核电厂1E级电缆一致性判别方法的研究

李世欣,郑睿鹏,郎爱国,毛从吉,丁义行,尹宝娟,*

(1.环境保护部核与辐射安全中心,北京,100082;2.环境保护部核设施安全监管司,北京,100034)

《民用核安全设备监督管理条例》中规定 “民用核安全设备设计、制造、安装和无损检验单位应当依照本条例规定申请领取许可证”[1],即具有相应技术水平和质量管理能力的单位,只有在取得许可证后方可从事民用核安全设备的设计、制造等活动[2]。1E级电缆作为核电厂的核安全重要设备之一,已纳入我国核安全设备监管的范围。

同时,HAF102-2016中规定 “必须采用安全重要物项的鉴定程序来确认核动力厂安全重要物项,这些物项能够在其整个设计寿期内以及支配性环境条件下执行其必要的预期功能”[3],因此,1E级电缆须进行设备鉴定。在许可证审查过程中,针对1E级电缆的鉴定过程、鉴定文件进行审查是核安全设备审查的重要内容。

根据电缆在核电厂所处安装环境,按其严酷程度可分为和缓环境和严酷环境两大类[4]。对于严酷环境的1E级电缆,应该对电缆进行老化评价以确定造成电缆性能劣化的老化因素和机理,并确定电缆的鉴定寿命[5]。对于和缓环境的1E级电缆,由于更换具有相当高的成本,所以IEEE 383-2003[6]尽管不要求确定其鉴定寿命,却要求通过评价热和辐照数据确定其工作寿命[5,7]。由此可见,对于1E级电缆的鉴定,无论在严酷环境还是和缓环境下的1E级电缆,均需要进行材料的热寿命评定,用以推算电缆关键材料在长期工作温度下的热寿命。热寿命评定通常采用Arrhenius模型,按照IEC 60216-1:2001[8]的要求进行相关试验,该试验持续时间一般长达10个月左右。后续的加速热老化试验,均是在该试验结果的基础上,按照Arrhenius公式进行推算,这往往是1E级电缆鉴定试验核安全审查中的重要关注点。

对于获得国家核安全局颁发的民用核安全设备设计、制造许可证的单位,实际供货的设备与进行核级鉴定试验时设备的一致性也应是核安全监管、审查重点关注的问题之一[7],即在实际供货时设备的原材料、加工工艺、结构等方面是否与通过鉴定时设备的原材料、加工工艺、结构等方面一致。对于多数电气设备,实际供货产品与鉴定时产品一致性的判别,在实际供货出厂验收时可以通过产品原材料型号、工艺文件、图纸等进行判别。对于电缆来说,在实际供货出厂验收时,目前均是通过绝缘、护套材料的牌号来进行区分是否为鉴定时用的材料。在电缆厂批量供货时,按照相关标准要求 (如对于低压电力电缆出厂试验参考GB/T12706.1-2008中例行试验、抽样试验[9];对于中压电力电缆出厂试验参考GB/T12706.2-2008中例行试验、抽样试验[10])进行的出厂试验的目的是验证电缆是否满足基本的性能要求、尺寸要求等,但是上述试验项目无法验证电缆实际供货时的原材料与核级鉴定时电缆所用原材料的一致性。同时,由于核级鉴定试验时间长 (正如前文所述仅材料热寿命评定试验周期就为10个月左右)、费用高,在实际供货时,抽取相应的样本重新进行核级鉴定试验是不现实的,因此需要一种方法来判断实际供货电缆与通过鉴定的电缆的一致性。

另外,在1E级电缆许可证审查过程中发现,在出厂试验时,成品电缆绝缘、护套的断裂伸长率与材料热寿命评定报告中的断裂伸长率相差过大,如某厂家从成品电缆剥离得到的绝缘材料的断裂伸长率为360%-380%左右,而对应的材料热寿命评定报告中内、外绝缘材料断裂伸长率在630%-640%左右。经分析,两者差距的原因可能有如下几个方面:

