可信故障形式是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全功能造成影響，來判斷該物項(xiàng)是否為CGI，并進(jìn)一步識(shí)別該CGI的設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性。然后，選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)鍵特性，確定不同關(guān)鍵特性所適應(yīng)的驗(yàn)證方式和接受準(zhǔn)則。實(shí)際執(zhí)行各個(gè)關(guān)鍵特性的驗(yàn)證，形成一系列的驗(yàn)證材料(如試驗(yàn)記錄、測(cè)試報(bào)告、調(diào)查報(bào)告、見證記錄、分析報(bào)告及證明書等)，最終完成CGD。

CGD流程如圖4所示。

圖4 CGD流程圖

以下對(duì)圖4中CGD流程的一些主要步驟和要點(diǎn)進(jìn)行說明。

4.2 安全功能分析及失效模式和機(jī)理分析

安全功能分析及失效模式和機(jī)理分析(failure mode and effect analysis,FMEA)步驟，存在如下要求。

①闡明關(guān)鍵特性選擇的邏輯。

②闡明關(guān)鍵特性與安全功能的關(guān)系。

③闡明關(guān)鍵特性與假定故障模式/機(jī)理的關(guān)系。

安全功能分析及FMEA步驟，可以分解如下。

①識(shí)別最終用途/應(yīng)用情況。

②確定并記錄物項(xiàng)安全功能。

③基于物項(xiàng)準(zhǔn)備執(zhí)行的安全功能，執(zhí)行FMEA分析。

④記錄失效模式/機(jī)理。

4.3 識(shí)別關(guān)鍵特性

4.3.1 CGI關(guān)鍵特性

一般而言，CGI關(guān)鍵特性分為以下三類。

①物理特性。

核電廠商品級(jí)物項(xiàng)典型的物理特性一般包括：電流、復(fù)合材料硬度、滴點(diǎn)、總體結(jié)構(gòu)或外形、熔點(diǎn)、流動(dòng)點(diǎn)、表面光潔度、均衡、濃度、延展性、阻抗、固定方式、純度、表面硬度、電容、電導(dǎo)率、計(jì)示硬度、電感、無延性轉(zhuǎn)變溫度、回彈、抗拉強(qiáng)度、化學(xué)成分、連續(xù)性、彈性、可濾出鹵素、水分、電阻、導(dǎo)熱系數(shù)、濁點(diǎn)、密度/比重、抗疲勞強(qiáng)度、額定載荷、磁導(dǎo)率、剪切強(qiáng)度、力矩、涂層、介電強(qiáng)度、可燃性、發(fā)光、鍍層、溶解度、黏度、顏色、尺寸、閃點(diǎn)、建筑材料、極性、彈簧常數(shù)、質(zhì)量等。

②性能特性。

核電廠商品級(jí)物項(xiàng)典型的性能特性一般包括：精度、流量、可操作性、背離、偏置電流、增益、運(yùn)行范圍、旋轉(zhuǎn)方向、耐老化、馬力、電壓條件下表現(xiàn)、整定值穩(wěn)定性、校準(zhǔn)、輸入/輸出電壓、斷開/吸合時(shí)間、速度、震顫、分?jǐn)嗟燃?jí)、壓力等級(jí)、溫度等級(jí)、額定電流、分?jǐn)嚯娏?、輻照率、時(shí)間/電流響應(yīng)、周期時(shí)間、漏電流、泄壓范圍、額定電壓、死區(qū)頻寬、額定負(fù)載、可重復(fù)性。

③可信性(dependability)特性。

核電廠商品級(jí)物項(xiàng)典型的可信性特性一般包括：內(nèi)建質(zhì)量(設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量)、故障模式和故障管理、可靠性、問題報(bào)告。

4.3.2 識(shí)別關(guān)鍵特性步驟

識(shí)別關(guān)鍵特性這一步驟的基本分解如下。

(1)確定避免故障所需的設(shè)計(jì)特性。

(2)選擇關(guān)鍵特性。

選擇關(guān)鍵特性的過程中，還要特別注意以下幾點(diǎn)。

①并非所有的設(shè)計(jì)需求都要考慮關(guān)鍵特性(如圖2所示)。

②關(guān)鍵特性的數(shù)量、種類，應(yīng)基于物項(xiàng)意圖執(zhí)行的安全功能、應(yīng)用要求、復(fù)雜度、可信故障模式及影響、營(yíng)運(yùn)工況等。

③選擇關(guān)鍵特性時(shí)可采用工程判斷(engineering judgment)。工程判斷是指：一個(gè)具有相應(yīng)資質(zhì)的人，從規(guī)定的前提出發(fā)，通過邏輯推理得出結(jié)論的過程。 這個(gè)過程必須得到充分的文檔支持，從而使具有相應(yīng)資質(zhì)的人可以進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)判斷關(guān)鍵特性是否已經(jīng)覆蓋所有安全功能。

(4)記錄關(guān)鍵特性。

下面舉例展示識(shí)別關(guān)鍵特性的一般過程。

一個(gè)陶瓷管狀熔斷器及其基座，從其形態(tài)、配置/安裝、功能/性能角度看，其主要關(guān)鍵特性如下：形狀/尺寸、額定電流/額定電壓、分?jǐn)嗄芰?、冷態(tài)電阻、熔斷特性、電壓降(額定電流下)、熔化熱能值。

