核电厂电仪设备的服役环境监测.pdf

7第 22 卷第 4 期核 安 全NUCLEAR SAFETY电 厂 实 践2023 年 8 月核陶革，赵传礼，高轩，等.核电厂电仪设备的服役环境监测 J.核安全，2023，22（4）：07-13.Tao Ge，Zhao Chuanli，Gao Xuan，et al.Service Environments Monitoring of E&IC Equipment during Nuclear Power Plant OperationJ.Nuclear Safety，2023，22（4）：07-13.核电厂电仪设备的服役环境监测陶 革，赵传礼，高 轩，陶 钧（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）摘要：电仪设备的老化与其服役环境密切相关，设备的服役环境参数（如温度、辐射和湿度等）决定着设备及部件的老化速率，影响着设备的寿命和可靠性。本文就核电厂安全重要电仪设备环境监测的通用要求和监测流程，监测参数和监测仪表，监测位置和监测频度等内容进行了论述，可为核电厂电仪设备老化管理、故障根本原因分析、运行许可证延续等所需的电仪设备的服役环境参数获取提供支持和指导。关键词：老化管理；服役环境；设备服役环境参数中图分类号：X946 文章标志码：A 文章编号：1672-5360（2023）04-0007-07生过因局部温度超过安全相关设备的环境鉴定温度，从而导致部分安全相关设备发生降质的 事件3。对电仪设备服役环境进行监测，不仅有利于识别电厂局部恶劣设备环境并对该环境中电仪设备的老化进行有效管理，还有助于识别电仪设备环境鉴定参数中的过度保守量，为延长电仪设备的使用寿命提供基础信息。此外，对电厂运行期间设备服役环境参数信息的收集，还可为核电厂运行许可证延续的老化评估提供数据支持。本文对实施核电厂电仪设备服役环境监测（以下简称环境监测）的通用要求和监测流程、监测参数和监测仪表、监测位置和监测频度等内容进行了介绍和论述，可为国内核电厂实施电仪设备服役环境监测提供指导和 参考。环境参数（如温度、辐照和湿度等）是影响核电厂设备老化过程和可靠性的关键因素。在核电厂的设计以及安全相关电仪设备的鉴定过程中，会对电仪设备的运行温度、辐照水平和其他环境参数预先进行设定（也称为“设计假设”）。核电厂电仪设备的选型和设计寿命也都是基于电仪设备的设计服役环境建立的。考虑到“设计服役环境”参数的保守性，绝大多数电仪设备的实际服役环境较设计环境更为和缓，但是电厂也可能会存在少数的局部恶劣环境区域，其环境状况比“设计服役环境”还要严酷1，2，如不能对设备的实际服役环境进行有效的识别、评估和管理，则可能会发生电仪设备提前老化和失效现象，甚至会对电厂的安全稳定运行造成不利影响。例如，美国阿肯色州Arkansas Nuclear One 核电站的 1 号机组，就发收稿日期：2022-11-01 修回日期：2023-03-07作者简介：陶革（1967），男，高级工程师，现主要从事电仪设备的老化管理8核 安 全Vol.22,No.4,Aug.20231环境监测目的及基本要求1.1 环境监测目的我国核安全导则 核动力厂老化管理 中明确指出要对现场环境状况进行监测，以探测任何与设计值的偏离4。核电厂在运行期间应对“设计环境”参数进行验证，以证明核电厂运行在设计基准之内，确保电厂能够安全稳定的运行5。由于电厂已有测量系统往往是为工艺系统服务而设置的，因此其中真正能用于表征电仪设备服役环境状况的测量仪表并不多；当电厂已获取的实际环境参数信息无法满足老化评估和分析验证需求时，就需要有针对性地开展电仪设备的服役环境参数监测，以获取和补充所需的设备实际服役环境信息。电仪设备实际服役环境参数的获取可用于以下目的：（1）设计环境参数验证；（2）电仪设备鉴定寿命评估及延长；（3）设备失效根本原因分析；（4）为核电厂申请运行许可证延续提供支持；（5）识别可能影响电厂可用性的恶劣环境并触发相应的纠正行动。1.2 环境监测的基本要求本文讨论的电仪设备服役环境监测，是当电厂已有的实际环境参数信息无法满足电仪设备的设计环境参数验证、设备鉴定寿命延长、电厂运行许可证延续、设备失效根本原因分析等任务需求时而采取的“专项测量”活动。