“華龍一號”核電站嚴酷環(huán)境用電纜研制難點問題解析

熊 宇，鄧志偉

(中國核電工程公司，北京 100840)

電纜是保證核電站正常運行的重要設(shè)備之一，主要用于核電站電力和控制、測量信號的傳輸，是保證核電站各系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的血管和神經(jīng)。嚴酷環(huán)境用電纜是安裝在核島安全殼內(nèi)，是在正常環(huán)境條件下及設(shè)計基準事故和嚴重事故環(huán)境條件下均能執(zhí)行其規(guī)定功能的電纜。

由于“華龍一號”核電站嚴苛的安全性能要求，“華龍一號”核電站嚴酷環(huán)境用電纜與二代機型核電站K1類電纜相比其技術(shù)指標有很大的提高。電纜的使用壽命由40年提高到了60年，并且除了需要考慮二代要求的正常環(huán)境條件和設(shè)計基準事故環(huán)境條件外還需考慮嚴重事故環(huán)境條件及其后的水淹環(huán)境，以使核電站的安全更有保障。

下面就在研制該類電纜過程中遇到的難點問題和解決方法做出介紹。

1 確定電纜結(jié)構(gòu)和各層的材料

“華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜的使用壽命為在90 ℃下不小于60年，具有低煙、無鹵、耐油、耐臭氧等特性。除滿足基本的電氣和機械性能外，該電纜的絕緣線芯要求符合單根垂直燃燒、成品電纜要求通過成束燃燒B類試驗要求。同時該電纜還需要滿足正常環(huán)境和設(shè)計基準及嚴重事故環(huán)境下的熱老化、輻照老化及高溫高壓和水淹等苛刻的環(huán)境條件。

1.1 “華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜的結(jié)構(gòu)和材料

為了保證電纜的各項性能滿足“華龍一號”核電站的要求，我們進行了認真的研究和試驗，確定了最優(yōu)的電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并且獲得了多項專利。下面，以嚴酷環(huán)境用控制電纜為例介紹其結(jié)構(gòu)和各層使用的材料。

電纜導(dǎo)體由多根鍍錫銅導(dǎo)線組成，使的電纜線芯柔軟并有良好的防腐性。每根導(dǎo)體擠包雙層復(fù)合型輻照交聯(lián)聚烯烴材料絕緣層，在保證電性能的同時保證了電纜芯線的阻燃特性。在絕緣層外包裹耐高溫繞包層很好地提高了電纜的耐高溫性能。電纜采用無鹵高阻燃耐輻照材料無縫隙高壓擠出填充?？闺姶鸥蓴_屏蔽層采用鍍錫銅絲編織屏蔽。護套采用耐輻照交聯(lián)聚烯烴高科技聚合物材料，提高了電纜的機械性能并滿足了低煙、無鹵、阻燃的要求。

1.2 “華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜結(jié)構(gòu)和材料的特點

“華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜要求低煙、無鹵、阻燃、并且具有高電性能和高機械性能，滿足重量輕、外徑小、彎曲半徑小的要求。為此，電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計采取以下措施。

第一點，全部使用低煙、無鹵材料。

由于“華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜要求低煙、無鹵，所以電纜設(shè)計生產(chǎn)時所有材料均采用低煙、無鹵型材料。我們使用鹵酸氣體含量測試設(shè)備對原材料進行把關(guān)檢驗，以使其滿足產(chǎn)品的低煙無鹵的設(shè)計和制造要求。使用成束燃燒設(shè)備、煙密度試驗設(shè)備和單根垂直燃燒設(shè)備對電纜試樣進行多次試驗，保證了電纜性能的可靠性。

