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近年来,我国核电技术不断发展,由中核集团自主研发具备完全自主知识产权的先进压水堆华龙一号(HPR1000)在成熟性、安全性和经济性满足三代核电技术要求[1],在海内外稳步推进建设。HPR1000在设计上的创新,安全性能上的大幅提高[2],对于设备,尤其是安全重要设备的可靠性也提出了更高的要求。
安全重要压力变送器是核电厂常用的仪表设备,用于测量压力、流量和液位等过程参数,为保护系统或事故后监测系统提供信号[3],对核电厂的安全运行起到重要作用。
根据HAF 102的规定[4],安全重要设备应进行设备鉴定。对于安全重要压力变送器,设备鉴定是确定其能消除共因故障(CCF),在设计基准事故时或超设计基准事故时能执行安全功能的重要佐证。
针对应用于HPR1000的安全重要压力变送器,其设备鉴定的实施通常参考RCC-E标准和NB/T 20149,RCC-E对安全重要电气设备的通用鉴定流程给出了规定[5],而NB/T 20149则推荐了安全重要压力变送器的鉴定规程[6],RCC-E及NB/T 20149具备很好的实操性,但对于安全重要压力变送器设备鉴定的逻辑与机理并未进行探讨,合理性上不够充分。
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HPR 1000中安全重要压力变送器大量应用于执行安全功能的系统以及在事故后参与保护公众的系统,如反应堆冷却剂系统,专设安全设施,主蒸汽系统等,用于对系统正常运行时、严重事故时、事故后的压力,差压,液位,流量的监测,其所置于的环境可分为和缓环境和严酷环境[11]。
在和缓环境下,安全重要压力变送器需在安装期间、运行前、正常运行时确保其结构完整、性能不劣化。表1为安装在HPR1000的典型和缓环境条件。
表 1 环境条件
Table 1. Environment conditions
安装期间和运行前 正常运行 温度:−25~40℃ 设计温度:1.8~60 ℃ 最大湿度:100% 最大湿度:95% 喷溅水 设计压力:86~106 kPa 含盐空气 辐照剂量:50~250 kGy 大量灰尘 振动:振幅0~30 μm,10~2 000 Hz,0.2 g 而位于严酷环境下的安全重要压力变送器,则需在设计基准事件条件下或严重事故条件下仍然能执行其安全功能,表2为HPR1000的典型的事故环境条件。
表 2 事故环境条件
Table 2. Accident environment conditions
项目 数值 最高温度/℃ 145 最大压力/MPa 0.52 最大湿度/% 100 辐照剂量/Gy 6.0×105(事故后1 000 h内) 化学喷淋 硼酸1.5%,氢氧化钠0.6%,pH值9.2 -
对于存在显著老化机理的安全重要压力变送器,应通过老化评价确定其鉴定寿命[16]。基于华龙一号本身的设计寿期(60年),另结合核电厂换料大修周期和经济性,同时考虑安全重要压力变送器本身为电子类设备,其鉴定寿命通常确定为不超过20年。
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显然我们无法等待安全重要变送器自然老化至鉴定寿命的末期,因此需要采用加速老化的方法。Carfagno,S.P.基于对设备故障模式的研究,指出代表环境激励的应力函数对表征设备物理状态的资源分布函数和故障密度函数起到放大作用[17],因此可通过增大环境因素的激励来提前使设备到达寿命末期,即加速老化。
阿伦纽斯模型(The Arrhenius Model)是最常用的加速热老化模型, 阿伦纽斯模型有多种表达形式,式(1)是实际工程应用中使用最为广泛的公式[17]。
$$ \tau /{{\tau }^{\mathrm{*}}}^{}=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left\{E/k\left[\frac{1}{T}-\frac{1}{{T}^{\mathrm{*}}}\right]\right\} $$ (1) 式中:
$ E $ ——活化能值(eV);k ——玻尔兹曼常数(eV·K−1);
$ \tau $ ——鉴定寿命(s);$ T $ ——正常运行温度(K);$ {\tau }^{\mathrm{*}} $ ——加速寿命(s);$ {T}^{\mathrm{*}} $ ——加速运行温度(K)。对于压力变送器,因其组成含多种有机材料,活化能值
$ E $ 的选取应基于影响压力变送器安全功能的活化能值最小的材料,表3为国内外部分型号变送器的$ E $ 值参考。表 3 部分压力变送器活化能取值列表
Table 3. EV lists of partial types of transmitters
由于阿伦纽斯模型体现的是材料的化学反应速率,而同一材料在不同温度下的反应速率是变化的,因此加速运行温度值的选择应趋于保守。
加速辐照老化采用的模型通常是同剂量/同破坏(Equal dose/Equal damage)模型[17],即在进行实际辐照试验时,不考虑辐照类型和辐照率,只考虑设备吸收的总的能量(辐照剂量),从而简化了辐照老化试验的操作。在实际试验中,辐照源通常选用Co 60,辐照率则取0.5~1.0 Mrad/h。
湿度通常与温度共同作用来加速变送器电路部分的老化,Eyring提出温度与其他环境因素共同作用的通用公式[20],如式(2)所示;而Peck基于对环氧树脂的包装的研究在式(2)基础上提出了Peck关系式(Peck′s relationship)[21],如式(3)所示,尽管其并不具备普适性,但为加速湿热老化提供了理论支持。IEC 60068-2-30则为湿热老化试验提供了具体的操作流程[22]。
$$ \tau =\left(\frac{A}{T}\right)\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\mathrm{ }\left[\frac{B}{kT}\right]\times \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\mathrm{ }\left\{\dfrac{V}{\left[C+\dfrac{D}{kT}\right]}\right\} $$ (2) 式中:
$ \tau $ ——寿命(s);$ T $ ——温度(K);$ k $ ——玻尔兹曼常数(eV·K−1),A,B,C,D为基于数据的常数;V——环境因素变量。
$$ \tau =A{\left(\mathrm{R}\mathrm{H}\right)}^{-n}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\mathrm{ }\left[\frac{E}{kT}\right] $$ (3) 式中:
$ E $ ——活化能值(eV);K ——玻尔兹曼常数(eV·K−1);
$ A $ ——常数;$ T $ ——温度(K);RH——相对湿度(%)。
循环运行(压力)老化暂无通用的数学模型,在实际试验中,通常对其鉴定寿命期间内的循环次数进行估算,同时考虑一定的裕量进行实施;对于安全重要压力变送器,其循环运行(压力循环)次数通常不少于10万次。
而对于振动,由于安全重要压力变送器所承受的实际水平难以估计或确认,因此振动老化中的振动水平并无统一规定,需根据设备具体的运行环境而选择不同的严酷等级。具体的振动老化试验则通常可参考工业标准如IEC 60068-2-6来实施[23]。
