核电站仪控设备老化机理及管理策略

核电站仪控设备老化机理及管理策略
卜江涛;毕道伟
【摘要】从理论上分析了仪控设备老化对核电站安全性的影响,并据此指出了仪控设备老化管理的关键要素.针对仪控系统涉及的各类传感器、电子元器件、继电器、电缆及连接器等部件的老化机理进行了深入剖析,从实施的角度论述了老化管理的
过程和策略,并特别针对电子设备过时淘汰问题进行了讨论.
【期刊名称】《发电设备》
【年(卷),期】2014(028)003
【总页数】5页(P221-225)
【关键词】核电站;仪控设备;老化机理;老化管理
【作者】卜江涛;毕道伟
【作者单位】上海核工程研究设计院,上海200233;上海核工程研究设计院,上海200233
【正文语种】中文
【中图分类】TM623
核电站的系统、构筑物和部件（SSC）因受腐蚀、振动及辐照等影响，性能随服役年数增加而下降，导致核电站安全裕量减小，非计划停堆和设备维修次数增加。

20世纪80年代起，世界核电大国纷纷对核电站老化管理进行了研究，对压力容器、堆内构件及安全壳内电缆的老化机理有了深入了解［1－4］。

目前业界对仪控设备老化管理的认识有一定的片面性。

仪控系统特别是保护和安全系统对核电站安全可靠运行所起的作用无可替代，仪控设备老化对核电站运行经济性同样有重要影响。

我国秦山一期和大亚湾核电站投入运行都已近20年，仪控设备的老化问题日益突出。

总结消化吸收先进国家仪控设备老化管理的经验，有助于提高我国仪控设备的老化管理水平。

1 仪控设备老化总体分析
核电站运行环境恶劣，仪控设备尤其是现场测量元件易受温度循环、高压、高湿、振动冲击、腐蚀以及电离辐射的影响发生性能劣化。

不同仪控设备因其安装位置、所处环境以及物理特性不同，老化机理也不尽相同［5－7］。

一般认为仪控设备老化包括物理老化和过时淘汰两个方面。

物理老化是指SSC的
物理性能随时间或使用而发生变化的过程；过时淘汰是指物项或系统因厂商停止生产等原因而致使无法通过正常渠道采购的过程［5－6］。

过时淘汰通常经历两个
阶段，即初步淘汰和完全淘汰。

在初步淘汰阶段，制造商停止产品生产，但随后一段时间仍提供替代产品和维修等服务；在完全淘汰阶段，制造商全面停止与产品相关的所有技术支持和服务。

笔者重点研究仪控设备的物理老化及其管理技术，在不至于引起歧义的情况下将物理老化简称为老化。

核电站仪控系统包含成千上万的传感器、变送器、继电器及各类驱动器。

受经济成本和人力资源制约，涵盖所有仪控设备的老化管理既不现实也不必要。

经济、合理、可行的方法是针对那些对核电站安全性、可用性和经济性有重要影响的仪控设备进行有效的老化管理。

定性的故障模式与影响分析（FMEA）和定量的概率安全分析（PSA）均可作为仪控设备老化管理中设备选择的依据，其完好性对核电站运行安全至关重要。

目前仪控设备老化管理主要是针对反应堆保护和安全系统。

从核电站安全分析的角度对保护系统仪表通道的老化管理进行研究。

反应堆保护系
统中具有代表性的仪表通道见图1。

通道中任何环节的部件老化均会影响保护系统的正常功能。

核电站安全分析对保护系统仪表通道主要有响应时间和仪表精度这两项技术要求：响应时间要求旨在保证系统能及时探测异常工况并正确动作，将事故限制在可接受范围内；精度要求是指仪表通道各环节均要满足一定的精度指标，以保证设定的整定值不会影响核电站正常运行。

图1 核电站保护系统仪表通道
在核电站保护系统整定值计算中需全面考虑仪表通道各种不确定因素，一般按照式（1）计算仪表通道的ACSA，即通道统计不确定性［5］。

式中：ACSA为通道统计容差；APMA为过程测量精度；APEA为一次元件精度；ASCA为传感器校准精度；ASMTE为传感器测量和试验设备精度；ASD为传感器漂移；ASPE为传感器压力影响；ASTE为传感器温度影响；ARCA为机架校准精度；ARMTE为机架测量和试验设备精度；ARRA为机架参比精度；ARD为机架漂移；ARTE为机架温度影响；AEA为环境容差；ABIAS为偏置量。

