核电厂安全级设备鉴定及技术发展的探讨

李 亮，范 瑾，唐立学，冯 燕，*

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂安全级设备鉴定及技术发展的探讨

李 亮1，范 瑾2，唐立学2，冯 燕1，*

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂安全级设备鉴定是保障电厂安全功能完整的一项重要措施，也是核安全文化的重要体现。但是，目前设备鉴定存在着诸多理解偏差或缺失。本文结合核安全设计理念，阐述了设备鉴定的基本流程和方法以及具体的实施原则，指出了设备鉴定技术的改进和发展方向，从而为建立一个整体的设备鉴定体系提供参考和依据。

核电厂；安全级设备鉴定；核安全文化

核电是一种经济、清洁的能源，可有效解决日益严重的环境污染问题。随着两个核电规划的通过，核电建设规模在不断扩大。核电厂安全级设备用于保障电厂的安全稳定运行，因此必须要经过设备鉴定［1］。但是，核电厂安全级设备鉴定目前仍存在着许多理解偏差或缺失，例如：设备鉴定在核电厂寿期各个阶段的作用和实施要求；设备鉴定的出发点、思想方法和实施原则；设备鉴定与核安全设计理念、纵深防御策略的关系及意义；对设备鉴定相关的主流标准等方面存在片面理解和认识偏差。为建立正确的设备鉴定体系，本工作从核安全设计理念出发，阐述了设备鉴定各个环节、要素和方法以及设备鉴定的程序和今后的发展方向。

1 设备鉴定的含义

美国核管会（NuclearRegulatoryComm ission，简称NRC）将设备鉴定（EquipmentQualification，简称EQ）定义为：一个实施验证并维护证据的过程，证明设备在核电厂正常和异常工况下及发生假想设计基准事件（Design Basis Event，简称DBE）时，能够按指令投运并满足系统的要求以确保核电厂安全。设备鉴定通常分为环境鉴定和抗震鉴定［2］。广义而言，设备鉴定可用于证明不存在可能会导致设备共因失效的设计缺陷、制造瑕疵、储运不当所致缺损等［3］。但从严格意义讲，设备鉴定的主旨是消除设备设计缺陷，故又称为“设计鉴定”或“设计验证”。

在设备鉴定过程中，需重点探究失效机理。所谓失效机理是指由一个致因引发降质并进而发展成一种或他种模式失效的物理过程［4］。宏观来说，若非特指情况，设备鉴定与环境鉴定相似。具体而言，设备鉴定的外延更广泛，包络了针对设备缺陷和环境因素所致共因失效机理的应对，涉及环境鉴定、抗震鉴定（针对机械设备的动力鉴定）、电磁兼容鉴定和阻燃性验证（针对电缆）。而环境鉴定则局限于验证特定的正常或极限环境不会导致设备共因失效。

2 设备鉴定与核安全设计理念的关系

核电厂安全系统的可靠性基于对设计基准的定义，以及对反应堆固有安全特性、保护系统故障安全设计、单一故障准则和纵深防御策略等的综合应用。由设计基准所确立的设计准则，以及遵循单一故障准则所需的冗余性、多样性、独立性和设备鉴定等要求，为核电厂安全功能的可靠执行提供了充分而恰当的设计保障。纵深防御理念在核电设计和运行中的贯彻更进一步加强并提升了核安全裕度［5］。设备缺陷（包括设计缺陷、制造瑕疵、错误的安装或运行程序、不当维修等）和环境因素（包括正常运行期间的老化降质和突然施加的事故环境）是导致共因失效的主要原因［6-8］。设备鉴定作为纵深防御策略的实施环节被纳入核电厂设计，其目的就是防止共因失效而降低系统冗余度，即防止连续发生的非偶发的系统性失效，以防因保障重要安全功能的两个或多个通道失效而致系统冗余性丧失。设备鉴定采用确定论方法［9］验证安全级设备在正常运行、地震及发生假想事故工况时能够按指令执行安全功能，并发挥预期作用。

