核电厂商品级物项适用性确认研究与应用

石 秦，王忠秋，张云波，刘景宾，乔 宁

(生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082)

0 引言

当前，国内核电项目工程应用中，使用了不少外购通用工业电气部件。而在核安全级系统中，如何保证这些采购的商业现货成品具有与核级设备相当的质量，以实现其安全功能，是个较新的课题。

国内对这方面的认识和实践也正在不断加强。这种情况下，通过广泛调研，吸收采纳了商品级物项适用性确认(commercial grade dedication，CGD)方法，来解决上述问题。

1 CGD背景

三厘岛核事故(1979年)后，美国核电工业发展停滞不前。美国核电设备供应商不愿继续维持核级质保大纲。核电业主们逐渐发现，很难继续在市面上找到核级备件(即在10 CFR 50 Appendix B质保大纲控制下，专门为核电开发的部件)，来替代一些老化的部件。

当时，对于在核安全相关领域引入商品级物项(指未在核级质保大纲控制下，按照核设施特有的技术和质量要求开发制造的物项，如市售的通用工业用部件)，无论是业主还是监管机构，都对这些商业级部件能否够达到核安全应用的质量要求存有疑虑。

为此，NRC委托美国电科院(EPRI)牵头，联合部分核电业主进行了大量研究实践，开发了商品级物项适用性确认方法，发布了一系列通过CGD将商品级部件引入核安全应用的法规、导则、标准及指导文件。目前，美国核电业主、承包商、分包商等单位，均依照NRC要求，对意图使用于核安全相关领域的商品级物项进行CGD。随着国际技术交流，以及国际核电新建项目、核电设备现代化升级项目之间的交流，CGD方法逐步得到国际核电业主、承包商的广泛认识、支持和采用，已成为在核电厂安全重要(safety-important)领域控制零部件质量、杜绝引入不良品的重要手段。

2 CGD法规、导则及标准依据

美国核电CGD自顶向下，建立了相对较为完整的法规标准体系，形成了相对较为清晰的层次和支持关系。

CGD法规导则标注体系如图1所示。

图1 CGD法规导则标准体系图

①从法规、导则层面，NRC通过法规10 CFR 21[1]提供了CGD、商品级物项(commercial grade item，CGI)等定义；通过10CFR50 Appendix B，对CGD相关的物项采购控制、物项验证提出了要求，质保大纲准则RG1.28所背书的标准ASME NQA-1[2]；从采购控制角度，对CGD提出了明确要求。这些都构成了需要进行CGD活动的根本依据。

②NRC两次通过特别条令(GL89-02[3]和GL 91-05[4])规定，核电厂在安全及安全相关系统中使用的零部件，必须依照EPRI NP-5652[5]的指导执行，并通过CGD[6-7]。因此，EPRI NP-5652是CGD活动的基本标准。

③美国电科院(EPRI)发布了数十份文件组成的系列CGD技术报告、实施指南。其中，EPRI TR-102260作为EPRI NP-5652的补充标准，提供了概念的澄清和进一步阐释，进一步举例说明了CGD方法，对实际工作执行有较强指导意义；而采样标准EPRI TR-017218[7]，商品级数字化部件CGD标准EPRI TR-106439等，从不同方面和层次提供了颇具可操作性的指导，对EPRI NP-5652构成了强有力的补充和支持。

3 CGD概念、定义及方法

商品级物项适用性确认、商品级物项及关键特性(critical characteristic,CC)的定义由美国核安全相关法规10 CFR 21给出。

(1)CGI：在依照10 CFR 50进行核电厂取证时，商业级物项是指那些没有作为“基本组件(basic component)”来开发、制造的结构、系统、部件，以及其中影响安全功能的部分。同时，商业级物项不包括那些特性不可能得到验证的物项。

基本组件要求如下。

同时满足以下两个条件的物项，可称为“基本组件”：①用于确保反应堆压力边界完整性、停堆，并将其置于安全关闭状态的能力、阻止或减轻事故后果的能力；②在符合10 CFR 50 Appendix B质保大纲下开发制造的物项，或者是已经成功完成了“Dedication”程序的商业级物项。基本组件包括伴随硬件组件的安全相关设计、分析、检查、测试、制造、部件替换或咨询服务。这些服务由组件供应商或其他方完成 。

通过上述定义可知，商品级物项未置于核安全质保大纲控制之下，并未按核设施特有的安全要求进行开发研制，但准备将其用于承担核安全功能，或其故障会影响核安全功能。

因此，已成功通过商品级物项适用性确认的物项，视为基本组件。

(2)CGD是一个认可程序。采用这个程序来提供合理的保证，保证一个用于安全功能的商业级物项，将会执行其所需要的安全功能。就其安全功能的用途而言，该物项等同于一个在10 CFR 50 Appendix B质保大纲下开发制造的物项。这个保证是通过识别物项的关键特性，并在物项交付后通过买方或第三方的检查、测试及分析来获得的，可以使用商业级调查、源地验证以及可接受的历史记录作为补充手段。在任何情况下，适用性确认活动的执行必须符合10 CFR 50 Appendix B的相关要求。