仪控设备老化对仪表通道不确定性的最直接影响是ASD和ARD增大，也即老化将导致仪表通道ACSA增加。

与ACSA密切相关的核电站的运行裕量（AMGN）可根据式（2）计算：
式中：ATA表示核电站总的运行允许量，由式（3）给出。

式中：AMGN为运行裕量；ATA为运行允许量；ASAL为安全分析限值；ANTS 为名义触发整定值。

仪控设备老化不仅会影响ACSA，还会影响仪表通道的响应时间。

核电站安全分析对仪表通道总的响应时间也提出了相应的要求。

老化所导致的仪表通道响应时间增
加同样也会降低核电站运行的安全性。

总之，仪控设备老化会导致仪表通道精度降低、响应时间增加，严重影响核电站运行安全。

必须对仪控设备老化进行有效的管理，以确保核电站安全可靠经济地运行。

2 仪控设备老化机理及其影响
2.1 传感器
2.1.1 温度传感器
核电站采用的温度传感器主要有两类，即电阻温度计（RTD）和热电偶（TC）。

在保护和安全系统中RTD主要用于测量一回路冷却剂温度，TC主要用于堆芯出口温度测量和事故监测。

温度、湿度和电离辐射都会降低RTD和TC的绝缘性能，
导致温度测量产生误差。

振动冲击引起疲劳损伤和冷作硬化，引起RTD阻值增加，给出错误的温度信号。

振动冲击还会导致RTD及TC与保护套管之间接触不紧密，使传感器响应时间增加。

2.1.2 压力变送器
压力变送器对反应堆超压保护至关重要。

高温会降低压力变送器密封性能，致使水汽侵入电子设备；温度循环产生的热应力影响变送器的性能和寿命；高湿条件下水汽会侵入变送器外壳，导致输出信号漂移并产生高频噪声；电离辐射影响材料性能，改变压力变送器输出特性。

此外，硼固化等因素会导致压力变送器的测量管线堵塞，使得压力测量系统响应变慢。

2.1.3 液位、流量变送器
核电站大量使用差压式流量计，液位也可通过压力测量得到；因此压力变送器的老化机理和老化影响同样适用于此类液位、流量变送器。

2.1.4 中子探测器
中子探测器是核电站超功率ΔT（OPΔT）及超温ΔT（OTΔT）等保护功能必不可
少的传感器。

核电站采用的中子探测器有多种类型，如自给能探测器、涂硼正比计
数管、γ补偿电离室、非补偿电离室以及裂变室等。

基于裂变原理的探测器（如裂变室），其灵敏度随可裂变材料的燃耗而降低。

正比计数器的气体倍增因子与充气质量密切相关，探测器腔室的密封泄漏会引起水汽侵入产生重离子阻止倍增，致使中子探测器不能继续使用。

堆外中子探测器老化的主要影响因素是测量井内含硼水的聚集，因为硼会腐蚀中子探测器。

2.2 电子元器件
分析试验表明，电子元器件故障率随时间的变化关系可用浴盆（bathtub）曲线描述，见图2。

图2 电子元器件故障率浴盆曲线
由此模型可以看出，电子元器件的寿命周期分3个阶段：第1阶段是早期故障，
此间故障率很高，且随时间增加迅速降低，在核电站安装调试阶段一般可发现早期故障；第2阶段是偶然失效，其特点是故障率低且稳定，厂商提供的电子元器件
可靠性即据此确定；第3阶段是耗损失效，在此阶段故障率随时间增加而急速上升，此现象由温度循环、磨损腐蚀以及γ辐射等老化因素引起。