实施电仪设备环境监测时应考虑并遵循如下基本要求：（1）针对不同的任务需求（如设计环境参数验证、设备鉴定寿命延长、电厂运行许可证延续、设备失效根本原因分析）制定有针对性的环境监测方案；（2）环境监测活动不应对电厂的安全和正常运行造成不利影响；（3）环境监测仪表的安装不应对电厂的巡检和检修活动造成不利影响；（4）获取的环境监测数据必须能代表或包络实际的运行环境状况；（5）环境监测活动必须满足核电厂的质保要求，确保监测数据的有效性；（6）环境监测相关的所有数据、文件及监测结果应当按照电厂文档管理要求进行存档。2环境参数监测流程电仪设备服役环境监测的通用流程见图 1。其中环境监测方案的制定是整个流程中的重点环节，监测方案的具体内容应根据环境监测活动的上游任务需求而制定。上游任务的需求不同，会使得环境参数监测的类型、监测频度、监测仪表的选择等具体方案产生很大的差异。3环境监测参数的选择根据设备服役环境参数对电仪设备寿命和可靠性的影响大小以及可测量性的考虑，电仪设备服役环境监测参数通常包括温度、辐照、湿度三种类型。电厂可根据监测目的的不同有针对性地选择需要监测的参数。典型的监测目的与所需监测的环境参数之间的关系见表 1。表 1 典型监测目的与所需的环境参数Table 1 Typical monitoring purpose and the required environmental parameters监测参数设计环境参数验证运行许可证延续鉴定寿命评估根本原因分析温度（连续温度监测）XXXX温度（最高温度监测）XX温度（等效温度监测）XXXX辐照XXXX湿度XX3.1 温度温度是影响大多数电仪设备使用寿命的最重要的环境应力。温度的测量包括三种类型：与时间变化有关的连续温度测量、被测时段内陶革等：核电厂电仪设备的服役环境监测9Vol.22,No.4,Aug.2023的等效温度测量（指所获取的温度可直接用于阿伦纽斯 Arrhenius 模型中进行寿命计算）、最高温度测量。连续温度测量和等效温度测量通常可满足各种评估目的需求，环境监测时只需选择其中一种进行测量即可，最高温度测量通常作为连续温度测量和等效温度测量的补充。连续温度测量是目前电厂使用最多、最熟悉也最成熟的测量方式，测量装置通常由热电偶或热电阻等温度传感器、传输电缆、信号转换器、记录设备组成，能获取随时间变化的温度值。等效温度也称“阿伦纽斯等效温度”，其测量装置由光学性能会随时间和温度发生变化的特殊材料构成，所获取的温度测量数据能够直接用于 Arrhenius 公式中进行计算，以实现对设备热降质情况的评估。该测量装置的优点是：属于被动式测量装置，具有体积小、重量轻、易于现场安装的特点，温度测量时长可涵盖一个到数个燃料循环。其缺点是：等效温度测量装置的数据读取无法在现场完成，需返回装置制造厂读取6。最高温度也称峰值温度，是指测量时段内的温度所能达到的最高值。峰值温度的测量最常用的是采用温度试纸，当温度超过规定的温度时，温度试纸上的预涂材料会发生不可逆的图 1 环境监测通用流程Fig.1 General flowchart of environmental parameters monitoring?10核 安 全Vol.22,No.4,Aug.2023化学变化并发生颜色变化，以表明温度达到了试纸设定的温度。温度试纸价格低廉，可有多个设定温度。最高温度的测量常用于筛选，可快速确定给定时段（如一个燃料循环或者某一特定的异常事件期间）内出现在所关注位置上的最高温度，以初步分析温度对设备是否有潜在的不利影响，并确定是否需要获取进一步的数据或采取纠正行动。3.2 辐照和湿度辐照也是影响电仪设备使用寿命的重要环境应力。核电站的放射性主要来自裂变产物和活化腐蚀产物。核电厂常见的辐照类型有四种：，和中子，其中对电仪设备影响较大的主要是 和中子，中子对电仪设备的影响主要发生在反应堆附近的未屏蔽区域。辐照剂量的测量通常采用累积剂量测量的方法，例如使用热释光剂量测量装置（Thermoluminescent dosimeter，TLD）。湿度测量结果常用于设计环境参数的验证以及根本原因分析。在服役环境参数的测量实践中，湿度测量不如温度和辐照剂量测量普遍，电厂可根据具体的环境监测目的和需求确定是否需要实施湿度测量。目前比较常见的湿度测量方式是，采用自带温湿度探头和数据保存装置的就地测量仪表来同时收集和保存被测位置的温度和湿度信息，并定期从就地测量装置中导出测量数据并转送到计算机进行处理和分析。