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对于存在显著老化机理的安全重要压力变送器,加速老化试验是期望能最为合理地模拟实际老化过程,使设备达到寿命末期,同时处于性能最劣化状态。典型的安全重要压力变送器老化试验及顺序如图2[24]。
Research on Equipment Qualification for Pressure Transmitter Important to Safety of HPR1000
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摘要:
目的 核电站安全重要压力变送器需通过设备鉴定,确定其在事故条件下可执行安全功能,而目前的相关标准并未对该类设备鉴定的逻辑与机理进行说明,合理性不够充分。 方法 基于对国内外安全重要电气设备鉴定体系的理解,结合华龙一号安全重要压力变送器实际鉴定过程,详细研究了安全重要压力变送器的鉴定理论。 结果 对影响其安全性能的重要运行环境因素进行了分析,识别了其显著老化机理,基于加速老化数学模型对加速老化试验进行了阐述,推荐了华龙一号安全重要压力变送器典型的加速老化顺序和鉴定流程。 结论 该鉴定流程可作为国内后续安全重要压力变送器的鉴定实施参考。 Abstract:Introduction The pressure transmitter important to safety of nuclear power plant needs to pass the equipment qualification to confirm that it can perform the safety function under the accident condition. However, the current relevant standards do not explain the logic and mechanism of such equipment qualification, the rationality is not sufficient. Methods Based on the understanding of the identification system of electrical equipment important to safety at home and abroad, combined with the actual identification process of pressure transmitter important to safety of HPR1000, the identification theory of pressure transmitter important to safety was studied in detail. Results The important operating environment factors affecting its safety performance were analyzed, the significant aging mechanism was identified, the accelerated aging test was described based on the accelerated aging mathematical model, and the typical accelerated aging sequence and identification process of the safety-important pressure transmitter of HPR1000 was recommended. Conclusion The identification process can be used as a reference for the identification of safety-important pressure transmitters in China. -
Key words:
- HPR1000 /
- important to safety /
- pressure transmitter /
- equipment qualification /
- aging mechanism
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表 1 环境条件
Tab. 1. Environment conditions
安装期间和运行前 正常运行 温度:−25~40℃ 设计温度:1.8~60 ℃ 最大湿度:100% 最大湿度:95% 喷溅水 设计压力:86~106 kPa 含盐空气 辐照剂量:50~250 kGy 大量灰尘 振动:振幅0~30 μm,10~2 000 Hz,0.2 g 表 2 事故环境条件
Tab. 2. Accident environment conditions
项目 数值 最高温度/℃ 145 最大压力/MPa 0.52 最大湿度/% 100 辐照剂量/Gy 6.0×105(事故后1 000 h内) 化学喷淋 硼酸1.5%,氢氧化钠0.6%,pH值9.2 -
[1] XING J, SONG D Y, WU Y X, et al. HPR1000: advanced pressurized water reactor with active and passive safety [J]. Engineering, 2016, 2(1): 79-97. DOI: 10.1016/J.ENG.2016.01.017. [2] 刘昌文, 李庆, 李兰, 等. “华龙一号”反应堆及一回路系统研发与设计 [J]. 中国核电, 2017, 10(4): 472-477+512. DOI: 10.12058/zghd.2017.04.472. LIU C W, LI Q, LI L, et al. Research and design of "Hualong No One"reactor and primary loop system [J]. China Nuclear, 2017, 10(4): 472-477+512. DOI: 10.12058/zghd.2017.04.472. [3] 国家能源局. 核电厂安全重要仪表压力变送器: NB/T 20318—2014 [S]. 北京: 原子能出版社, 2014. National Energy Administration. Pressure transmitter important to safety in nuclear power plants: NB/T 20318—2014 [S]. Beijing: Atomic Energy Press, 2014. [4] 国家核安全局. 核动力厂设计安全规定: HAF 102—2016 [S]. 北京: 国家核安全局, 2016. National Nuclear Safety Bureau. Nuclear power plant design safety regulations: HAF 102—2016 [S]. Beijing: National Nuclear Safety Bureau, 2016. [5] AREVA T. Design and construction rules for electrical components of nuclear island [S]. Paris: AFCEN, 2005. [6] 国家能源局. 