基于上述總體的關(guān)鍵特性，進(jìn)一步分析在CGD活動(dòng)中用于驗(yàn)收該熔斷器的關(guān)鍵特性(接受關(guān)鍵特性)。

(1)通過應(yīng)用情況的分析，得到熔斷器基本安全功能。

①正常工作條件時(shí)承載必要的負(fù)載電流而不發(fā)生中斷；

②在達(dá)到規(guī)定的過載條件時(shí)及時(shí)分?jǐn)嚯娐贰?/p>

(2)通過驗(yàn)證熔斷器的熔斷特性，可判斷該熔斷器是否能夠在過載發(fā)生時(shí)按要求及時(shí)分?jǐn)嚯娐?。因此，熔斷特性是接受該熔斷器必須要得到?yàn)證的特性。

(3)正常工作條件時(shí)設(shè)計(jì)的熔斷器負(fù)載電流小于熔斷器標(biāo)稱的額定電流，因此熔斷器應(yīng)可以長(zhǎng)時(shí)間承載設(shè)計(jì)負(fù)載電流而不發(fā)生分?jǐn)唷?/p>

(4)由于該熔斷器用于電路前級(jí)已經(jīng)過轉(zhuǎn)換并帶有保護(hù)的低壓直流電路的過載保護(hù)，其電路中可能發(fā)生的過載電流能量有限，遠(yuǎn)低于熔斷器的標(biāo)稱分?jǐn)嗄芰?。因此，分?jǐn)嗄芰Σ蛔鳛殛P(guān)鍵特性來進(jìn)行考察。

(5)熔化熱能值與熔斷特性密切相關(guān)，熔斷特性得到驗(yàn)證，即表明熔化熱能值符合要求。

綜上分析，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求的其他關(guān)鍵特性，選定該熔斷器CGD驗(yàn)收關(guān)鍵特性如表1所示。

表1 熔斷器CGD驗(yàn)收關(guān)鍵特性

4.4 選擇關(guān)鍵特性驗(yàn)證方法及確定接受準(zhǔn)則

對(duì)于NP-5652規(guī)定的四種關(guān)鍵特性驗(yàn)證方法及其適用情況，作如表2所示的說明。

表2 對(duì)四種驗(yàn)證關(guān)鍵特性方法的說明

上述方法中，方法1直接、易于控制，這里不多作解釋。方法2強(qiáng)調(diào)具體考察被確認(rèn)物項(xiàng)是否被有效地置于質(zhì)量控制活動(dòng)之下、質(zhì)量控制是否充分。這對(duì)與供應(yīng)商的合作提出了較高要求。考慮到國(guó)內(nèi)核電廠往往采購(gòu)國(guó)外知名大牌工業(yè)廠商的產(chǎn)品，因此這種方法在國(guó)內(nèi)的使用有可能受限。方法3的應(yīng)用范圍也相對(duì)局限，同方法2，對(duì)于許多通用商業(yè)級(jí)物項(xiàng)，考慮采購(gòu)用量、出境差旅等因素，到國(guó)外生產(chǎn)廠商處對(duì)其設(shè)計(jì)、測(cè)試、采購(gòu)以及加工裝配等環(huán)節(jié)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)見證可能會(huì)很不經(jīng)濟(jì)。方法4主要考察供應(yīng)商過往業(yè)績(jī)以及目標(biāo)物項(xiàng)的表現(xiàn)記錄，來接受一個(gè)外購(gòu)部件。

根據(jù)NRC專項(xiàng)條令GL 89-02，方法4不可單獨(dú)使用，只能配合其他方法使用。

以上方法2、3、4與方法1結(jié)合使用，可以在保證核級(jí)設(shè)備或核級(jí)服務(wù)安全質(zhì)量的前提下，顯著降低核電廠相關(guān)運(yùn)營(yíng)、承包或分包單位實(shí)施CGD的成本。這也符合NRC和EPRI等CGD體系開發(fā)方“提供合理保證”的本意，即在合理、現(xiàn)實(shí)可行的工程成本條件下，最大可能地保障用于安全相關(guān)系統(tǒng)的商品級(jí)部件的質(zhì)量。

5 結(jié)束語

目前，在國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)在建和新投運(yùn)的核電廠百萬千瓦機(jī)組安全級(jí)DCS工程項(xiàng)目中，已經(jīng)對(duì)DCS采用的電氣類商品級(jí)物項(xiàng)實(shí)施了CGD 活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程項(xiàng)目采購(gòu)商業(yè)零件用于核電廠安全系統(tǒng)的良好控制，保證了用于承擔(dān)安全功能或影響安全功能的部件具有與核安全重要性相匹配的高質(zhì)量。這些項(xiàng)目得到了核電監(jiān)管機(jī)構(gòu)、業(yè)主的一致認(rèn)可，對(duì)CGD的科研和實(shí)踐工作正在不斷走向深入。

核電廠商品級(jí)物項(xiàng)的CGD工作，是一項(xiàng)與核電廠工程應(yīng)用設(shè)計(jì)、采購(gòu)和驗(yàn)收聯(lián)系非常緊密的活動(dòng)。其適用的關(guān)鍵特性驗(yàn)證方法，也隨著物項(xiàng)不同、應(yīng)用情況不同以及采購(gòu)策略的不同而各有差異。因此，只有在實(shí)踐中強(qiáng)化這方面的技術(shù)研究，不斷總結(jié)、積累不同項(xiàng)目中的良好實(shí)踐和工程經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊蜌w納，才能逐步形成適合我國(guó)國(guó)情的CGD工作方法和規(guī)范體系。