4环境参数的监测方式根据环境参数测量数据存储位置的不同，环境参数的监测可分为远程监测和就地监测。远程环境监测是将就地传感器测量到的现场数据传送到远程计算机上进行存储，其突出的优点是可实现多参数多通道数据的实时采集和存储，并可通过远程计算机上的专用软件对获取的数据进行分析6。其缺点是当现场环境监测点较多时，往往需要敷设大量的测量电缆并需考虑电厂备用的安全壳电缆贯穿件的数量。该监测方式适用于需要存储的数据量较大且要求能实时获取环境参数数据并进行分析的场合。就地环境监测的参数测量和数据存储都是在就地完成的，较适用于无须获取实时测量数据或测量信号远程传输受限的应用场合。就地环境监测可将来自环境参数测量仪表的信号通过数字信号的形式存贮在就地的数字存储设备上，并根据需要定期从就地数字存储设备上下载数据用于分析评估。这类监测仪表具有体积小、重量轻、费用低、现场安装方便的特点，不仅减少了仪表电缆的安装量，也无须考虑安全壳电缆贯穿件的问题。这种方法的缺点是，测量时长可能会受限于就地数据存储器的容量以及自带电源的大小（如适用），需要定期从就地数据存储器下载数据；另外，该方法对现场测量装置中电子设备的耐高温耐辐照要求较高。电厂可根据监测任务的具体需求，并综合考虑需监测的数据量大小、监测数据的使用需求情况（如是否要获取实时数据并进行分析）、被监测区域在电厂运行期间的可达性、电厂现有技术和设备资源等信息来选择适合的环境参数监测方式，包括采用远程监测与就地监测的组合方式。5监测位置和仪表的选择5.1 监测位置的选择环境参数监测位置选取的基本原则是：获取的环境参数必须具有代表性或包络性。测量具体设备的环境参数时，测量位置应尽量靠近被关注的设备7（如测量电缆的温度时，测点应当尽量靠近电缆）。测量区域的环境参数时，应选择具有包络性的位置（如温度测点不宜安装在靠近通风系统冷风出口的位置；当温度传感器被固定在某一具体设备上来测量环境温度时，必须考虑该设备的运行状态是否会给测量结果带来不利影响）。确定环境参数监测位置时还应综合考虑以下因素：（1）被测量区域是否有重要电仪设备；（2）被测量区域的设备布置及通风情况；（3）被测量位置的可达性；（4）测量装置在被监测位置的可安装性；（5）测量位置的现场供电情况；陶革等：核电厂电仪设备的服役环境监测11Vol.22,No.4,Aug.2023（6）测量仪表的安装对运行操作和巡检的影响；（7）测量仪表的安装对维修工作的影响；（8）电厂前期实施的服役环境监测反馈。需要特别注意的是，如果环境监测仪表所选择的位置附近有安全相关的设备存在，则监测仪表位置的选择及其安装方式必须保证监测仪表发生故障时不会影响安全相关设备执行其预期功能。5.2 环境监测仪表的选择5.2.1 环境监测仪表的分类根据环境监测仪表工作时是否需要供电，环境监测仪表可分为能动式测量仪表和非能动式测量仪表。能动式测量仪表需要电源供电才能完成相应的测量工作，绝大多数的测量仪表都属于能动式的，包括使用外供电源的测量仪表与自带电池供电的测量仪表。非能动式测量仪表不需要电源即可完成相应的测量工作。非能动式测量仪表通常是通过记录被测量参数的累积效应来进行测量的累积效应型测量仪表，如测量辐射剂量用的热释光剂量计和美国西屋公司开发的用于测量等效温度的装置。这种非能动式测量装置获取的数据通常无法直接读取，需要通过专门的读取转换后方可使用。5.2.2 选择监测仪表需考虑的因素环境监测仪表的选择需考虑多方面的因素，应包括但不限于以下内容：（1）监测仪表的量程（应覆盖监测区域的电厂设计环境参数范围）；（2）监测仪表是否需要供电及供电方式；（3）监测仪表的安装方式；（4）监测仪表的精度；（5）监测周期内监测位置的环境对仪表精度产生的影响；（6）监测仪表的标定有效期。在选择监测仪表时，也需关注所选监测仪表的自身局限性。例如，温度试纸的测量原理决定了它虽然可以方便地给出所测量位置的峰值温度值，但却无法提供峰值温度存在的时间长短。如果测量要求是既要获取峰值温度的数值也要获取峰值温度存在的时长，那么使用温度试纸进行测量就不再是理想的选择了，而应考虑采用连续温度测量。对于同一监测位置有多种参数监测要求（如需同时监测温度和湿度），可考虑采用能同时提供多种参数测量的复合式仪表。对于带有数据存储器的就地监测设备，还应考虑现场环境对数据存储器的影响，防止数据丢失；数据存储器的存储容量应能满足测量时长内监测数据的存储需求。