(1)两者的加工工艺不一样。聚烯烃类材料热寿命评定报告中的哑铃试样为高温压制、辐照交联而成。成品电缆通过绝缘挤出、绝缘交联、护套挤出、交联等工序,在电缆加工过程中加工温度、模具、水槽冷却等条件的不同导致材料拉伸取向不一样,都会导致成品电缆的断裂伸长率有偏差。如采用挤压式模具制成的电缆较为密实,电缆的拉伸强度相对较好,而采用挤管式模具制成的电缆拉伸取向强,电缆的断裂伸长率会高于材料本身的测试结果。

(2)电缆规格型号不同导致断裂伸长率时试样不同。对于线径较小的线缆一般采用管状试样进行测量,线径较大的线缆一般采用从电缆上剥皮后,裁切成哑铃试样进行测量。

(3)电缆特有内、外绝缘结构导致断裂伸长率有差异。对于1E级聚烯烃类电缆,我国该类电缆多为双层绝缘结构。在绝缘挤出过程中为双层共挤,其内、外绝缘结合紧密,对于成品电缆难以分开,成品电缆绝缘通常为内、外双层绝缘进行断裂伸长率的测试,这将会导致部分偏差。

上述原因是从加工工艺、结构等方面进行的分析推测,但断裂伸长率差异过大,也存在材料配方不一致的可能性。为判断材料配方的一致性,需要一种快速、科学、有效的方法来进行检测。

1 材料一致性判别方法

对于材料测试方法,通常有材料红外线光谱分析、材料热失重法、材料差示扫描量热法三种方法,其原理和测试方法如下:

(1)材料红外线光谱分析 (简称IR):测定的是分子结构和化学组成,是一种定性工具。化学物质是由官能团组成的,每个官能团都会形成自己的特征峰,可根据这些特征峰位置比对材料的一致性,且现有分析设备已具备相似度比对功能。红外光谱仪可分为具有傅立叶变换方式的傅立叶变换红外光谱仪 (FTIR)和分光方式的色散型红外光谱仪。

(2)材料热失重法 (简称TG):测定的是材料热分析组分信息,由于不同的材料具有不同的分解温度,可以通过测定材料的热分解温度、组分比例等来判断材料的一致性。如树脂、阻燃剂等物质随温度升高而分解,形成不同的失重曲线,可对曲线失重、残余物的重量以及温度点进行比对。

(3)材料差示扫描量热法 (简称DSC):测定的是材料跟随温度变化的热信息,如玻璃化转变、结晶、熔融等阶段的吸放热情况及温度点,可以推断出材料使用基体树脂的熔点。

GB/T 6040-2002《红外光谱分析方法通则》[11]、GB/T 19466.1-2004《塑料 差示扫描量热法 (DSC)第1部分:通则》[12]、GB/T 19466.2-2004《塑料 差示扫描量热法 (DSC)第2部分:玻璃化转变温度的测定》[13]、GB/T 19466.3-2004《塑料 差示扫描量热法(DSC)第3部分:熔融和结晶温度级热焓的测定》[14]、ISO 11358-1-2014《塑料 高聚物的热重分析法 (TG)一般原理》[15]中详细规定了FTIR、TG和DSC的测试方法。

对于1E级电缆来说,上述图谱测试方法能否有效确定电缆材料的 “身份”,或者能否判别两者材料的一致性,则要通过实际试验数据来验证。

2 1E级电缆图谱测试结果

本文选取了三种不同情况进行对比。第一种情况是三根不同颜色电缆的绝缘线芯,其原材料是由三家不同的材料厂供应的绝缘材料;第二种情况是两根不同规格,相同颜色的绝缘线芯,其原材料牌号一致;第三种情况是两根相同规格、不同颜色的绝缘线芯,其原材料牌号一致。