3 设备鉴定的流程、要素和方法

3.1 设备鉴定的流程

设备鉴定是一个持续的过程，并非终止于建立或实施鉴定这一环节，而是贯穿从核电厂设计至运行寿终的全生命周期。设备鉴定的流程如图1所示。

图1 设备鉴定流程Fig.1 Process of equipmentqualification

设备鉴定流程各阶段的要素见表1。

表1 设备鉴定流程各阶段的要素Table1 Elem en tsof different stages in equipment qualification process

3.2 设备鉴定的要素

（1）老化：如图2所示，老化是指设备从安装到设计基准事件发生前期间所承受的运行载荷和环境对设备性能影响的过程，或者人工模拟对设备所受上述影响的过程［10］。潜在老化因子：辐照、温湿度、水蒸汽、振动、水或化学喷淋、气压，以及设备本身运行所导致的电气或机械载荷、操作循环、机械磨损、自发热、工艺工况、自生振动等。核电厂运行期间因老化作用而产生的影响称作老化效应，其既有正面的又有负面的，由负面效应导致的设备性能衰退称为老化降质。

图2 设备老化阶段Fig.2 Ageing phasesof equipm ent

（2）老化效应评估：通过对设备运行条件和环境的评估与分析，确定在各种运行工况下老化对设备执行规定功能的影响程度［11］。

（3）显著老化机理：在安装寿期内的正常和异常运行环境下，导致设备性能逐渐但明显的劣化或衰退，并进而极大地促成设备在设计基准事件工况下的安全功能完整性丧失的潜在老化机理［12］，它是影响设备寿命的主要老化机理。潜在老化机理若同时满足表2的准则即可判定为显著老化机理。

表2 判定为显著老化机理的准则Table 2 Rulesof judging for significantageingmechanism

（4）和缓或严酷环境：核电厂安全级设备安装在不同环境中，一般可以分为和缓环境和严酷环境［13］。和缓环境指一个预想的正常或异常工况环境，安全壳外的绝大部分区域属于和缓环境，安装在和缓环境的设备，其显著老化机理一般具有地震相关性，都是通过监查、维修、失效趋势分析等隐形手段来考虑。严酷环境主要集中在安全壳内区域，由假想的设计基准事故（简称DBA）所造成的环境。安装在严酷环境中的设备，其显著老化机理由鉴定程序纳入考虑。

设备故障率在统计学上随着时间变化呈“浴盆曲线”特征，例如典型电子元器件的失效浴盆曲线如图3所示。由图可见在电子元器件的早期失效一般产生在1 000 h以内，但如果对所有的器件均进行1000 h的试验是不可行的，因此可以利用图4失效激活能关系图，在不改变产品失效机理的前提下，提高筛选效率。

图3 典型电子元器件的失效浴盆曲线Fig.3 Failure bathtub curve of typicalelectronic component

图4 失效激活能关系图Fig.4 Failure to activate diagram

（5）老化模型：热老化模型和辐照老化模型，辐照老化模型基于材料所吸收的剂量决定辐照效应，与辐照剂量率或辐射源的类型无关的假设［14］。在实际鉴定中，一般采用60Co源做辐照老化，剂量率应控制在0.5M rad·h-1至1.0M rad·h-1之间。

3.3 设备鉴定的方法

设备鉴定的一般方法有：论证分析法、运行经验法和型式试验法，此三种方法的特点见表3。在实施过程中，由于受到经济、时间以及有效模型等因素的限制，仅采用表3所述的某一种方法的鉴定并不多见，常见的是采用这些方法的组合。由于设备所处环境特点的不同，设备鉴定所适用组合方法的侧重点也不同。

对于和缓环境设备，如果其老化机理不具备地震相关性，并且其老化参数具有可探测性，则其鉴定可通过完善设备的设计、制造、储运、安装调试的质保体系进行定期的性能监测和故障趋势分析以及应用抗震鉴定［15］来实现。