核电厂安全重要压力变送器鉴定规程: NB/T 20149—2012 [S]. 北京: 原子能出版社, 2012 National Energy Administration. Qualification procedure for pressure transmitter important to safety of nuclear power plant: NB/T 20149—2012 [S]. Beijing: Atomic Energy Press, 2012 [7] IAEA. IAEA safety glossary: terminology used in nuclear safety and radiation protection [M]. Vienna: IAEA, 2007 [8] LIPTAK B G. Instrument calibration in: process measurement & analysis 4th ed instrument engineer's handbook [M]. Washington D. C. : CRC Press, 2003. [9] HASHEMIAN H, JIANG J. Pressure transmitter accuracy [J]. ISA Trans, 2009, 48(4): 383-388. DOI: 10.1016/j.isatra.2009.04.008. [10] IAEA. Design of instrumentation and control systems for nuclear power plants: NO SSG-39 [S]. Vienna: IAEA, 2016 [11] HASHEMIAN H M. Sensor performance and reliability [M]. NC: ISA, 2005. [12] FURGAL D T, CRAFT C M. Performance assessment of class 1E pressure transmitters subjected to environmental stresses [J]. Nuclear Engineering and Design, 1985, 89(1): 61-79. DOI: 10.1016/0029-5493(85)90143-8. [13] 邱嗣鑫. 电容式差压变送器检测部件温度稳定性分析 [J]. 自动化与仪表, 1988(3): 27-30+56. DOI: 10.19557/j.cnki.1001-9944.1988.03.015. QIU S X. Stabalilityanalysis of detection component of capacity differentital pressure transmitter [J]. Automation and Instrument, 1988(3): 27-30+56. DOI: 10.19557/j.cnki.1001-9944.1988.03.015. [14] IEEE Power and Energy Society. IEEE standard for design qualification of safety systems equipment used in nuclear power generating station: IEEE Std 627 [S]. Piscataway, NJ: IEEE, 1980. [15] IEEE Power and Energy Society. IEEE standard for qualification of equipment used in nuclear facilities: IEEE Std 627 [S]. Piscataway, NJ: IEEE 2019. [16] IEC/IEEE. Nuclear facilities-electrical equipment important to safety-qualification: 60780-323 [S]. Piscataway, NJ: IEEE/IEC, 2016. [17] CARFAGNO S P, GIBSON R J. Review of equipment aging theory and technology final report [R]. United States: N. P. , 1980: 341. [18] ANDERSON R. Qualification test report for enviromental and seismic qualification of weed instrument model DTN2010 pressure tranmitters [R]. Tennessee: Weed Instrument, 2011. [19] GRADIN L P. Qualification documentation review package for ametek aerospace gulton-statham products [R]. NY: Ametek Inc, 2012. [20] NELSON W B. Accelerated testing: statistical models, test plans, and data analysis [M]. USA: John Wiley & Sons Inc, 2004: 100. [21] PECK D S. Comprehensive model for humidity testing correlation [C]//IEEE. 24th International Reliability Physics Symposium, Anaheim, CA, USA, 1986. Anaheim: IEEE, 1986: 44-50. [22] IEC. Environmental testing - part 2-30: tests - test db: damp heat, cyclic (12 h + 12 h cycle): 60068-2-30 [S]. Geneva: IEC, 2005. [23] IEC. Environmental testing - part 2-6: tests - test fc: vibration (sinusoidal): 60068-2-6 [S]. Geneva: IEC, 2007. [24] Plant Support Engineering. Nuclear power plant equipment qualification reference manual, revision 1 [M]. California: EPRI, 2010. [25] IEC. Transmitters for use in industrial-process control systems - part 1 methods for performance evaluation: 60770-1 [S]. Geneva: IEC, 2010.