2.1 三种不同原材料牌号FTIR曲线对比

图1—图3的图谱分别为白色、黑色、红色绝缘线芯的图谱,其原材料来自三个不同1E级电缆材料厂商,但由同一电缆生产厂家制造成电缆。

图1 白色绝缘线芯A的FTIR曲线Fig.1 FTIR curve of black insulated wire A

可以看出图1、图2、图3之间曲线的走势存在明显差异。因此,如果原材料不一致,其绝缘线芯的FTIR曲线完全不同。

图2 黑色绝缘线芯B的FTIR曲线Fig.2 FTIR curve of white insulated wire B

图3 红色绝缘线芯C的FTIR曲线Fig.3 FTIR curve of red insulated wire C

2.2 同一原材料牌号、相同颜色、不同规格的FTIR曲线对比

图4、图5分别为不同规格护套的图谱,其护套原材料牌号相同,且由同一电缆生产厂家制造。

图4 蓝色小规格护套D的FTIR曲线Fig.4 FTIR curve of blue small size jacket D

图5 蓝色大规格护套E的FTIR曲线Fig.5 FTIR curve of blue big size jacket D

经统计37组图4和图5中关键数据点,图4和图5关键数据点两者差值X统计见表1。

表1 图4和图5关键数据之差Table 1 Differences between key figures in Figures 4 and 5

由表1可知,在所统计的37组数据中,图4和图5关键数据相差在0到1之间占70.3%,关键数据相差在1到2之间占18.9%,关键数据相差大于2的占11.8%,关键数值相差极值为3.21。可以看出,对于同一材料、同样颜色,取不同大小规格的试样,其曲线基本相同,关键数据相差不大。

2.3 同一原材料牌号,相同规格,不同颜色的FTIR曲线对比

图6、图7分别为红色、蓝色绝缘线芯的图谱,其原材料牌号相同、规格相同,但颜色不同,由同一电缆生产厂家制造。

图6 红色绝缘F的FTIR曲线Fig.6 FTIR curve of redinsulated wire F

经统计30组图6和图7中关键数据点,

图6和图7两者差值Y统计见表2。

图7 蓝色绝缘G的FTIR分析曲线Fig.7 FTIR curve of blueinsulated wire G

表2 图6和图7关键数据两者之差Table 2 Differences between key figures in Figures 6 and 7

由表2可知,在所统计的30组数据中,图6和图7关键数据相差在0到1之间占73.4%,关键数据相差在1到2之间占13.3%,关键数据相差大于2的占13.3%,关键数值相差极值为6.85。可以看出图6和图7曲线趋势基本一致,关键数值差距不大。

2.4 小 结

综上所述,对于不同原材料,其FTIR曲线走势差异性较大,可以明显分辨出;对于由同一原材料牌号,不同颜色或者不同电缆规格的绝缘线芯,其FTIR曲线趋势基本一致,关键数值有差异但在可接受范围内。另外,对不同原材料、不同颜色、不同电缆规格的线芯所获得的DSC、TG曲线结论与上述FTIR曲线结论相同。由于篇幅原因,材料热失重法、材料差示扫描量热法测的曲线就不一一列出。因此,可以看出,FTIR、DSC、TG曲线测试方法可以基本分辨出两者材料是否一致。

3 1E级电缆一致性判别的建议

根据实验曲线可知,通过FTIR、DSC、TG测试曲线可以快速分辨出原材料是否一致,对于今后实际供货的1E级电缆材料与鉴定时电缆所用材料一致性的判别方法,可按图8进行。

图8 1E级电缆一致性判别流程Fig.8 Consistency identification procedure of 1E cable

简要步骤如下:

(1)为验证1E级电缆是否满足核电厂环境要求,需选取有代表性的样本进行相应的加速热老化试验、辐照老化试验等鉴定试验。在进行鉴定试验的同时,要求选取不同规格、不同颜色的绝缘和护套进行FTIR、DSC、TG测试,并将相应的数据保存在数据库中。同时,建议将部分常规的试验项目,如密度,断裂伸长率、热延伸等的关键数据也保存在数据库中。

(2)在后续相应厂家为核电厂实际供货时,由核安全监管部门在出厂试验时随机抽取相应样本获取相应的FTIR、DSC、TG测试曲线,并与之前数据库中的曲线进行比对。如果曲线趋势一致,关键数值在可接受范围内,则认为材料与之前鉴定时材料一致;如果不一致,将加倍取样,获取FTIR、DSC、TG曲线以及密度、断裂伸长率、热延伸等相关数据,并与之前数据库中曲线和数据进行比对。如果加倍取样后的得到的FTIR、DSC、TG曲线及数据均与数据库中相应曲线、数据不一致或者差异过大,则厂家需要解释原因;否则,则可以供货。

