黃 勇 ，何伯陽(yáng) ，郭 偉

（1.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中廣核研究院有限公司，深圳 518031）

隨著對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)的倚重，世界各核電大國(guó)也紛紛將目光投向海上浮動(dòng)核電站，以突破海上開發(fā)的能源供給瓶頸，為偏遠(yuǎn)島嶼和海上石油天然氣開采平臺(tái)提供電力、熱力和淡水資源。世界上首座海上浮動(dòng)核電站——俄羅斯 “羅蒙諾索夫院士”（Akademik Lomonosov）號(hào)已下海測(cè)試；我國(guó)也在加速發(fā)展海上浮動(dòng)核電站，并被國(guó)家發(fā)改委納入能源科技創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃。

海上浮動(dòng)核電站是核電應(yīng)用新技術(shù)，它將陸上的發(fā)電堆引入船舶，具有船舶和核電站雙重屬性。因此，海上浮動(dòng)核電站儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)既需要符合核電站建設(shè)相關(guān)法律法規(guī)，也需要符合船舶建造設(shè)計(jì)規(guī)范，還需要綜合考慮海上環(huán)境對(duì)核電儀控設(shè)備的影響。

1 海上浮動(dòng)核電站應(yīng)考慮的環(huán)境條件

設(shè)備的鑒定因素基于設(shè)備的使用條件，即設(shè)備在其壽期內(nèi)經(jīng)歷的所有環(huán)境條件和運(yùn)行條件。環(huán)境條件是指存在于設(shè)備外部的條件，比如溫度、輻照、壓力、沖擊等。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)海洋氣候環(huán)境條件和機(jī)械環(huán)境條件的要求進(jìn)行了規(guī)定；文獻(xiàn)[3]對(duì)船舶電氣設(shè)備設(shè)計(jì)的環(huán)境條件要求進(jìn)行了規(guī)定。相對(duì)于陸上核電站儀控設(shè)備的使用條件而言，海上浮動(dòng)核電站增加了海洋環(huán)境條件下的使用要求，主要有船舶撞擊（沖擊）、極端風(fēng)浪（傾斜、搖擺）、化學(xué)及生物條件（鹽霧、霉菌）下設(shè)備的適應(yīng)性要求。

為此，海上浮動(dòng)核電站儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下環(huán)境條件：

1）氣候環(huán)境條件 包括氣溫、濕度、鹽霧、霉菌、沙粒和沙塵、降雨、冰雹、降雪、結(jié)冰、太陽(yáng)輻照等；

2）機(jī)械環(huán)境條件 包括傾斜、搖擺、振動(dòng)、沖擊等。

其中的傾斜、搖擺、鹽霧、霉菌、沖擊是海上核電站特定的海洋環(huán)境條件，其對(duì)儀控設(shè)備設(shè)計(jì)的影響應(yīng)予重點(diǎn)考慮。

2 海洋環(huán)境條件對(duì)儀控設(shè)備的影響

2.1 沖擊

海上浮動(dòng)核電站在航行過程中，會(huì)受到推進(jìn)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)、海浪正常碰擊與甲板上浪沖擊的綜合影響。在事故工況下，還可能會(huì)受到船體碰撞、飛機(jī)墜落撞擊等劇烈的事故沖擊影響。沖擊、碰撞工況產(chǎn)生的沖擊力會(huì)傳遞到船上設(shè)備，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和支承影響較大。

這些沖擊對(duì)海上浮動(dòng)核電站儀控設(shè)備的結(jié)構(gòu)及功能造成影響，具體包括：設(shè)備產(chǎn)生疲勞而損壞、可靠性下降及功能和性能異常等；設(shè)備之間、設(shè)備與船體構(gòu)筑物之間產(chǎn)生相對(duì)位移而引起碰撞、擠壓；部件連接斷開；電子元器件管腳斷開、導(dǎo)線連接斷裂，電氣短路，粘層、鍵合點(diǎn)松脫，開關(guān)觸點(diǎn)瞬間斷開；等[4]。因此，海上核浮動(dòng)電站設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮海底抨擊、船首沖擊、碰撞、墜物等載荷對(duì)移動(dòng)平臺(tái)強(qiáng)度的影響。

儀控設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)沖擊的措施有：設(shè)備底部安裝減震器；使用強(qiáng)度高、延伸率大的材料；避免采用懸臂式構(gòu)件；焊縫盡可能遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)；電氣設(shè)備的接線應(yīng)有足夠的松弛長(zhǎng)度；設(shè)備與外部的連接應(yīng)有撓性；可動(dòng)部件盡可能采用動(dòng)平衡設(shè)計(jì)；等。

