熊 宇，鄧志偉

(中國(guó)核電工程公司，北京 100840)

電纜是保證核電站正常運(yùn)行的重要設(shè)備之一，主要用于核電站電力和控制、測(cè)量信號(hào)的傳輸，是保證核電站各系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的血管和神經(jīng)。嚴(yán)酷環(huán)境用電纜是安裝在核島安全殼內(nèi)，是在正常環(huán)境條件下及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故環(huán)境條件下均能執(zhí)行其規(guī)定功能的電纜。

由于“華龍一號(hào)”核電站嚴(yán)苛的安全性能要求，“華龍一號(hào)”核電站嚴(yán)酷環(huán)境用電纜與二代機(jī)型核電站K1類(lèi)電纜相比其技術(shù)指標(biāo)有很大的提高。電纜的使用壽命由40年提高到了60年，并且除了需要考慮二代要求的正常環(huán)境條件和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境條件外還需考慮嚴(yán)重事故環(huán)境條件及其后的水淹環(huán)境，以使核電站的安全更有保障。

下面就在研制該類(lèi)電纜過(guò)程中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題和解決方法做出介紹。

1 確定電纜結(jié)構(gòu)和各層的材料

“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜的使用壽命為在90 ℃下不小于60年，具有低煙、無(wú)鹵、耐油、耐臭氧等特性。除滿足基本的電氣和機(jī)械性能外，該電纜的絕緣線芯要求符合單根垂直燃燒、成品電纜要求通過(guò)成束燃燒B類(lèi)試驗(yàn)要求。同時(shí)該電纜還需要滿足正常環(huán)境和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)及嚴(yán)重事故環(huán)境下的熱老化、輻照老化及高溫高壓和水淹等苛刻的環(huán)境條件。

1.1 “華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜的結(jié)構(gòu)和材料

為了保證電纜的各項(xiàng)性能滿足“華龍一號(hào)”核電站的要求，我們進(jìn)行了認(rèn)真的研究和試驗(yàn)，確定了最優(yōu)的電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并且獲得了多項(xiàng)專(zhuān)利。下面，以嚴(yán)酷環(huán)境用控制電纜為例介紹其結(jié)構(gòu)和各層使用的材料。

電纜導(dǎo)體由多根鍍錫銅導(dǎo)線組成，使的電纜線芯柔軟并有良好的防腐性。每根導(dǎo)體擠包雙層復(fù)合型輻照交聯(lián)聚烯烴材料絕緣層，在保證電性能的同時(shí)保證了電纜芯線的阻燃特性。在絕緣層外包裹耐高溫繞包層很好地提高了電纜的耐高溫性能。電纜采用無(wú)鹵高阻燃耐輻照材料無(wú)縫隙高壓擠出填充?？闺姶鸥蓴_屏蔽層采用鍍錫銅絲編織屏蔽。護(hù)套采用耐輻照交聯(lián)聚烯烴高科技聚合物材料，提高了電纜的機(jī)械性能并滿足了低煙、無(wú)鹵、阻燃的要求。

1.2 “華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜結(jié)構(gòu)和材料的特點(diǎn)

“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜要求低煙、無(wú)鹵、阻燃、并且具有高電性能和高機(jī)械性能，滿足重量輕、外徑小、彎曲半徑小的要求。為此，電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取以下措施。

第一點(diǎn)，全部使用低煙、無(wú)鹵材料。

由于“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜要求低煙、無(wú)鹵，所以電纜設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)所有材料均采用低煙、無(wú)鹵型材料。我們使用鹵酸氣體含量測(cè)試設(shè)備對(duì)原材料進(jìn)行把關(guān)檢驗(yàn)，以使其滿足產(chǎn)品的低煙無(wú)鹵的設(shè)計(jì)和制造要求。使用成束燃燒設(shè)備、煙密度試驗(yàn)設(shè)備和單根垂直燃燒設(shè)備對(duì)電纜試樣進(jìn)行多次試驗(yàn)，保證了電纜性能的可靠性。

