熱力環(huán)境條件分析法鑒定研究

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(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518214)

設(shè)備鑒定是確保核安全相關(guān)設(shè)備在其壽命周期執(zhí)行其安全功能的保證。設(shè)備鑒定的主要方法包括試驗(yàn)法、分析法以及混合法。通過模擬設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境測試設(shè)備在工作環(huán)境條件下的工作性能的試驗(yàn)法，是最直接也是可靠的設(shè)備鑒定方法。但是，試驗(yàn)法鑒定通常需要較高的試驗(yàn)費(fèi)用和較長的試驗(yàn)時(shí)間。目前全球在運(yùn)核電機(jī)組越來越多，在運(yùn)核電設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)也越來越多，基于現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析法鑒定得到越來越多的應(yīng)用。分析法可以通過現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)數(shù)據(jù)和新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的對比分析，確定現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)是否能滿足新機(jī)組的設(shè)備鑒定要求。采用分析法鑒定不僅可以減少設(shè)備鑒定的時(shí)間，也可以減少設(shè)備鑒定的費(fèi)用。

熱力環(huán)境條件(包括事故及事故后)是根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)計(jì)算得到的，不同機(jī)組熱力環(huán)境條件存在差異。在采用分析法進(jìn)行設(shè)備鑒定時(shí)，需要考慮現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件能否包絡(luò)新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件。

1 鑒定因素

溫度對設(shè)備性能的改變方式有瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種方式，無論是瞬態(tài)效應(yīng)還是穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，都有可能引發(fā)設(shè)備性能的改變和損壞[1]。

溫度對設(shè)備性能影響的瞬態(tài)效應(yīng)主要體現(xiàn)在溫度變化導(dǎo)致設(shè)備不同材料的非同步膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致設(shè)備材料裂紋和失效。在設(shè)備鑒定過程中，溫度的瞬態(tài)影響效應(yīng)可以通過模擬設(shè)備在熱力環(huán)境條件的升降溫過程中的功能性來進(jìn)行驗(yàn)證。

溫度對設(shè)備性能影響的穩(wěn)態(tài)效應(yīng)是通過漸進(jìn)的理化過程而間接改變的過程，即熱老化。另外，當(dāng)環(huán)境溫度顯著大于設(shè)備正常設(shè)計(jì)溫度時(shí)，對于設(shè)備上的有機(jī)材料，高溫將導(dǎo)致有機(jī)材料分子的動能增加，從而加快材料的交聯(lián)和斷鏈反應(yīng)而改變材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而改變設(shè)備宏觀上的理化、機(jī)械及電氣特性。因此，在設(shè)備鑒定過程中，為了驗(yàn)證溫度對設(shè)備性能影響的穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，不僅需要考慮熱力環(huán)境條件的持續(xù)時(shí)間，同時(shí)還需要考慮熱力環(huán)境條件中的最高溫度及高溫持續(xù)時(shí)間。

因此，在采用分析法進(jìn)行熱力環(huán)境條件的鑒定時(shí)需要考慮的鑒定因素包括：

1)最大溫度變化速率因素：現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率，能否包絡(luò)新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率；

2)最高溫度因素：現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件中的最高溫度及高溫持續(xù)時(shí)間，能否包絡(luò)新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件中的最高溫度及高溫持續(xù)時(shí)間；

3)熱老化效應(yīng)因素：現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件的熱老化效應(yīng)，能否包絡(luò)新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件的熱老化效應(yīng)。

2 鑒定流程

根據(jù)熱力環(huán)境條件分析法鑒定需考慮的三個鑒定因素，熱力環(huán)境條件分析法鑒定可采用的鑒定流程如圖1所示。

圖1 熱力環(huán)境條件分析法鑒定流程Fig.1 Process of analysis-qualification for thermodynamic conditions

(1)最高溫度因素包絡(luò)性分析

在熱力環(huán)境條件分析法鑒定過程中，最高溫度因素包絡(luò)性判斷是最直觀的，可直接通過比較現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件曲線和新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件曲線中的最高溫度及高溫持續(xù)時(shí)間來判斷。當(dāng)現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件中的最高溫度及高溫持續(xù)時(shí)間均大于等于新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件中的最高溫度及高溫持續(xù)時(shí)間時(shí)，則認(rèn)為最高因素能包絡(luò)。當(dāng)最高溫度因素不能被包絡(luò)時(shí)，需要補(bǔ)充證明材料或試驗(yàn)證明現(xiàn)有樣機(jī)能在新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件中的最高溫度及高溫持續(xù)時(shí)間下仍能正常工作。

