堆頂棒控電纜和堆頂棒位電纜的研制

蒲守林 ,金 珊 ,付明星 ,張立剛 ,張志煥 ,朱 潔 ,夏同方,苑春慧

(1.常州八益電纜股份有限公司,常州 213000;2.中國核電工程有限公司,北京 100840;3.中廣核工程有限公司,深圳 518124)

0 引言

反應堆是核電站的核心裝置,反應堆控制棒的控制與位置監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱為棒控/棒位系統(tǒng))是反應堆功率控制的關鍵儀表與控制系統(tǒng),堆頂棒控電纜和堆頂棒位電纜是棒控/棒位系統(tǒng)的關鍵部件之一。反應堆需要定期檢查和維護,電纜需要一定的柔軟性。堆頂棒控電纜和堆頂棒位電纜在60 a 壽命期間內(nèi)不得產(chǎn)生碎片脫落。

棒控/棒位系統(tǒng)是核電站反應堆控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)的一種伺服機構,具體功能是用于提升、下降、保持或快插控制棒,以完成反應堆啟動、調(diào)節(jié)反應堆功率、維持功率、停止反應堆和事故情況下的快速停堆(又稱為事故快插、事故落棒),它是核反應堆的重要動作部件,也是直接影響核反應堆正常運行和安全可靠的關鍵設備之一。

中國三代核電對堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜提出了更高的要求,絕緣線芯具有優(yōu)良的介電性能、阻燃性能和抗折彎性能,且滿足低煙無鹵、無毒、彎曲半徑小、耐輻照、耐高溫、60 a(150 ℃)壽命等要求。但從國外核電主流供應商進口的堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜導體最高運行溫度為90 ℃,設計壽命60 a,產(chǎn)品含鹵元素或含氟元素,無法滿足中國三代核電對棒控棒位電纜的所有要求。

為了建成具有我國自主知識產(chǎn)權的大型先進壓水堆核電站示范工程,本工作提出了一種三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜,介紹了三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的技術要求和設計,以及采用的新材料和新工藝,本工作對堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜進行等效加速60 a 異常工況疊加模擬試驗、60 a 輻照老化模擬試驗和60 a(150 ℃)熱老化模擬試驗的串行試驗,驗證了三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜符合三代核電站的技術要求。

1 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜

堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜位置示意圖見圖1,其中堆頂棒控電纜為從堆頂棒控驅(qū)動機構到堆頂插件板之間的電纜,電壓等級為0.6/1 kV;堆頂棒位電纜為從堆頂棒位探測器到堆頂插件板之間的電纜,電壓等級為300/500 V。

圖1 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜位置示意圖

當核電站在異常工況下運行時,如出現(xiàn)快速異常升溫或其他異?，F(xiàn)象時,棒控棒位系統(tǒng)將控制反應堆控制棒的位置,完成反應堆功率的調(diào)節(jié)、停止反應堆和事故情況下的快速停堆(又稱為事故快插、事故落棒),確保核電站安全運行。

2 電纜設計

核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜數(shù)量少,要求高,且由于反應堆的特殊性,國內(nèi)外沒有相關堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的標準。

世界上能生產(chǎn)核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的廠家較少。目前,國內(nèi)核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜均為國外進口,進口的核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜導體最高工作溫度90 ℃,60 a 的設計壽命,導體為鍍錫銅,部分產(chǎn)品含鹵。已經(jīng)不能滿足中國三代核電對堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的低煙無鹵阻燃和60 a(150 ℃)使用壽命的要求。

2.1 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜主要技術指標

①壽命要求:150 ℃,60 a[1]。②耐輻照性:60 a最大累積輻照劑量2.75×105Gy。③鹵酸氣體含量:燃燒時氯化氫不大于5 mg·g-1[2]。④pH 不小于4.3,電導率不大于10 μS·mm-1[3]。⑤透光率不小于60%[4]。⑥絕緣和護套氟含量不大于0.1%。⑦絕緣和護套毒性指數(shù)不大于5。⑧成品通過B 類成束阻燃試驗[5]。⑨20 ℃最小絕緣電阻280 MΩ·km。⑩150 ℃最小絕緣電阻0.28 MΩ·km。? 絕緣吸水試驗:85 ℃,14 d,增值不大于1 mg·cm-2。