第二點，采用雙層絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計。

電纜的工作溫度、短路溫度、絕緣電阻、熱壽命評定、燃燒特性以及外徑尺寸等指標是相互制約的，所以絕緣結(jié)構(gòu)需作全面考慮。由于采用輻照交聯(lián)聚烯烴材料在增加阻燃性能時勢必造成絕緣性能的下降，為保證電纜的設(shè)計要求，對“華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜絕緣線芯采用雙層絕緣設(shè)計，內(nèi)層采用高電性能輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣材料擠出，外層采用輻照阻燃交聯(lián)聚烯烴絕緣材料擠包，雙層絕緣同時共擠，保證了電纜的電性能和阻燃性能。成品電纜的阻燃性能可以達到GB/T18380中規(guī)定的成束燃燒B類和絕緣線芯單芯垂直燃燒的要求。

第三點，增加了絕緣耐高溫繞包層。

此次研發(fā)的線芯絕緣采用輻照聚烯烴雙層擠包，以保證其電性能符合設(shè)計要求，但因聚烯烴材料的耐高溫性能較低，為保證電纜在正常工況和設(shè)計基準及嚴重事故工況下可以正常使用，在絕緣線芯上選擇增加了耐高溫繞包層結(jié)構(gòu)，有效地保證了絕緣線芯在高溫狀態(tài)下的各項性能符合設(shè)計要求，對電纜整體性能也有明顯的提升。

第四點，電纜填充采用擠壓式擠包結(jié)構(gòu)。

針對“華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜要求結(jié)構(gòu)緊湊、外徑小、重量輕等特點，電纜填充采用無鹵高阻燃耐輻照材料擠壓式擠包而成。該結(jié)構(gòu)減少了因條狀填充造成的外徑增大，提高了電纜圓整度，有效防止了電纜在高溫高壓環(huán)境下絕緣線芯發(fā)生位移而影響產(chǎn)品性能。在工藝性能上我們針對無鹵阻燃材料填充劑多，造成材料在擠出過程中流動性差，摩擦熱大，溫度要求精度高，影響成品電纜的拉伸和抗張強度等現(xiàn)象，進行重點攻關(guān)，并取得了材料廠家的技術(shù)支持，掌握了材料特性，使試制產(chǎn)品的各項性能達到研制任務(wù)書要求。

2 滿足電纜60年以上壽命的要求

“華龍一號”核電站嚴酷環(huán)境用電纜的使用壽命為在90 ℃下不小于60年，大大超過了二代核電站要求的40年。為此，電纜材料和加工工藝均需要非常高的標準以達到此壽命要求。

根據(jù)核電相關(guān)規(guī)范要求，組成電纜的主要非金屬材料和成品電纜均須進行電纜熱老化壽命評定試驗，取得熱老化壽命評定報告。

組成電纜主要非金屬材料為電纜的內(nèi)、外絕緣和護套材料。首先分別試驗并計算出這三種材料在90 ℃下的熱老化壽命并推算出其活化能。

根據(jù)標準要求和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，成品電纜的熱老化試驗溫度可以選擇155 ℃。使用試驗和計算得到的材料活化能及該熱老化溫度可以推算出成品電纜的熱老化試驗時間，然后按照該熱老化溫度和時間進行成品電纜的熱老化試驗。熱老化試驗完成后的電纜還要進行一系列試驗來驗證其可靠性。

2.1 電纜材料的熱壽命試驗和計算

根據(jù)國際上對電線電纜用高分子材料的試驗研究和運行經(jīng)驗，可以得出這樣的結(jié)論：即電線電纜在一定工作溫度范圍內(nèi)，熱壽命的化學(xué)反應(yīng)，絕大多數(shù)情況符合阿倫紐斯(Arrhenius)經(jīng)驗推算公式。

阿倫紐斯推算公式為：Logτ=a+b/T;

式中，τ為產(chǎn)品在溫度T條件下工作的壽命，h；T為工作溫度，K；a，b為待定系數(shù)。

在設(shè)定的工作溫度下，通過試驗和推導(dǎo)，可計算得出待定系數(shù)a和b，利用此公式可算出壽命τ，若τ的數(shù)值大于期望值(60年)，也就滿足了電纜材料設(shè)計壽命的要求。