2.2 傾斜與搖擺

傾斜、搖擺是海上平臺(tái)上安裝的所有設(shè)備都將承受的一種基本的機(jī)械環(huán)境載荷。

傾斜指由于海上平臺(tái)事故浸水、操縱、裝載不平衡和風(fēng)浪所造成的縱向或橫向的最大傾角。

搖擺有縱搖、橫搖、首搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩等6種形式?？v搖、橫搖和首搖，是指船舶在最大航行狀態(tài)下，由于受風(fēng)和波浪而產(chǎn)生的不利于航向的3個(gè)方向的最大搖動(dòng)；縱蕩、橫蕩、垂蕩是指船體航行時(shí)，由于波浪和操作引起的在3個(gè)坐標(biāo)軸方向的往復(fù)平移運(yùn)動(dòng)。

傾斜使海上核電站儀控設(shè)備承受靜態(tài)力，其大小與設(shè)備的安裝位置無關(guān)，而與平臺(tái)的傾斜角度和設(shè)備的結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，傾斜條件對(duì)設(shè)備的影響主要是設(shè)備及部件的固定變形、斷裂、轉(zhuǎn)軸撓度過大，導(dǎo)致卡死、運(yùn)動(dòng)部件不能動(dòng)作等。

搖擺使浮動(dòng)平臺(tái)承受交變的力，并將其傳遞給船上儀控設(shè)備，使之產(chǎn)生方向交變的應(yīng)力和加速度，導(dǎo)致設(shè)備工作失常、結(jié)構(gòu)損壞和疲勞失效等。

對(duì)于傾斜、搖擺的影響，應(yīng)對(duì)策略有：確保可動(dòng)部件的潤(rùn)滑；對(duì)固定或連接部件采取防松脫措施；增加設(shè)備的支撐，減少慣性；等。

2.3 鹽霧

高鹽度海洋環(huán)境帶來的鹽霧會(huì)隨著空氣進(jìn)入艙室內(nèi)部，而通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)難以有效濾除鹽分以消除對(duì)艙室內(nèi)設(shè)備的影響。鹽霧會(huì)加速金屬材料的腐蝕，降低絕緣材料的絕緣性能，使金屬材質(zhì)發(fā)生電偶腐蝕。因此，在三高（高溫、高濕、高鹽）的環(huán)境條件中，鹽霧會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生綜合性的腐蝕作用。鹽霧對(duì)儀控設(shè)備的主要影響如下：

1）腐蝕效應(yīng) 鹽霧引起的電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬材料腐蝕；高溫、高濕環(huán)境條件下加速應(yīng)力腐蝕；鹽霧中的化學(xué)成分在水中電離，形成酸堿溶液的腐蝕[6]。

2）電效應(yīng) 絕緣材料腐蝕和金屬腐蝕；鹽沉積產(chǎn)生導(dǎo)電層；鹽沉積導(dǎo)致電子部件電氣性能下降、損壞。

3）物理效應(yīng) 容易導(dǎo)致機(jī)械活動(dòng)部件阻塞而降低可靠性；容易導(dǎo)致設(shè)備表面漆層的脫離[6]。

對(duì)于鹽霧的影響，應(yīng)對(duì)措施有：電路板上噴三防漆；設(shè)計(jì)選型時(shí)使用耐腐蝕、耐老化材料；對(duì)于關(guān)鍵部件進(jìn)行密封處理；等。

2.4 霉菌

霉菌在艙室內(nèi)的“三高”環(huán)境下迅速生長(zhǎng)，分解有機(jī)材料，導(dǎo)致其性能下降，從而破壞各類電子部件的絕緣性能；霉菌生長(zhǎng)分泌的酸性物質(zhì)還會(huì)腐蝕金屬材料。

霉菌生長(zhǎng)對(duì)設(shè)備材料帶來的影響主要有：電子設(shè)備材料的絕緣電阻、電抗強(qiáng)度下降，導(dǎo)致電路板線路間短路；材料塑性變差，導(dǎo)致老化過程加速；橡膠密封件被破壞，導(dǎo)致密封性能下降；分泌酸性物質(zhì)，導(dǎo)致金屬材料電解腐蝕。

對(duì)此，應(yīng)對(duì)措施有：采用氣密結(jié)構(gòu)；采用固體封裝技術(shù)；選擇耐腐蝕金屬材料；部件表面采取涂鍍工藝處理；等。