(3)如果现有厂家已经完成了1E级鉴定试验,但未测量FTIR、DSC、TG测试曲线,则可以在该厂家首批1E级电缆供货时抽取不同规格、不同颜色的绝缘和护套分别测量密度、断裂伸长率、热延伸等数据,如果上述数据与首次鉴定时试验报告中数据相一致,再进行FTIR、DSC、TG曲线测试,并将相关曲线和数据存入数据库。在后续批次1E级电缆供货时再随机抽取样本按照步骤 (2)进行测试。

4 总 结

本文对1E级电缆提出了利用FTIR、DSC、TG测试曲线来判断材料一致性的方法,这在1E级电缆监管中属于首次提出,具有一定创新性;同时,对该方法的应用也提出了相应的建议。该方法可在一定程度上避免实际供货的电缆材料与鉴定时电缆材料不一致的情况。

在将FTIR、DSC、TG测试曲线作为判断材料一致性的方法中也将面临各种问题,特别是以下两个问题仍需要继续研究:

(1)FTIR、DSC、TG曲线测试样本的抽取规则。由于核电厂1E级电缆规格较多,而每种规格均测试FTIR、DSC、TG曲线显然不现实,也耗资巨大。这需要根据后续实践情况制定FTIR、DSC、TG曲线测试样本抽取规则,选取有代表性的样本进行测试并将曲线或数据保存在数据库中。

(2)由已有的FTIR、DSC、TG曲线可知,对于同一材料牌号制成的不同颜色的电缆或者不同规格的电缆,曲线趋势大致相同,曲线中关键数值有差异,部分数值差异是由试验仪器造成且在接受范围内,但两者数值差异超过多少阈值时需要引起注意或说明两者材料不一致,这需要在后续工作中通过对大量的试验样本的统计、分析,找到合理的验收准则。

[1]张穹,李干杰.民用核安全设备监督管理条例释义[M].北京:中国法制出版社,2007.

[2]李世欣,任莉华,张云波,等.浅谈民用核安全设备设计制造许可证的审查[J].核安全,2013(1):23-25.

[3]国家核安全局.HAF 102-2016核动力厂设计安全规定[S].北京:国家核安全局,2016.

[4]顾申杰.核电厂1E级电气设备环境鉴定[J].核安全,2005(2):31-40.

[5]毋琦,毛从吉.核电厂安全级(1E)电缆鉴定审查过程中相关问题的探讨[J].电线电缆,2011(6):1-5+20.

[6]IEEE.IEEE Standard for type test of class 1E electric cables,field splices,and connections for nuclear power generatingstations[S].IEEE,2013.

[7]郎爱国.核电厂1E级电缆的核安全审查[J].核安全,2006(1):30-33.

[8]IEC.Electrical insulation materials-properties ofthermal endurance Part 1:Aging procedures and evaluation of testresults[S].IEC,2001.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 12706.1-2002.额定电压1k V(Um=1.2k V)到35k V(Um=40.5k V)挤包绝缘电力电缆及附件第1部分:额定电压1k V(Um=1.2k V)和3k V(Um=3.6k V)电缆[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,1991.

[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 12706.2-2002.额定电压1k V(Um=1.2k V)到35k V(Um=40.5k V)挤包绝缘电力电缆及附件第2部分:额定电压6k V(Um=7.2k V)到30k V(Um=36k V)电缆[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,1991.

[11]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,GB/T 6040-2002.红外光谱分析方法通则[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,1985.

[12]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 19466.1-2004.塑料 差示扫描量热法(DSC)第1部分:通则[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2004.

[13]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 19466.2-2004.塑料 差示扫描量热法(DSC)第2部分:玻璃化转变温度的测定[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2004.

[14]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 19466.3-2004.塑料 差示扫描量热法(DSC)第3部分:熔融和结晶温度及热焓的测定[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2004.

[15]英国标准协会.ISO 11358-1-2014塑料高聚物的热重分析法(TG)一般原理[S].2014.