对于严酷环境设备，由于设备的复杂性、故障模式和失效机理的多样性，以及事故环境中压力、温度和辐照等的相互作用，宜采用型式试验法做鉴定。

表3 设备鉴定方法的特点Table 3 Characteristicsof equipmentqualificationmethods

4 设备鉴定程序及文件

设备鉴定首先要鉴定定义，定义鉴定的目标、范围和接口、验收准则、安全功能、运行工况和环境条件等。就核电厂整体而言，此阶段应明确设计基准定义、物项分级、环境分区及对应正常/异常及事故环境参数等。其次，确定鉴定对象并以技术规范书的形式对鉴定对象进行详细的技术描述。通过鉴定设备清单明确设备编码、型号、环境区域、安全分级、抗震类别、质保组别、鉴定类别、鉴定文件编码等。通过部件安全分级和功能定义，以及故障模式和影响分析，确定安全级和安全相关级部件及其功能。通过数据收集和老化评价，确定潜在的明显老化机理，进而确定适用的老化模型及老化参数。采用适用的鉴定方法，编制鉴定大纲，规定工作程序和验收准则。做好鉴定工作实施和记录以及鉴定结果分析和鉴定报告的编制。具体实施过程中，应形成一个鉴定文件包，以汇总全厂设备的鉴定文件。为规范设备鉴定工作并实现设备鉴定过程的可追溯性，设备鉴定的文件应至少包括：模拟件或工程样机技术规范书、设备鉴定规范书或设备鉴定大纲、设备鉴定报告。

5 设备鉴定技术的发展方向

国内外多年的设备鉴定实践经验和研究成果为设备鉴定技术的改进和发展指明了方向。需要改进的方面主要包括以下几个：相对于自然老化，老化模拟应更趋于逼真；明确老化模型的应用限值；老化因子的叠加效应；剂量率效应；事故模拟。鉴于核电厂改造、延寿、定期安全评审、老化管理活动的开展以及应对严重事故的需求，为设备鉴定技术的发展提供了更大的应用或演变空间，主要包括：设备状态参数及其模型的开发；基于状态监测的设备鉴定；设备延寿鉴定；数字化设备鉴定；严重事故环境设备可用性验证。

6 结论

核电厂安全级设备是保持核电厂安全功能完整性的重要保障，为了解决目前安全级设备鉴定存在的诸多问题，本文梳理了设备鉴定与核安全设计理念的关系，阐述了设备鉴定的流程、要素和方法以及具体的实施原则和改进方向，为建立一个整体的设备鉴定理论体系提供了有价值的参考。

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Discussion aboutNuclear Power Plant Safety ClassEquipment Qualification and Technology Development

LILiang1，FAN Jin2，TANGLixue2，FENGYan1，*
（1.Nuclearand Radiation SafetyCenter，MEP，Beijing100082，China；2.ChinaNuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing100840，China）

Nuclear power plant safety class equipment qualification is one of the importantmeasures to ensure thesafety function ofpowerplantcompletely，and also is the importantembodimentof nuclear safety culture.But，at present there are a lotof understanding deviations or w rong cognition for the equipment identifications.Basedon thenuclearsafetydesignconcept，thispaperexpoundsthebasicprocessandmethod，aswellasthespecific principlesof implementationand developmentdirectionof theequipmentqualification，thus to provide the referenceand basis forbuildingawhole ideaofequipmentqualification system.

nuclearpowerplant；safety classequipmentqualification；nuclearsafety culture

TM 623

：A

：1672-5360（2015）02-0058-04

2014-12-31

2015-02-05

国家科技重大专项，项目编号2010ZX 06002-10-02

李 亮（1981—），男，河北保定人，工学硕士，现从事民用核安全设备监管及审评工作

*通讯作者：冯 燕，E-mail：fengyan@chinansc.cn