核電站用1E級(jí)電纜熱老化壽命研究吳春紅 王巧云

戴永拓 佘榮 董鉑 汪盛昌 曹玉呈 徐勇

摘要：采用熱老化試驗(yàn)方法，對(duì)絕緣材料進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，確定其等效環(huán)境溫度，并進(jìn)一步計(jì)算不同負(fù)荷因數(shù)下的電纜導(dǎo)體溫度，以確定電纜的熱老化壽命，通過(guò)計(jì)算不同負(fù)荷系數(shù)下的電纜熱老化壽命，給出了一系列的關(guān)于核電站用1E級(jí)電纜壽命的預(yù)估值，對(duì)核電站實(shí)際運(yùn)行情況下的電纜老化管理具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：核電站用1E級(jí)電纜;等效環(huán)境溫度;熱老化壽命評(píng)估;額定載流量;負(fù)載因數(shù)

前言

1E類(lèi)電纜在對(duì)于核電站的安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，這類(lèi)電纜在承擔(dān)著核電站的能量傳遞功能的同時(shí)，也作為控制信號(hào)傳輸?shù)闹匾橘|(zhì)，是核電站的重要設(shè)備之一。對(duì)電纜進(jìn)行有效精確的壽命評(píng)估，可以有效避免電纜超過(guò)壽命，帶病運(yùn)行所帶來(lái)的安全隱患;同時(shí)還可以設(shè)計(jì)由針對(duì)性的措施來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命，提高電廠經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)核電站電纜進(jìn)行壽命評(píng)估是非常必要的。1E級(jí)別電纜的熱老化機(jī)理和壽命預(yù)測(cè)是一個(gè)核電領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越多的受到關(guān)注，相關(guān)的研究論文不斷涌現(xiàn)。但現(xiàn)有的導(dǎo)體溫度模型對(duì)于導(dǎo)體溫度的實(shí)際變化這一參數(shù)的考慮還不盡完善，很多研究中都忽略了對(duì)于這一參數(shù)的研究，使得研究得出的理論值與實(shí)際測(cè)量值之間存在一定的偏差。

本文以1E類(lèi)電纜為研究對(duì)象，對(duì)絕緣材料進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)，通過(guò)這種方式可以有效的縮短試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)還能取得相對(duì)較為精確的試驗(yàn)結(jié)果，最終得到熱老化壽命方程;用于分析1E級(jí)別電纜的壽命。對(duì)1E級(jí)別電纜在核電廠中應(yīng)用過(guò)程的壽命估算有一定的參考價(jià)值。

1.測(cè)試部分

1.1測(cè)試原理

1E類(lèi)電纜的絕緣材料以聚合物材料為主。高分子材料在老化過(guò)程中，分子鏈會(huì)逐漸發(fā)生斷裂，從而引起分子量、晶粒尺寸的變化。隨著老化程度的不斷加深，高分子材料的相對(duì)分子質(zhì)量會(huì)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)不斷的下降，但是一般不會(huì)下降到下一個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢?jiàn)相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)老化程度的表述是不夠明顯的，將分子質(zhì)量用于分析1E級(jí)別電纜的老化程度是存在較大問(wèn)題的，很難得到有效的數(shù)據(jù)。時(shí)效過(guò)程中晶粒尺寸變小，水枝生長(zhǎng)速度較慢，水枝長(zhǎng)度較短。因此，通過(guò)計(jì)算結(jié)晶度和晶粒尺寸來(lái)而分析1E級(jí)別電纜老化程度成為了一個(gè)可行的方向。

1.2測(cè)試儀器和設(shè)備

使用飛利浦多晶X射線衍射儀。測(cè)試條件為Cu靶Kα線，石墨曲面晶體單色儀，掃描速度0.15°/s，掃描范圍2θ=5°～40°，管電壓40kV，管電流35mA。

1.3樣品制備

將樣品直接從交聯(lián)聚乙烯絕緣芯上切下，分別放入室溫和200℃的老化箱中，經(jīng)過(guò)120h、240h、480h后取出，得到不同老化程度的樣品，用于后續(xù)測(cè)試。

2.測(cè)試結(jié)果與分析

圖1顯示了老化前后XLPE的X射線衍射圖。通過(guò)分析可以得出XLPE具有A、B、C、D等許多晶面。

C晶面和D晶面的衍射峰較小，其計(jì)算結(jié)果對(duì)于實(shí)際老化程度的判定影響不大，因此在實(shí)際測(cè)試計(jì)算過(guò)程中一般可以忽略不計(jì)。A晶面在經(jīng)過(guò)老化以后以及未老化之前幾乎沒(méi)有變化，而B(niǎo)晶面在經(jīng)過(guò)老化以后以及未老化之前變化顯著。A晶面的衍射峰強(qiáng)度對(duì)結(jié)晶度重要程度要明顯的大于B、C、D等晶面，可以看出結(jié)晶度的變化在老化之前與老化之后對(duì)比并不明顯，不推薦作為評(píng)價(jià)電纜老化的特征參數(shù)。對(duì)于A晶面，F(xiàn)WHM基本不變，晶粒尺寸基本一致。對(duì)于B晶面，F(xiàn)WHM變化量很小，可以得出晶粒尺寸的變化很小，不足以對(duì)于1E級(jí)別電纜的性能造成很大的影響。由此可以分析出衍射峰的半高寬與晶粒尺寸成反比?？梢?jiàn)，晶粒尺寸不能作為評(píng)價(jià)時(shí)效的特征參數(shù)。觀察老化之前以及老化之后的B晶面的衍射峰強(qiáng)度，明顯相對(duì)強(qiáng)度從2650降低到2380，相對(duì)強(qiáng)度相差約270?？梢钥闯?，時(shí)效過(guò)程對(duì)B晶面的衍射峰強(qiáng)度有很大影響。因此，可以通過(guò)跟蹤XLPE-B晶面衍射峰強(qiáng)度的變化來(lái)評(píng)估1E級(jí)別電纜的老化情況。