第二點(diǎn)，采用雙層絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

電纜的工作溫度、短路溫度、絕緣電阻、熱壽命評(píng)定、燃燒特性以及外徑尺寸等指標(biāo)是相互制約的，所以絕緣結(jié)構(gòu)需作全面考慮。由于采用輻照交聯(lián)聚烯烴材料在增加阻燃性能時(shí)勢(shì)必造成絕緣性能的下降，為保證電纜的設(shè)計(jì)要求，對(duì)“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜絕緣線芯采用雙層絕緣設(shè)計(jì)，內(nèi)層采用高電性能輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣材料擠出，外層采用輻照阻燃交聯(lián)聚烯烴絕緣材料擠包，雙層絕緣同時(shí)共擠，保證了電纜的電性能和阻燃性能。成品電纜的阻燃性能可以達(dá)到GB/T18380中規(guī)定的成束燃燒B類(lèi)和絕緣線芯單芯垂直燃燒的要求。

第三點(diǎn)，增加了絕緣耐高溫繞包層。

此次研發(fā)的線芯絕緣采用輻照聚烯烴雙層擠包，以保證其電性能符合設(shè)計(jì)要求，但因聚烯烴材料的耐高溫性能較低，為保證電纜在正常工況和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)及嚴(yán)重事故工況下可以正常使用，在絕緣線芯上選擇增加了耐高溫繞包層結(jié)構(gòu)，有效地保證了絕緣線芯在高溫狀態(tài)下的各項(xiàng)性能符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)電纜整體性能也有明顯的提升。

第四點(diǎn)，電纜填充采用擠壓式擠包結(jié)構(gòu)。

針對(duì)“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜要求結(jié)構(gòu)緊湊、外徑小、重量輕等特點(diǎn)，電纜填充采用無(wú)鹵高阻燃耐輻照材料擠壓式擠包而成。該結(jié)構(gòu)減少了因條狀填充造成的外徑增大，提高了電纜圓整度，有效防止了電纜在高溫高壓環(huán)境下絕緣線芯發(fā)生位移而影響產(chǎn)品性能。在工藝性能上我們針對(duì)無(wú)鹵阻燃材料填充劑多，造成材料在擠出過(guò)程中流動(dòng)性差，摩擦熱大，溫度要求精度高，影響成品電纜的拉伸和抗張強(qiáng)度等現(xiàn)象，進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，并取得了材料廠家的技術(shù)支持，掌握了材料特性，使試制產(chǎn)品的各項(xiàng)性能達(dá)到研制任務(wù)書(shū)要求。

2 滿足電纜60年以上壽命的要求

“華龍一號(hào)”核電站嚴(yán)酷環(huán)境用電纜的使用壽命為在90 ℃下不小于60年，大大超過(guò)了二代核電站要求的40年。為此，電纜材料和加工工藝均需要非常高的標(biāo)準(zhǔn)以達(dá)到此壽命要求。

根據(jù)核電相關(guān)規(guī)范要求，組成電纜的主要非金屬材料和成品電纜均須進(jìn)行電纜熱老化壽命評(píng)定試驗(yàn)，取得熱老化壽命評(píng)定報(bào)告。

組成電纜主要非金屬材料為電纜的內(nèi)、外絕緣和護(hù)套材料。首先分別試驗(yàn)并計(jì)算出這三種材料在90 ℃下的熱老化壽命并推算出其活化能。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，成品電纜的熱老化試驗(yàn)溫度可以選擇155 ℃。使用試驗(yàn)和計(jì)算得到的材料活化能及該熱老化溫度可以推算出成品電纜的熱老化試驗(yàn)時(shí)間，然后按照該熱老化溫度和時(shí)間進(jìn)行成品電纜的熱老化試驗(yàn)。熱老化試驗(yàn)完成后的電纜還要進(jìn)行一系列試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可靠性。

2.1 電纜材料的熱壽命試驗(yàn)和計(jì)算

根據(jù)國(guó)際上對(duì)電線電纜用高分子材料的試驗(yàn)研究和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以得出這樣的結(jié)論：即電線電纜在一定工作溫度范圍內(nèi)，熱壽命的化學(xué)反應(yīng)，絕大多數(shù)情況符合阿倫紐斯(Arrhenius)經(jīng)驗(yàn)推算公式。

阿倫紐斯推算公式為：Logτ=a+b/T;

式中，τ為產(chǎn)品在溫度T條件下工作的壽命，h；T為工作溫度，K；a，b為待定系數(shù)。

在設(shè)定的工作溫度下，通過(guò)試驗(yàn)和推導(dǎo)，可計(jì)算得出待定系數(shù)a和b，利用此公式可算出壽命τ，若τ的數(shù)值大于期望值(60年)，也就滿足了電纜材料設(shè)計(jì)壽命的要求。