上述浴盆曲线对
电子元器件基本都适用，但耗损阶段不同类型的设备老化机理不尽相同。

2.2.1 电解电容
电解电容主要的老化机理是电解液通过极板泄漏。

采用橡胶密封的电解电容，在20℃条件下10年左右会发生电解质泄漏。

采用聚四氟乙烯封装可大大减少此类泄漏。

电解质外漏使电容器等效串联电阻增加而电容则减小。

2.2.2 金属氧化物变阻器
金属氧化物变阻器（MOV）是电源电路中浪涌超压保护的重要元件。

MOV在电
源电压出现浪涌超过箝位电压时，电阻特性发生急剧变化使阻值迅速变小，从而吸收浪涌能量。

因其内在能量吸收机理，每次浪涌都会造成MOV内部元件部分损毁，此即为MOV主要的老化机理。

2.2.3 半导体元器件
半导体元器件涵盖范围广泛，包括二极管、数字集成电路、微处理器和光电器件等。

研究表明：核电站半导体元件的主要老化机理是γ辐射和静电放电，因此核电站
的电子设备一般都安置在远离强放射性的区域。

对由放射性引起的设备老化，只能通过定期校准或更换元器件解决。

2.3 继电器
继电器是核电站仪控系统广泛应用的一类机电设备。

对持续励磁的继电器而言，其老化机理主要是加电发热所导致的线圈老化。

继电器触点的老化主要有三种机理：一是常开触点氧化，二是大电流所致的触点熔接或点蚀，三是采用含硫量高的橡胶元件所引起的化学腐蚀。

2.4 电缆和连接器
引起电缆和连接器老化的主要因素有环境温升、循环机械应力和放射性辐照。

在上述因素影响下，电缆绝缘层发生脆化，延伸率降低抗拉强度减弱，电气性能发生改变。

中子探测器所用矿物质绝缘电缆的老化机理主要是物理损坏以及腐蚀导致的水汽侵入。

3 仪控设备老化管理
3.1 目标
仪控设备老化管理的目标是通过一系列技术和管理手段，及时地检测并减缓对核电站安全、经济运行起重要作用的仪控设备的老化过程。

从管理角度看，核电站仪控设备老化管理包括建立相应组织机构、明确责任划分以及人力资源培训等。

3.2 过程
核电站仪控设备老化管理的过程与老化管理的目标是一致的，即通过技术手段检测并减缓安全重要仪控设备的老化过程。

基于此目标，可将仪控设备老化管理过程划分为3个阶段：
（1）选择需要进行老化评价的安全重要仪控设备。

（2）了解所选设备主要的老化机理，确定或开发对老化进行试验、检测及减缓的实用有效方法。

（3）利用有效的监督、试验、维护和运行措施，对老化过程进行控制。

老化管理所涵盖设备的选取可采用FMEA分析，也可运用PSA概率分析。

此外，美国核管会（NRC）还提出了基于风险指引的评价方法。

3.3 策略
3.3.1 设备更换
设备更换是不可或缺的仪控设备老化管理策略。

当设备出现故障且无法修复时必须进行更换。

与设备更换策略密切相关的两个问题是备件管理和过时淘汰。

仪控设备的特点是模块化更换。

模块备件的数量取决于：（1）同类型模块的使用数量；（2）允许的最大MTTR（修复所需时间）；（3）模块可靠性；（4）备件采购时间；（5）备件的过时淘汰。

其中（1）和（2）很容易确定，可靠性则严重依赖于实际运行经验。

对新的仪控设备或系统可利用已知的分立元件可靠性，通过计算对其可靠性进行预测；成熟系统可直接利用实际运行经验数据。

如果电子模块已经淘汰，且核电站无相应备件时，则出现故障的仪控设备模块是无法修复的。

应对过时淘汰问题的关键是要及早关注，分析设备过时淘汰的趋势，储备相应设备的备件。

法国电力公司（EDF）的经验表明：如果能够在设备退出市场之前采购备件，大规模战略性储备的成本还是可接受的［5］。

应对过时淘汰所储备的备件数量应根据其可靠性数据计算得到；另外，必须保证存储条件，防止备件在长时间存储过程中失效。

EDF的做法是将电子元器件存放在充满氮气的玻璃管中［5］。

3.3.2 检查试验校准
检查试验校准是核电站保证电气仪控设备性能的重要方法，也是核安全监管部门要
求强制执行的运行规程［8－10］。

根据现行运行规程要求，通常每天要对重要仪表读数检查2～3次，每1个月左右要对保护系统通道进行一次功能试验，每次换料停堆要对保护系统通道进行一次校准。

理论上讲，检查试验校准的频率应根据实际的可靠性数据以及运行的历史数据确定。

在实际中，一般是根据供货商提供的指导性意见、设计或业主要求确定，因此实际检测试验校准频率一般并非最佳选择。

3.3.3 环境工况监测
仪控设备寿命与其所处环境的辐射水平、湿度以及温度等因素密切相关。

设备供货商提供的设备预期寿命一般根据核电站预期运行工况确定。

如果设备所处环境工况比预期工况温和，则预期寿命会大于供货商给定值；反之，若实际环境工况比预期严酷，则寿命要小于供货商给定值。

监测环境工况对评估仪控设备实际寿命具有重要意义，目前应用较为广泛的是监测设备工作环境温度。

环境温度监测应采用精度较好的传感器，因为即使是1K的温度测量误差也会对寿命评估产生很大影响。

3.3.4 定期安全评审
与连续的检查试验校准不同，定期安全评审（PSR）目的在于确保设计目标得到满足，老化效应不会影响核电站下一个PSR周期的正常运行。

PSR审查仪控设备运
行维护的历史记录，以发现可能的老化征兆。

在进行PSR的过程中，还可考虑最
新的研究成果和运行经验。

仪控系统PSR需要全面、可靠的电厂历史数据，因此
必须制定切实有效的计划进行数据收集、整理和记录。

4 结语
核电站仪控设备老化引起仪表精度降低通道响应时间增加，直接导致运行裕量降低，使核电站运行风险增加安全性减小，必须进行仪控设备有效的老化管理，以消除老化效应导致的不利影响。

核电站仪控设备老化管理不仅仅是技术问题，还涉及到核安全监管部门对先进老化管理技术的评审、运行维护人员培训、老化管理大纲的组织协调落实等问题。

从技
术和管理上对核电站仪控设备老化管理进行全面研究，有助于建立完善的仪控设备老化管理体系，提高我国核电站运行的安全性、可用性和经济性，保证我国核电行业的快速发展。

【相关文献】
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