2.2 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜結構設計

堆頂棒控電纜是從堆頂棒控驅(qū)動機構到堆頂插件板之間的電纜。由于電纜導體最高運行溫度為150 ℃,且堆頂空間有限,所以導體采用5 類鍍銀軟導體,絕緣層材料采用PEEK。其中導體截面積較大的2 芯用于傳輸驅(qū)動機構提升線圈電流,其余線芯用于傳輸驅(qū)動機構鉤爪線圈電流。電壓等級設計為0.6/1 kV。堆頂棒位電纜是從堆頂棒位探測器到堆頂插件板之間的電纜。由于電纜導體最高運行溫度為150 ℃,且堆頂空間有限,所以導體采用5 類鍍銀軟導體,絕緣采用PEEK。其中導體截面積較大的2 芯用于傳輸棒位探測器所需電流,其余線芯用于傳輸實測棒位信號。電壓等級設計為300/500 V。堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜結構設計示意圖見圖2。

圖2 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜結構示意圖

2.3 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜關鍵材料選擇

根據(jù)技術規(guī)格書和工程實際要求,進行三代核電堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜絕緣材料和內(nèi)、外護套材料的選擇。

2.3.1 絕緣材料

絕緣材料選用了具有獨特綜合性能的線性芳香族半結晶結構聚合材料PEEK,這種材料在高溫和極端條件下具有較好的綜合性能,是世界公認的性能最佳的熱塑性材料。PEEK 絕緣材料的特性有:①耐高溫特性,長期工作溫度260 ℃,在較寬的頻率和溫度范圍內(nèi)保持優(yōu)良的電氣性能,20 ℃最小體積電阻率1×1015Ω·cm;②耐化學腐蝕性、耐水解、耐磨、高強度;③阻燃性和自動熄滅能力;④可以薄壁生產(chǎn);⑤不含氟和鹵素,低煙,低毒。

使用PEEK 作為絕緣材料,一方面保證了電纜的電氣性能和耐高溫性能;另一方面增強了電纜的耐輻照性能,符合電纜在核電站中的運行要求。

2.3.2 電纜內(nèi)護套材料

電纜的內(nèi)護套不但需要耐高溫性能和耐輻照性能,而且還需要具有優(yōu)異的柔軟性和阻燃性能。綜合多年電纜研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗,選用了耐輻照型苯基硅橡膠材料,這種材料由于苯基的存在具有非常好的耐輻照性能,同時硅橡膠的基材又有很好的耐高溫性能。

2.3.3 電纜外護套材料

考慮堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的技術規(guī)格要求和工程實際使用要求,電纜外護套選用不銹鋼絲編織工藝,編織密度大于等于90%。不銹鋼絲編織外護套具有以下優(yōu)點:①最大限度的保證了電纜的柔軟性;②電纜在燃燒過程中,外層的不銹鋼絲具有良好的隔熱和傳熱性能,有效提高了電纜的阻燃性;③不銹鋼絲能夠吸收和傳遞γ 射線,降低電纜內(nèi)部材料承受的輻照劑量,有效提高電纜的耐輻照性;④不銹鋼絲具有良好的機械性能,提高了電纜的耐磨性能和機械性能。尤其在電纜敷設安裝期間,需要在粗糙的地面拖拽牽拉時,可以很好地保護電纜。

棒控棒位電纜安裝在堆頂,需要滿足在60 a 壽命期內(nèi)不得產(chǎn)生碎片脫落,具有一定的柔軟性方便定期檢查和維護,且電纜在敷設期間,應能承受50 m 長度電纜的重量產(chǎn)生的牽引力和在粗糙地面上拖拽產(chǎn)生的摩擦力,而不降低電纜性能和壽命。

3 制造工藝

3.1 PEEK 擠出設備

PEEK 是具有獨特綜合性能的線性芳香族半結晶結構聚合材料,PEEK 的熔融溫度在300～450 ℃,擠出時具有高黏度、高強度的特點,使用傳統(tǒng)的塑料擠出機無法加工PEEK,必須采用特殊訂制的高溫擠出機。

PEEK 擠出機的螺筒和螺桿是擠出生產(chǎn)線的關鍵部件,螺筒和螺桿的優(yōu)劣決定了PEEK 的塑化質(zhì)量。PEEK 加工時容易粘連在螺桿上不能及時擠出,易產(chǎn)生氣泡、焦料,極端時會擠裂機頸,造成設備損壞。建議PEEK 擠出機的螺筒和螺桿選用耐高溫、耐酸、耐腐蝕、高強度的合金材料,并保持表面光滑。螺桿采用等距不等深的螺桿,螺桿長徑比為30 ∶1,壓縮比1.5～5。