3 海上浮動(dòng)核電站儀控設(shè)備的鑒定

3.1 設(shè)備鑒定思路

海上核電站儀控設(shè)備的鑒定思路是：參考陸上堆設(shè)備鑒定體系及方法，補(bǔ)充海洋環(huán)境條件特定的鑒定要求。

①參考陸上核電站設(shè)備鑒定的成熟鑒定體系、鑒定方法等，對(duì)海上核電站設(shè)備鑒定具有借鑒意義。②對(duì)設(shè)備性能的影響主要體現(xiàn)在環(huán)境條件的因素上，HAF 102中要求考慮設(shè)備壽期內(nèi)所有的環(huán)境條件，故海上核電站需綜合考慮核及船的環(huán)境條件因素。其中，IEEE 382，RCC-E中已規(guī)定了陸上核電站核級(jí)設(shè)備所經(jīng)受的環(huán)境因素；GB/T 6994，GB/T 4798.6等規(guī)定了船用的環(huán)境條件及分類。

3.2 鑒定標(biāo)準(zhǔn)體系

對(duì)于海上核電站，目前國(guó)際上尚未形成成熟的鑒定實(shí)踐?；诖?，海上核電站的設(shè)備鑒定，可以參考現(xiàn)有的陸上核電站設(shè)備鑒定實(shí)踐，并結(jié)合相應(yīng)的船用標(biāo)準(zhǔn)開展。所采用的實(shí)踐包括：

（1）陸上核電站實(shí)踐

——基于RCC-E規(guī)范和EDF相關(guān)規(guī)范的法國(guó)實(shí)踐；

——基于IEEE與ASME-QME-1標(biāo)準(zhǔn)的美國(guó)實(shí)踐；

——基于KTA標(biāo)準(zhǔn)的德國(guó)實(shí)踐；

——基于GB與NB標(biāo)準(zhǔn)的中國(guó)設(shè)計(jì)單位編寫相關(guān)規(guī)范的中國(guó)實(shí)踐。

（2）船用標(biāo)準(zhǔn)體系

——基于CCS入級(jí)規(guī)范及指導(dǎo)指南的標(biāo)準(zhǔn)體系，如GD22等；

——基于GB的船用標(biāo)準(zhǔn)體系，如GB/T 2423等；

——基于GJB的船用標(biāo)準(zhǔn)體系，如GJB 150等。

3.3 鑒定試驗(yàn)順序

基于RCC-E規(guī)范和EDF相關(guān)規(guī)范的法國(guó)實(shí)踐，設(shè)備鑒定可分為4個(gè)階段：基準(zhǔn)試驗(yàn)、極限工況試驗(yàn)、老化試驗(yàn)、模擬事故試驗(yàn)。對(duì)于特定海洋環(huán)境條件的傾斜、搖擺、鹽霧、霉菌、沖擊，其劃分和依據(jù)如下：

1）鹽霧、霉菌的鑒定，劃分為極限工況鑒定。鹽霧、霉菌的試驗(yàn)通常為驗(yàn)證在一定條件下（鹽霧、潮濕）一段時(shí)間的適應(yīng)性能力，而不考慮老化累積效應(yīng)；此外，鹽霧、霉菌造成的危害可以通過在役檢查或監(jiān)督來評(píng)估，不符合IEEE 627中的顯著老化機(jī)理判定要求之一，不能稱為顯著老化機(jī)理。

2）傾斜和搖擺的鑒定，劃分為極限工況。對(duì)比GJB 150.23A—2009，GB/T 2423.101—2008，GD 22—2015中的傾斜和搖擺環(huán)境條件，驗(yàn)證可知，目前針對(duì)艦船設(shè)備僅需要考慮傾斜和搖擺環(huán)境的適應(yīng)性，因此劃分為極限工況。

3）沖擊的鑒定，劃分為事故工況。沖擊試驗(yàn)是通過模擬外部沖撞，驗(yàn)證設(shè)備在經(jīng)受外力作用時(shí)的安全性、可靠性和有效性，因此屬于事故工況條件下的驗(yàn)證。

綜上所述，海上核電站設(shè)備鑒定試驗(yàn)順序建議見表1。

表1 海上核電站設(shè)備鑒定的試驗(yàn)順序Tab.1 Test sequence of ONPP equipment qualification

3.4 海洋環(huán)境條件特殊鑒定要求及方法

3.4.1 傾斜和搖擺

海上浮動(dòng)核電站的傾斜和搖擺與工作海況緊密聯(lián)系，標(biāo)準(zhǔn)GJB 4000—2000對(duì)1～9級(jí)海況進(jìn)行了相關(guān)定義，并結(jié)合船舶與海洋工程規(guī)范要求和經(jīng)驗(yàn)，將6級(jí)及以下海況定義為核電站正常作業(yè)海洋條件，將8級(jí)海況定義為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)海洋條件，8級(jí)以上海況為極限工況。