EPRI 3002002982[8](对NP-5652和TR-102260的第一版修订)进一步解读分析该定义：“设计的适用性(suitability)应当建立在物项开始采购之前。换句话说，适用性确认包括的技术评价和接受活动不是设计的替代，这些活动不能用来改变给定物项的设计，也不能用来验证给定设计的适用性。”[2]

该报告在阐述适用性确认目的和边界的章节中也强调：“CGI 适用性确认发生在设计和鉴定活动完成之后” 。

TR-102260则从核电厂相关质保要求10 CFR 50 Appendix B规定的质量范畴角度，解释鉴定活动属于“设计控制”范畴，即设计验证；而适用性确认属于“采购控制”范畴，即验证交付物项是否真正符合需求[6]。

(3)关键特性：商品级物项的重要设计、材质以及性能特性。一旦这些特性得到验证，将提供合理的保证(reasonable assurance)：该物项将执行预期的安全功能。

核电厂物项替换报告NP-6406，将关键特性分为设计的关键特性(critical characteristics for design)和验收的关键特性(critical characteristics for acceptance)并给出基本定义。TR-102260接受并引用了这个概念。而EPRI 3002002982则进一步阐释明确了上述概念，并且从美国核电导则的惯例出发，将术语“设计的关键特性(critical characteristics for design)”规范为“设计关键特性(design critical characteristics)”，将术语“验收的关键特性(critical characteristics for acceptance)”规范为“关键特性(critical characteristic)”

以安全级金属阀杆为例，EPRI 3002002982所阐释的“设计关键特性”与“关键特性”之间的关系[8]如图2所示。

图2 关键特性与设计关键特性的关系

TR-102260和EPRI 3002002982均指出，通常关键特性是设计关键特性的一个子集。那些对物项安全相关功能必不可少的设计关键特性，被归为关键特性。CGD定义中“合理保证”的含义是，通过验证经适当挑选的关键特性，保证物项将会执行预期的安全功能，而剩余的设计关键特性也是可接受的。

4 CGD方法

4.1 基本方法与过程

CGD基本方法如图3所示。该方法主要包括两大元素：技术评价和验收过程。

图3 CGD基本方法

应用于安全相关功能的商品级物项，应建立CGD大纲，通过充分的技术评价以识别物项与安全功能相关的关键特性，并针对关键特性建立相应的验收方法。通过对采购过程的控制、关键特性相关的质量程序的监督及专门试验和检查等活动，来确保外购物项的关键特性满足采购技术需求，并最终保证所采购物项可充分实现其预期的安全功能。

技术评价由商品级物项的工程应用方根据系统设计需求，来确定所需商品级物项的具体技术规格要求，以及其设计关键特性。技术评价提供了一种在采购规格文件中描述对该物项的准确需求的方法。

NP-5652、TR-102260规定了CGD活动的具体过程。CGD的实施方应通过分析物项是否在系统中承担安全功能，以及其可信故障形式是否会对系统实现安全功能造成影响，来判断该物项是否为CGI，并进一步识别该CGI的设计关键特性。然后，选择适当的关键特性，确定不同关键特性所适应的验证方式和接受准则。实际执行各个关键特性的验证，形成一系列的验证材料(如试验记录、测试报告、调查报告、见证记录、分析报告及证明书等)，最终完成CGD。

CGD流程如图4所示。

图4 CGD流程图

以下对图4中CGD流程的一些主要步骤和要点进行说明。

4.2 安全功能分析及失效模式和机理分析

安全功能分析及失效模式和机理分析(failure mode and effect analysis,FMEA)步骤，存在如下要求。

①阐明关键特性选择的逻辑。

②阐明关键特性与安全功能的关系。

③阐明关键特性与假定故障模式/机理的关系。

安全功能分析及FMEA步骤，可以分解如下。

①识别最终用途/应用情况。

②确定并记录物项安全功能。

③基于物项准备执行的安全功能，执行FMEA分析。

④记录失效模式/机理。

4.3 识别关键特性

4.3.1 CGI关键特性

一般而言，CGI关键特性分为以下三类。

①物理特性。

核电厂商品级物项典型的物理特性一般包括：电流、复合材料硬度、滴点、总体结构或外形、熔点、流动点、表面光洁度、均衡、浓度、延展性、阻抗、固定方式、纯度、表面硬度、电容、电导率、计示硬度、电感、无延性转变温度、回弹、抗拉强度、化学成分、连续性、弹性、可滤出卤素、水分、电阻、导热系数、浊点、密度/比重、抗疲劳强度、额定载荷、磁导率、剪切强度、力矩、涂层、介电强度、可燃性、发光、镀层、溶解度、黏度、颜色、尺寸、闪点、建筑材料、极性、弹簧常数、质量等。