(2)最大溫度變化速率因素包絡(luò)性分析

最大溫度變化速率因素的包絡(luò)性，是通過比較現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率和新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率的大小來判斷，當(dāng)前者大于等于后者則認(rèn)為可包絡(luò)。當(dāng)最大溫度變化速率因素不能被包絡(luò)時(shí)，需要補(bǔ)充證明材料或試驗(yàn)證明現(xiàn)有樣機(jī)能在新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件升降溫過程中的最大溫度變化速率下仍能正常工作。熱力環(huán)境條件中的最大溫度速率可根據(jù)熱力環(huán)境條件曲線和數(shù)值計(jì)算得到。

(3)熱老化效應(yīng)因素包絡(luò)性分析

根據(jù)熱老化效應(yīng)與熱力環(huán)境條件溫度和持續(xù)時(shí)間的正相關(guān)性，在進(jìn)行熱力環(huán)境條件分析法鑒定熱老化效應(yīng)因素包絡(luò)性判斷過程中，現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件曲線和新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件曲線的相對關(guān)系可以分為如圖2～圖4所示的三種形式。

圖2 樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線1Fig.2 Sample qualification test line and required qualification test line 1

對于圖2所示形式，由圖可直接看出樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線的溫度大于等于機(jī)組鑒定要求曲線對應(yīng)的溫度，且樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線持續(xù)時(shí)間大于機(jī)組鑒定要求曲線持續(xù)時(shí)間。根據(jù)熱老化效應(yīng)與熱力環(huán)境條件溫度和持續(xù)時(shí)間的正相關(guān)性，對于圖2所示形式，可以直觀判斷現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件曲線的熱老化效應(yīng)能包絡(luò)新機(jī)組設(shè)備鑒定要求熱力環(huán)境條件曲線的熱老化效應(yīng)。

圖3所示形式與圖2所示形式剛好相反，樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線的溫度小于等于機(jī)組鑒定要求曲線對應(yīng)的溫度，且樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線持續(xù)時(shí)間小于等于機(jī)組鑒定要求曲線持續(xù)時(shí)間。因此，對于圖3所示形式，也可以直接判斷出現(xiàn)有樣機(jī)現(xiàn)有鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件曲線的熱老化效應(yīng)不能包絡(luò)新機(jī)組設(shè)備鑒定要求熱力環(huán)境條件曲線的熱老化效應(yīng)。為使鑒定通過則需對樣機(jī)補(bǔ)充證明材料或試驗(yàn)進(jìn)行說明。

圖3 樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線和機(jī)組鑒定要求曲線2Fig.3 Sample qualification test line and required qualification test line 2

對于圖4所示形式，樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線3的熱老化效應(yīng)無法根據(jù)熱老化效應(yīng)與熱力環(huán)境條件溫度和持續(xù)時(shí)間的正相關(guān)性進(jìn)行直觀判斷。對于這種形式，熱老化效應(yīng)包絡(luò)性可以通過比較樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線和機(jī)組鑒定要求曲線在某一參考溫度下的等效熱老化時(shí)長的大小來判斷，當(dāng)前者大于等于后者則認(rèn)為可包絡(luò)。因此，為了進(jìn)行圖4所示形式樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線的熱老化效應(yīng)包絡(luò)性判斷，首先需要計(jì)算出樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時(shí)長。

圖4 樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線和機(jī)組鑒定要求曲線3Fig.4 Sample qualification test line and required qualification test line 3

3 熱老化效應(yīng)計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

在進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)時(shí)，通常根據(jù)式(1)所示的Arrhenius公式計(jì)算加速熱老化時(shí)間[2-3]：

t1/t2=exp[(E/KB)(1/T1-1/T2)]

(1)

式中：T1——設(shè)備的正常工作溫度(K)；

T2——加速熱老化試驗(yàn)溫度(K)；

t1——設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命(h)；

t2——加速熱老化實(shí)驗(yàn)的時(shí)間(h)；

KB——波爾茲曼常數(shù)(8.617×10-5eV/K);

E——材料的活化能。

Arrhenius公式的本質(zhì)是不同溫度下等效熱老化時(shí)長的對應(yīng)關(guān)系。因此，對于圖4所示形式的樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線熱老化效應(yīng)包絡(luò)性判斷時(shí)，可以通過Arrhenius公式計(jì)算兩條曲線在參考溫度下的等效熱老化時(shí)長，從而進(jìn)行判斷。

如圖2至圖4所示，樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線通常為一個變溫的過程，因此在計(jì)算樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時(shí)長時(shí)，需要將式(1)變形為式(2)所示微分形式。通過積分概念的思想，利用計(jì)算機(jī)編程來計(jì)算熱力曲線的等效老化效應(yīng)。

Δt1=Δt2exp[(E/KB)(1/T1-1/T2)]

(2)

式中：T1——等效熱老化參考溫度(K)；

T2——加速熱老化試驗(yàn)溫度(K)；

Δt1——T1下的等效熱老化時(shí)長(h)；

Δt2——加速熱老化實(shí)驗(yàn)的時(shí)間(h)；

KB——波爾茲曼常數(shù)(8.617×10-5eV/K);