3.等效環(huán)境溫度計(jì)算方法

核電站所用電纜的周?chē)h(huán)境溫度與氣候、環(huán)境熱源分布等因素有關(guān)。通過(guò)相關(guān)研究可以得知壽命與溫度呈非線性關(guān)系，因此1E級(jí)別電纜壽命預(yù)測(cè)的重點(diǎn)工作可以被定義為等效環(huán)境溫度的準(zhǔn)確求解。

我國(guó)核電站主要建在中低緯度的海邊。受海洋性氣候影響，具有以下特點(diǎn)：（1）晝夜溫差相對(duì)比較小，一般小于10℃;（2）月日平均氣溫差值不大，標(biāo)準(zhǔn)差與方差相對(duì)較小;（3） 季節(jié)變換不明顯，一般都可以分為有雨季和旱季;（4）月間氣溫變化幅度比內(nèi)陸小，整體溫度變化趨勢(shì)不大。因此，本文將計(jì)算載流量時(shí)的環(huán)境溫度設(shè)為28℃，根據(jù)時(shí)間-溫度等效原理計(jì)算熱壽命評(píng)價(jià)中的等效環(huán)境溫度。

通過(guò)熱老化實(shí)驗(yàn)可以確定熱壽命方程中的相關(guān)系數(shù)，通過(guò)基于我國(guó)實(shí)際情況的分析與考慮，為了計(jì)算方便，本文中p（T）=1/12，求出等效環(huán)境溫度：T，=230.14K-26.14℃

4.實(shí)際環(huán)境下電纜熱老化壽命的評(píng)價(jià)

4.1不同負(fù)載系數(shù)下的導(dǎo)體溫度計(jì)算

我國(guó)的核電站一般建在沿海地區(qū)，在核電站選址階段對(duì)于環(huán)境溫度均進(jìn)行過(guò)考量，因此核電站室內(nèi)溫度變化基本可以忽略不計(jì)，等效環(huán)境溫度可以認(rèn)為0，在熱穩(wěn)態(tài)的情況下，若環(huán)境溫度為0。1E級(jí)電纜的工作電流為l，導(dǎo)體溫度為0即可。

其中：對(duì)于給定敷設(shè)情況的特定電纜，很難直接求解函數(shù)關(guān)系。一般可以采用迭代法來(lái)取得一個(gè)近似的借來(lái)替代最終函數(shù)關(guān)系，即計(jì)算給定導(dǎo)體溫度下的工作電流I，將I與實(shí)際工作中測(cè)量得到的電流l進(jìn)行比較，若兩者相等，可以認(rèn)為此時(shí)假設(shè)的導(dǎo)體溫度為所需要求解的值，通過(guò)多次迭代計(jì)算來(lái)提高整體解值的精確程度。

4.2不同載荷因子下的熱老化壽命評(píng)價(jià)

可以通過(guò)負(fù)載系數(shù)N來(lái)描述1E基本電纜的工作狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算出不同負(fù)載系數(shù)下的電纜溫度，將溫度代入熱老化壽命方程，可得不同負(fù)載系數(shù)下的熱老化壽命r。

對(duì)于熱老化壽命進(jìn)行分析可以得出： （1）負(fù)載系數(shù)N的增加，熱老化壽命將以一個(gè)非常快的速度下降，這是由于負(fù)載升高導(dǎo)致1E級(jí)別電纜溫度快速提升導(dǎo)致的。尤其是當(dāng)1E基本電纜過(guò)載時(shí)，熱老化壽命縮減的十分迅速;（2）負(fù)載系數(shù)為105%時(shí)，1E級(jí)別電纜的熱老化壽命為根據(jù)計(jì)算公式得出為61.35年，剛好能夠滿足核電站60年的設(shè)計(jì)使用壽命，再增加負(fù)載系數(shù)N的值將使得1E級(jí)別電纜的熱老化壽命小于核電站60年的設(shè)計(jì)使用壽命。

5.結(jié)論與展望

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

5.1 1E級(jí)別電纜交聯(lián)聚乙烯的分子量以及晶粒度對(duì)于電纜老化程度的描述效果較差，不能作為描述1E級(jí)別電纜老化程度的依據(jù)。

5.2采用X射線衍射法，通過(guò)跟蹤XLPEB晶面衍射峰強(qiáng)度的變化，可以評(píng)價(jià)交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的老化情況。

參考文獻(xiàn)

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