依據(jù)《鋼制海船入級(jí)規(guī)范2015（第4分冊(cè)）》中，對(duì)所有電氣設(shè)備允許的最大傾斜角規(guī)定見表2。

表2 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范對(duì)電氣設(shè)備傾斜角的規(guī)定[1]Tab.2 Rule for the inclination angle of electrical equipment in classification rule of steel seagoing vessel

基于以上所述及標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2423.101—2008，結(jié)合海上核電站的實(shí)際情況，其傾斜和搖擺參數(shù)可參見表3。

表3 海上核電站傾斜和搖擺參數(shù)Tab.3 Parameters of inclination and swing in ONPP

對(duì)于儀控設(shè)備，傾斜和搖擺的鑒定建議采用試驗(yàn)法。基于表3所列傾斜和搖擺參數(shù)，以及相關(guān)船用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于通用設(shè)備，建議根據(jù)設(shè)備的種類及使用條件，參照GB/T 2423.101進(jìn)行。對(duì)于特殊設(shè)備，其傾角、搖擺角、搖擺周期應(yīng)符合設(shè)計(jì)方及船級(jí)社相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4.2 沖擊

依據(jù)《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范（2014）》：浮式裝置碰撞的動(dòng)能，側(cè)面撞擊≮14 MJ，首部或尾部撞擊≮11 MJ，相當(dāng)于一艘5000 t供應(yīng)船以2 m/s速度撞擊的能量[9]。因而，海上浮動(dòng)平臺(tái)沖擊的假設(shè)始發(fā)事件為5000 t的船以2 m/s的速度撞擊海上浮動(dòng)平臺(tái)。

在GJB 150.18A—2009中，采用沖擊譜的形式進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并明確規(guī)定該試驗(yàn)可用于評(píng)估設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能承受裝卸、運(yùn)輸和使用環(huán)境中不常發(fā)生的非重復(fù)性沖擊的能力；可用于測(cè)試裝備固定裝置的強(qiáng)度，該裝備安裝在可能發(fā)生碰撞的平臺(tái)上[10]。

基于此，海上核電站可采用沖擊譜的形式，對(duì)儀控設(shè)備進(jìn)行鑒定。試驗(yàn)方法主要采用擺錘沖擊試驗(yàn)或振動(dòng)臺(tái)沖擊試驗(yàn)，其中，擺錘沖擊試驗(yàn)可參照GJB 150，CB 1146等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；振動(dòng)臺(tái)沖擊試驗(yàn)可參照GB2423等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.4.3 鹽霧及霉菌

依據(jù)GB/T 4798.6—2012和GB/T 14092.4—2009，海上核電站所處的化學(xué)環(huán)境條件為6C2級(jí)，鹽霧的質(zhì)量濃度為2 mg/m3；生物環(huán)境條件為6B2級(jí)，所處的環(huán)境生物活動(dòng)頻繁伴有各種生物災(zāi)害。

對(duì)于采用了經(jīng)過驗(yàn)證的耐鹽霧、霉菌材料的設(shè)備，或已采用合理的涂漆、鍍金屬層等方式進(jìn)行了防護(hù)處理，可認(rèn)為其滿足防護(hù)的要求，不需要鑒定。對(duì)于需要進(jìn)行鑒定的設(shè)備，鑒定可僅針對(duì)材料或易腐蝕的部件，采用試驗(yàn)法或分析法進(jìn)行，試驗(yàn)法可參照GD 22或GB/T 2423等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4 結(jié)語

文中根據(jù)海洋的特殊環(huán)境條件，討論沖擊、傾斜與搖擺、鹽霧、霉菌等鑒定因素對(duì)儀控設(shè)備的影響，基于這些影響提出儀控設(shè)備對(duì)應(yīng)的鑒定要求，并將上述特殊環(huán)境因素納入儀控設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)考量中。

由于海上浮動(dòng)核電站的研發(fā)設(shè)計(jì)缺乏明確的法律法規(guī)指導(dǎo)，也無法照搬陸上堆的法律法規(guī)進(jìn)行規(guī)范，因此文中僅給出一些綜合性建議，作為參考。目前亟待解決的問題是結(jié)合海洋環(huán)境法律法規(guī)和陸上堆相關(guān)規(guī)范，在原有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上編制新的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，形成海上核電站設(shè)計(jì)鑒定法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系，以全面指導(dǎo)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。