我們提供電纜的內(nèi)、外絕緣和護套材料的試樣委托國家電線電纜監(jiān)督檢測中心分別進行了材料的壽命試驗。以下以電纜外絕緣材料壽命試驗為例進行介紹。

首先使用電纜的內(nèi)、外絕緣和護套材料分別進行熱老化壽命試驗。通過試驗和計算可以分別得到電纜內(nèi)、外絕緣和護套材料的活化能(Ea)。依據(jù)材料的活化能數(shù)據(jù)通過計算就能得到成品電纜的熱老化試驗條件。

阿倫紐斯公式的指數(shù)形式為:

①

式中

τ為：產(chǎn)品在溫度T條件下工作的壽命(h)；

T為：開氏溫度，開爾文，T=θ+273.15；

θ為：攝氏溫度，℃；

A為：與材料和診斷試驗有關(guān)的常數(shù)；

Ea為：材料活化能，單位是電子伏特，eV；

k為：玻爾茲曼常數(shù)，k=0.000 086 17；

e為：自然對數(shù)，e=2.718 281 8；

公式①變化后為

②

將需鑒定的壽命時間τ2、工作溫度T2代入②式有：

③

將需加速老化的時間τ1、工作溫度T1代入②式有：

④

④-③

⑤

變換⑤式后得：

⑥

由⑥式可以看出，材料的活化能越小，一定溫度下達到老化極限的時間越長。

所以，選擇電纜內(nèi)絕緣材料的活化能數(shù)據(jù)

Ea=126 kJ/mol=1.305 9 eV

由于電纜的60年工作溫度為90℃，而加速老化試驗溫度為155℃，可得：

工作溫度T2=273.15+90=363.15 K

加速老化溫度T1=273.15+155=428.15 K

需鑒定的材料壽命τ2=60年=60×365×24 h=525 600 h

將以上參數(shù)代入⑥式得

電纜的老化時間

=525 600×e[1.305 9/0.000 086 17×(1/428.15-1/363.15)]

=931.44 h

加放10%的裕量后的熱老化時間為:

τ=931.44×(1+10%)≈1 025 h

由以上計算可知：成品電纜的熱老化試驗條件為155 ℃/1 025 h。

3 嚴酷環(huán)境下的高溫高壓試驗及其后的浸沒試驗

“華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜使用在核島安全殼內(nèi)，除了在正常環(huán)境條件下使用外還需耐受一定時間的設(shè)計基準事故[包括反應(yīng)堆冷卻劑喪失(LOCA)、主蒸汽管道破裂(MSLB)、其他高能管道破裂(HELB)]和嚴重事故環(huán)境，并且還要考慮嚴重事故環(huán)境后的水淹浸沒環(huán)境，所以需要進行嚴酷環(huán)境下的高溫高壓試驗及其后的浸沒試驗。

由于考慮了嚴重事故環(huán)境條件等因素，“華龍一號”三代機型核電站的嚴酷環(huán)境下的高溫高壓模擬試驗曲線比二代機型的LOCA模擬試驗曲線嚴酷很多，加上其后的浸沒試驗，對電纜的要求非常高。為此，我們采用了增加絕緣耐高溫繞包層等工藝改進，為試驗的成功奠定了基礎(chǔ)。

嚴酷環(huán)境下的高溫高壓試驗及其后的浸沒試驗在國家核安全局和生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心、生態(tài)環(huán)境部北方核與輻射安全監(jiān)督站等單位見證下，在國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心完成。

3.1 試驗樣品的準備

嚴酷環(huán)境下的高溫高壓試驗的試驗樣品分為三組，其中成品電纜二組和絕緣線芯一組。第一組為已進行了前期的熱老化試驗、輻照老化試驗的成品電纜樣品；第二組為只經(jīng)過事故環(huán)境下輻照試驗的成品電纜樣品；第三組為經(jīng)過了前期的熱老化試驗、輻照老化試驗的絕緣線芯樣品。