3.2 主要制造工藝

PEEK 的結晶度決定該材料是否能夠充分發(fā)揮其綜合性能。PEEK 的結晶度是由制造設備和制造工藝決定的。

如果絕緣擠出時PEEK 的結晶度不夠,當導體或電纜局部區(qū)域溫度大于140 ℃時,PEEK 會繼續(xù)結晶,結晶使PEEK 伸長率下降,強度增加;但是,結晶的不均勻性會產(chǎn)生內(nèi)引力,容易造成絕緣開裂。

為使PEEK 達到良好的結晶度,擠出時須控制好以下工藝參數(shù)和環(huán)節(jié):①擠出機加料段的溫度不宜過高,溫度過高將致PEEK 分解,螺筒中壓力不足,造成電纜外徑粗細不均的現(xiàn)象,溫度控制在200～300 ℃;②擠出機熔融段溫度控制在250～350 ℃;③擠出機均化段溫度控制在300～400 ℃;④機頭溫度控制在350～450 ℃;⑤由于PEEK 溫度高,離模后立即由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),強度高,黏度大,難清理,故采用免調(diào)高精度模芯模套。

本工作采用特殊訂制的高溫擠出機和免調(diào)高精度模芯模套,按照以上工藝參數(shù),經(jīng)過多次試制,最終按確定的生產(chǎn)工藝對樣品進行結晶度測試,結果見圖3。

圖3 PEEK 結晶度測試結果

圖3 為測試樣品吸收和放出的熱量變化過程,其中曲線1 表示放熱過程,曲線2 表示材料升溫吸收熱量的過程,曲線2 的峰值是材料熔融時的溫度,曲線3 代表積分基線,是測量熱容的輔助線。曲線2 與曲線3 之間的面積表示的熱容為40 J·g-1,PEEK 完全結晶需要的熱容為130 J·g-1;經(jīng)計算其結晶度為31%,當PEEK 的結晶度為31% 時,其綜合性能最穩(wěn)定、最優(yōu)異。

4 試驗驗證

本工作研制的堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜經(jīng)第三方權威機構進行機械性能試驗、電性能試驗、成品電纜等效加速60 a 異常工況等效疊加模擬試驗、60 a 輻照老化模擬試驗和60 a(150 ℃)熱老化模擬試驗。其中,60 a 等效加速老化試驗后,電纜的20 ℃最小絕緣電阻為66 500 MΩ·km,且電纜通過成束電纜的阻燃試驗(B 類),并在彎曲半徑為165 mm,正反彎曲200 次后,浸水耐受交流3 500 V/5 min 不擊穿。堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜其他主要性能試驗結果見表1。

表1 堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜主要性能試驗結果

由表1 可知,通過結構設計及新材料和新工藝的應用,本項目研制的堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜不但符合低煙無鹵阻燃和長期運行工作溫度為150 ℃環(huán)境下,使用壽命超過60 a 的要求,而且在等效加速60 a 異常環(huán)境試驗、60 a 輻照老化模擬試驗、60 a(150 ℃)熱老化模擬試驗后20 ℃絕緣電阻值66 500 MΩ·km,優(yōu)于老化前20 ℃絕緣電阻值280 MΩ·km 試驗的要求;在等效加速60 a 異常環(huán)境試驗、60 a 輻照老化模擬試驗、60 a(150 ℃)熱老化模擬試驗后200 次的彎曲試驗,護套表面無裂紋,浸水耐壓試驗通過。

5 結束語

棒控電纜和棒位電纜的成功研制將有助于實現(xiàn)三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的國產(chǎn)化,設計自主化,形成自己的知識產(chǎn)權,打破外方在此電纜領域?qū)ξ覈笮拖冗M壓水堆核電站研制工作的限制,走出堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜依賴進口的困境,提高專項工程的國產(chǎn)化率,保障我國三代核電站用堆頂棒控電纜、堆頂棒位電纜的長期可靠供應,同時為我國第三代核電技術走出國門提供有力的支持,為后續(xù)更先進的核電技術研究奠定基礎。