5.3 监测仪表的标定对用于环境参数监测的仪表应明确标定要求，包括测量仪表使用前的标定和环境监测结束后用于验证仪表性能的标定。对用于长周期环境监测的仪表，还应根据所用监测仪表的技术规范建立定期标定的要求。6监测数据的采样频率对于能动式（需要电源供电）的环境监测仪表，在制定环境参数监测方案时还需考虑并选取合适的监测数据采样频率。监测数据采样频率的选择对于那些波动较大的参数测量影响较为明显。数据采样频率过低可能无法准确地反映出被测参数的变化，而过高的数据采样频率往往会造成采样数据的浪费，同时使得监测成本上升。例如，对每天波动都较大的温度测量，比较理想的采样频率应是足以获取每天温度峰值的数据采样频率8。环境监测数据的采样频率应根据被测量环境参数的波动速度和频繁程度、预期的监测时间和数据存储装置的存储容量等因素综合考虑确定。非能动式环境监测仪表是通过记录被测量参数的累积效应来进行数据收集的，因而不存在监测数据的采样频率选择问题。7监测频度电仪设备的环境监测可分为单次临时性环境监测、定期环境监测和长期环境监测。不论采用哪种监测方式，环境监测的时长都应充分12核 安 全Vol.22,No.4,Aug.2023考虑电厂正常运行事件、大修、电厂启停、功率运行、四季变化等产生的影响，最短不应少于一个正常燃料循环。单次环境监测只实施一个测量周期，是获取有代表性环境参数数据的最低频次要求。定期环境监测需按照监测计划规定的固定间隔时间（如每 10 年进行 1 次测量）定期实施环境监测。对于某些重要区域的重要参数的监测，也可采用安装固定式的监测设备进行不间断的长期监测。相对于单次环境监测，定期监测和长期监测能更加及时有效地反映电厂环境的实际情况，有利于对环境参数变化的趋势进行跟踪，并及时发现因各种原因而导致的设备服役环境变化和新产生的局部恶劣环境。但实施长期监测也意味着需要投入更多的资金、时间和人力，监测时长的频度的选择应当在满足基本监测要求的基础上进行综合考虑。例如，如果环境监测的目的是用于根本原因分析或现场变更后的环境验证，则通常进行单次环境监测就足以满足监测需求；对于那些安装有安全相关的电仪设备且设备服役环境容易受到多种因素影响而时常发生变化的区域，长期监测可能是比较合适的选择。需要注意的是，若实施监测期间电厂发生了异常运行状态（如非正常的长时间停堆），导致监测数据不具有代表性时，需重新实施监测或延长监测时长，以确保监测数据的有效性6。8环境监测的质保要求和文件保存核电厂安全重要电仪设备服役环境参数的监测必须遵循电厂的质保大纲要求，并贯穿于服役环境参数监测的整个过程，确保获取的环境参数数据真实有效，能够满足电厂设计环境参数验证、设备鉴定寿命延长、电厂运行许可证延续、设备失效根本原因分析的需求。与电仪设备环境监测活动相关的文件和数据都应按核电厂的文档管理要求以可追溯的方式存档，建议在整个电厂寿期内长期保存，以利于将来对环境数据的利用和验证。9结语核电厂电仪设备的服役环境会因为运行时间的不断增加、现场的维修活动、设备的变更改造等发生变化，电厂往往需要通过获取电仪设备的实际服役环境参数信息来证明安全重要电仪设备仍运行在设计规定的服役条件下，并能够按设计要求实现预期的安全功能；另外，电仪设备鉴定寿命的管理和延长、电仪设备失效根本原因的分析、电厂运行许可证延续等活动也都离不开电仪设备实际服役环境参数的数据支持。本文介绍的核电厂电仪设备服役环境的监测方法已在秦山核电 320 MWe 机组和方家山 2号机组上得到了运用9，10，并可对国内其他核电厂获取电仪设备的实际服役环境参数提供支持和指导。参考文献1 U.S.NRC.NUREG-1801，Generic Aging Lessons Learned（GALL）Report R.Washington，DC：U.S.NRC，2010.2 EPRI.TR-109619，Guideline for the Management of Adverse Localized Equipment Environments R.California，USA.EPRI，1999.3 U.S.NRC.NRC INFORMATION NOTICE NO.89-30：HIGH TEMPERATURE ENVIRONMENTS AT NUCLEAR POWER PLANTS R.Washington，DC：U.S.NRC，1989.4 国家核安全局.HAD 103/12-2012，核动力厂老化管理S.