所有樣品在高溫高壓試驗前均以約20倍電纜外徑為直徑彎曲成圈后，進行浸水1 h耐交流電壓試驗及絕緣電阻試驗，試驗結(jié)果符合設(shè)計要求。

試驗樣品以約40倍電纜直徑為彎曲直徑纏繞在試驗支架上并固定。

試驗樣品在試驗倉頂蓋上采用專用貫穿技術(shù)貫穿，使用液體硅橡膠灌注固化，再用金屬蓋板機械固定并加壓密封。

3.2 高溫高壓試驗過程

按照鑒定試驗大綱對“華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜試驗樣品進行高溫高壓試驗。

高溫高壓試驗過程中,電力電纜、控制電纜和儀表電纜全程施加相應(yīng)的電壓和電流，并對試驗樣品實施12 h的化學(xué)介質(zhì)噴淋。試驗持續(xù)時間為16 d，其中前期預(yù)處理時間24 h。

3.3 高溫高壓試驗結(jié)果和驗證試驗

在高溫高壓試驗完成后的完整電纜，以約40倍電纜外徑為直徑彎曲成圈后無開裂，隨后進行浸水1 h耐電壓試驗及絕緣電阻試驗，試驗結(jié)果符合設(shè)計要求?！叭A龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜耐高溫高壓試驗成功完成。

3.4 高溫高壓試驗后的浸沒試驗

“華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜在高溫高壓試驗后需進行浸沒試驗。試驗使用已進行高溫高壓試驗及隨后的電氣性能試驗的兩組電纜，將其本體全部浸入到強堿性的浸沒試驗溶液中。浸沒試驗溫度為137 ℃，浸沒試驗壓力為0.33 MPa, 浸沒試驗持續(xù)時間15 d。浸沒試驗過程中給試驗樣品施加試驗電流和電壓。浸沒試驗過程中實時監(jiān)控浸沒溶液的液位高度，當液位高度不夠時及時補充溶液。

浸沒試驗結(jié)束后電纜外護套完整、無開裂破損，無脫落。然后進行1 h的浸水耐壓試驗，試驗結(jié)果符合設(shè)計要求。

浸沒試驗的成功標志著“華龍一號”嚴酷環(huán)境用電纜鑒定型式試驗全部完成。該系列鑒定型式試驗條件經(jīng)過我們多年的研究和修改并經(jīng)過專家評審后定稿，經(jīng)驗證是嚴謹并可行的。

4 結(jié) 論

“華龍一號”核電站嚴酷環(huán)境用電纜相對于我們以往設(shè)計的電纜其技術(shù)要求有很大提高，相應(yīng)的鑒定試驗難度也非常大，特別體現(xiàn)在電纜的60年壽命鑒定試驗要求和挑戰(zhàn)性的高溫高壓試驗及其后的浸沒試驗。

對于電纜熱壽命的鑒定，選用合適的電纜材料進行老化試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算出其活化能并推導(dǎo)出成品電纜熱老化時間是關(guān)鍵。本文給出了相應(yīng)的試驗和計算過程。

為了保證高溫高壓試驗等嚴酷環(huán)境試驗的成功，我們采用了增加絕緣耐高溫繞包層等新技術(shù)，通過反復(fù)的設(shè)計方案調(diào)整和試驗試制，確定了電纜結(jié)構(gòu)和各層的材料，為研發(fā)的成功打下了良好的基礎(chǔ)。

在兩年多的時間里，我們努力攻克了很多技術(shù)難題，取得了多項技術(shù)專利，經(jīng)過嚴謹?shù)脑O(shè)計和試驗，終于研制出了符合“華龍一號”核電站嚴酷環(huán)境要求的電纜。該類電纜的研制成功填補了國際空白，為“華龍一號”核電站的順利建設(shè)貢獻了力量。