②性能特性。

核电厂商品级物项典型的性能特性一般包括：精度、流量、可操作性、背离、偏置电流、增益、运行范围、旋转方向、耐老化、马力、电压条件下表现、整定值稳定性、校准、输入/输出电压、断开/吸合时间、速度、震颤、分断等级、压力等级、温度等级、额定电流、分断电流、辐照率、时间/电流响应、周期时间、漏电流、泄压范围、额定电压、死区频宽、额定负载、可重复性。

③可信性(dependability)特性。

核电厂商品级物项典型的可信性特性一般包括：内建质量(设计和制造质量)、故障模式和故障管理、可靠性、问题报告。

4.3.2 识别关键特性步骤

识别关键特性这一步骤的基本分解如下。

(1)确定避免故障所需的设计特性。

(2)选择关键特性。

选择关键特性的过程中，还要特别注意以下几点。

①并非所有的设计需求都要考虑关键特性(如图2所示)。

②关键特性的数量、种类，应基于物项意图执行的安全功能、应用要求、复杂度、可信故障模式及影响、营运工况等。

③选择关键特性时可采用工程判断(engineering judgment)。工程判断是指：一个具有相应资质的人，从规定的前提出发，通过逻辑推理得出结论的过程。 这个过程必须得到充分的文档支持，从而使具有相应资质的人可以进行验证。

(3)判断关键特性是否已经覆盖所有安全功能。

(4)记录关键特性。

下面举例展示识别关键特性的一般过程。

一个陶瓷管状熔断器及其基座，从其形态、配置/安装、功能/性能角度看，其主要关键特性如下：形状/尺寸、额定电流/额定电压、分断能力、冷态电阻、熔断特性、电压降(额定电流下)、熔化热能值。

基于上述总体的关键特性，进一步分析在CGD活动中用于验收该熔断器的关键特性(接受关键特性)。

(1)通过应用情况的分析，得到熔断器基本安全功能。

①正常工作条件时承载必要的负载电流而不发生中断；

②在达到规定的过载条件时及时分断电路。

(2)通过验证熔断器的熔断特性，可判断该熔断器是否能够在过载发生时按要求及时分断电路。因此，熔断特性是接受该熔断器必须要得到验证的特性。

(3)正常工作条件时设计的熔断器负载电流小于熔断器标称的额定电流，因此熔断器应可以长时间承载设计负载电流而不发生分断。

(4)由于该熔断器用于电路前级已经过转换并带有保护的低压直流电路的过载保护，其电路中可能发生的过载电流能量有限，远低于熔断器的标称分断能力。因此，分断能力不作为关键特性来进行考察。

(5)熔化热能值与熔断特性密切相关，熔断特性得到验证，即表明熔化热能值符合要求。

综上分析，结合标准要求的其他关键特性，选定该熔断器CGD验收关键特性如表1所示。

表1 熔断器CGD验收关键特性

4.4 选择关键特性验证方法及确定接受准则

对于NP-5652规定的四种关键特性验证方法及其适用情况，作如表2所示的说明。

表2 对四种验证关键特性方法的说明

上述方法中，方法1直接、易于控制，这里不多作解释。方法2强调具体考察被确认物项是否被有效地置于质量控制活动之下、质量控制是否充分。这对与供应商的合作提出了较高要求。考虑到国内核电厂往往采购国外知名大牌工业厂商的产品，因此这种方法在国内的使用有可能受限。方法3的应用范围也相对局限，同方法2，对于许多通用商业级物项，考虑采购用量、出境差旅等因素，到国外生产厂商处对其设计、测试、采购以及加工装配等环节进行现场见证可能会很不经济。方法4主要考察供应商过往业绩以及目标物项的表现记录，来接受一个外购部件。

根据NRC专项条令GL 89-02，方法4不可单独使用，只能配合其他方法使用。

以上方法2、3、4与方法1结合使用，可以在保证核级设备或核级服务安全质量的前提下，显著降低核电厂相关运营、承包或分包单位实施CGD的成本。这也符合NRC和EPRI等CGD体系开发方“提供合理保证”的本意，即在合理、现实可行的工程成本条件下，最大可能地保障用于安全相关系统的商品级部件的质量。

5 结束语

目前，在国内数个在建和新投运的核电厂百万千瓦机组安全级DCS工程项目中，已经对DCS采用的电气类商品级物项实施了CGD 活动，实现了对工程项目采购商业零件用于核电厂安全系统的良好控制，保证了用于承担安全功能或影响安全功能的部件具有与核安全重要性相匹配的高质量。这些项目得到了核电监管机构、业主的一致认可，对CGD的科研和实践工作正在不断走向深入。

核电厂商品级物项的CGD工作，是一项与核电厂工程应用设计、采购和验收联系非常紧密的活动。其适用的关键特性验证方法，也随着物项不同、应用情况不同以及采购策略的不同而各有差异。因此，只有在实践中强化这方面的技术研究，不断总结、积累不同项目中的良好实践和工程经验，并进行系统、严谨的分析和归纳，才能逐步形成适合我国国情的CGD工作方法和规范体系。