E——材料的活化能。

根據(jù)式(2)可知，當(dāng)選定一個等效熱老化參考溫度T1后，參考溫度下的等效熱老化的計(jì)算結(jié)果與微分步長Δt2和活化能E的取值相關(guān)。因此，有必要分析微分步長Δt2和活化能E的取值對樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線的熱老化效應(yīng)包絡(luò)性判斷的影響。

3.2 計(jì)算分析

3.2.1 Δt2取值分析

當(dāng)活化能E取0.8 eV，參考溫度T1取90 ℃時(shí)，圖4所示的樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時(shí)長隨Δt2取值的變化關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 等效熱老化時(shí)長隨Δt2變化關(guān)系Fig.5 Change of equivalent thermal aging time along with

圖6 等效熱老化時(shí)長相對偏差Fig.6 Relative deviation of equivalent thermal aging time

根據(jù)圖5所示結(jié)果可知，Δt2取不同值時(shí)，參考溫度下等效熱老化時(shí)長的計(jì)算結(jié)果基本不變。Δt2的取值的不同不會改變于樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時(shí)長的相對大小關(guān)系，即不影響樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線的熱老化效應(yīng)的包絡(luò)性判斷。

根據(jù)圖6所示的結(jié)果知，當(dāng)Δt2取1×10-3h到1×10-6h計(jì)算得到的參考溫度下的等效熱老化時(shí)長與Δt2取1×10-6h時(shí)計(jì)算得到的等效熱老化時(shí)長的相對誤差都在10-4以下?？紤]計(jì)算機(jī)程序計(jì)算效率，在實(shí)際計(jì)算過程中Δt2取1×10-4h即可滿足計(jì)算要求。

3.2.2E取值分析

根據(jù)美國電力研究院的研究結(jié)果，絕大多數(shù)材料用于熱老化評價(jià)的活化能取值可在0.6～0.8 eV范圍內(nèi)[4-5]。當(dāng)Δt2取值為1×10-4h，參考溫度T1取90 ℃時(shí)，E在0.6～0.8 eV范圍內(nèi)取不同值時(shí)，圖4所示的樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時(shí)長隨E的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 等效熱老化時(shí)長隨活化能E的變化關(guān)系Fig.7 Change of equivalent thermal aging time with active energy E

根據(jù)圖7所示結(jié)果可知，活化能E的取值對于樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線或機(jī)組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時(shí)長的計(jì)算結(jié)果影響很大，參考溫度下的等效熱老化時(shí)長與活化能E成正相關(guān)性，即E的取值越大，計(jì)算得到的結(jié)果越保守。但是，活化能E的選取不會改變樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時(shí)長的相對大小關(guān)系，即不影響樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線的熱老化效應(yīng)包絡(luò)性判斷。

由于活化能E的選取對于參考溫度下的等效熱老化時(shí)長的計(jì)算結(jié)果影響很大，因此在實(shí)踐過程中，為了提高參考溫度下等效熱老化時(shí)長計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要準(zhǔn)確確定設(shè)備的活化能E。當(dāng)能夠準(zhǔn)確計(jì)算樣機(jī)鑒定試驗(yàn)曲線與機(jī)組鑒定要求曲線在參考溫度下的等效熱老化時(shí)長時(shí)，計(jì)算結(jié)果可以用來指導(dǎo)準(zhǔn)備后續(xù)的補(bǔ)充證明材料或試驗(yàn)來進(jìn)行進(jìn)一步的熱老化效應(yīng)包絡(luò)性分析。在實(shí)踐中，當(dāng)無法準(zhǔn)確確定設(shè)備的活化能E時(shí)也可取一個較大的活化能E值來進(jìn)行計(jì)算。這種情況下可以得到一個更加保守的計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)論

本文根據(jù)溫度對于設(shè)備性能影響的兩種效應(yīng)，總結(jié)了采用分析法開展熱力環(huán)境條件鑒定時(shí)需要考慮的鑒定因素，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種用于熱力環(huán)境條件分析法鑒定的鑒定流程。

本文根據(jù)熱老化效應(yīng)與熱力環(huán)境條件溫度和持續(xù)時(shí)間的正相關(guān)性，對現(xiàn)有樣機(jī)鑒定試驗(yàn)用熱力環(huán)境條件曲線和新機(jī)組設(shè)備鑒定要求的熱力環(huán)境條件曲線的相對關(guān)系進(jìn)行了分類。并基于Arrhenius公式編寫了熱老化效應(yīng)計(jì)算程序，分析了計(jì)算程序中的微分步長Δt2和活化能E的取值對熱老化效應(yīng)包絡(luò)性判斷的影響。計(jì)算機(jī)程序不僅可以用來進(jìn)行熱力環(huán)境條件分析法鑒定中的熱老化效應(yīng)包絡(luò)性判斷，還能用于指導(dǎo)補(bǔ)充證明材料或試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的熱老化效應(yīng)包絡(luò)性分析。