北京：国家核安全局，2012.5 IAEA.SSG-48，Ageing Management and Development of a Programme for Long Term Operation of Nuclear Power Plants R.Vienna：IAEA，2018.6 EPRI.NP-7399，Guide for Monitoring Equipment Environments During Nuclear Plant Operation R.California，USA.EPRI，1991.7 IAEA.IAEA-TECDOC-1188，Assessment and Management of Ageing of Major Nuclear Power Plant Components Important to Safety：In-Containment Instrumentation and Control Cables Volume I R.Vienna，International Atomic Energy Agency，2000.8 EPRI.104873，Methodologies and Processes to Optimize Environmental Qualification Replacement Intervals R.California，USA.EPRI，1996.陶革等：核电厂电仪设备的服役环境监测13Vol.22,No.4,Aug.20239 中核核电运行管理有限公司.Q11-5OLE-RCAM-17033101，秦山 320 MWe 机组运行许可证延续项目电气设备环境监测报告R.浙江海盐：中核核电运行管理有限公司，2017.10 中核核电运行管理有限公司.QF9-5AM-RCAM-W00009，方家山核电机组电缆环境监测数据采集报告R.浙江海盐：中核核电运行管理有限公司，2017.Service Environments Monitoring of E&IC Equipment during Nuclear Power Plant OperationTao Ge,Zhao Chuanli,Gao Xuan,Tao Jun（CNNC Nuclear Power Operations Management Co.,Ltd.,Haiyan 314300,China）Abstract：TheagingofElectricalandI&Cequipmentissignificantaffectedbytheirserviceenvironments.Equipmentenvironmentalparameters（suchastemperature,radiationandhumidity）governtherateofagingdegradationandaffecttheusefullifeandreliabilityoftheequipment.Thispapergivesthegeneralrequirements,monitoringprocess,environmentalparameterstobemoniotred,instrumentscanbeused,monitoringlocationsandmonitoringcycleforenvironmentalmonitoringofE&ICequipmentimportanttosafety,whichcanprovideguidanceandsupportforobtainingserviceenvironmentalparametersofE&ICequipmentrequiredforagingmanagementofE&ICequipment,failurerootcauseanalysis,operatinglicenserenewal,etc.Key words：agingmanagement;serviceenvironment;equipmentserviceenvironmentalparameters（责任编辑：梁 晔）