我們提供電纜的內(nèi)、外絕緣和護(hù)套材料的試樣委托國(guó)家電線電纜監(jiān)督檢測(cè)中心分別進(jìn)行了材料的壽命試驗(yàn)。以下以電纜外絕緣材料壽命試驗(yàn)為例進(jìn)行介紹。

首先使用電纜的內(nèi)、外絕緣和護(hù)套材料分別進(jìn)行熱老化壽命試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算可以分別得到電纜內(nèi)、外絕緣和護(hù)套材料的活化能(Ea)。依據(jù)材料的活化能數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算就能得到成品電纜的熱老化試驗(yàn)條件。

阿倫紐斯公式的指數(shù)形式為:

①

式中

τ為：產(chǎn)品在溫度T條件下工作的壽命(h)；

T為：開(kāi)氏溫度，開(kāi)爾文，T=θ+273.15；

θ為：攝氏溫度，℃；

A為：與材料和診斷試驗(yàn)有關(guān)的常數(shù)；

Ea為：材料活化能，單位是電子伏特，eV；

k為：玻爾茲曼常數(shù)，k=0.000 086 17；

e為：自然對(duì)數(shù)，e=2.718 281 8；

公式①變化后為

②

將需鑒定的壽命時(shí)間τ2、工作溫度T2代入②式有：

③

將需加速老化的時(shí)間τ1、工作溫度T1代入②式有：

④

④-③

⑤

變換⑤式后得：

⑥

由⑥式可以看出，材料的活化能越小，一定溫度下達(dá)到老化極限的時(shí)間越長(zhǎng)。

所以，選擇電纜內(nèi)絕緣材料的活化能數(shù)據(jù)

Ea=126 kJ/mol=1.305 9 eV

由于電纜的60年工作溫度為90℃，而加速老化試驗(yàn)溫度為155℃，可得：

工作溫度T2=273.15+90=363.15 K

加速老化溫度T1=273.15+155=428.15 K

需鑒定的材料壽命τ2=60年=60×365×24 h=525 600 h

將以上參數(shù)代入⑥式得

電纜的老化時(shí)間

=525 600×e[1.305 9/0.000 086 17×(1/428.15-1/363.15)]

=931.44 h

加放10%的裕量后的熱老化時(shí)間為:

τ=931.44×(1+10%)≈1 025 h

由以上計(jì)算可知：成品電纜的熱老化試驗(yàn)條件為155 ℃/1 025 h。

3 嚴(yán)酷環(huán)境下的高溫高壓試驗(yàn)及其后的浸沒(méi)試驗(yàn)

“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜使用在核島安全殼內(nèi)，除了在正常環(huán)境條件下使用外還需耐受一定時(shí)間的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故[包括反應(yīng)堆冷卻劑喪失(LOCA)、主蒸汽管道破裂(MSLB)、其他高能管道破裂(HELB)]和嚴(yán)重事故環(huán)境，并且還要考慮嚴(yán)重事故環(huán)境后的水淹浸沒(méi)環(huán)境，所以需要進(jìn)行嚴(yán)酷環(huán)境下的高溫高壓試驗(yàn)及其后的浸沒(méi)試驗(yàn)。

由于考慮了嚴(yán)重事故環(huán)境條件等因素，“華龍一號(hào)”三代機(jī)型核電站的嚴(yán)酷環(huán)境下的高溫高壓模擬試驗(yàn)曲線比二代機(jī)型的LOCA模擬試驗(yàn)曲線嚴(yán)酷很多，加上其后的浸沒(méi)試驗(yàn)，對(duì)電纜的要求非常高。為此，我們采用了增加絕緣耐高溫繞包層等工藝改進(jìn)，為試驗(yàn)的成功奠定了基礎(chǔ)。

嚴(yán)酷環(huán)境下的高溫高壓試驗(yàn)及其后的浸沒(méi)試驗(yàn)在國(guó)家核安全局和生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心、生態(tài)環(huán)境部北方核與輻射安全監(jiān)督站等單位見(jiàn)證下，在國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成。

3.1 試驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備

嚴(yán)酷環(huán)境下的高溫高壓試驗(yàn)的試驗(yàn)樣品分為三組，其中成品電纜二組和絕緣線芯一組。第一組為已進(jìn)行了前期的熱老化試驗(yàn)、輻照老化試驗(yàn)的成品電纜樣品；第二組為只經(jīng)過(guò)事故環(huán)境下輻照試驗(yàn)的成品電纜樣品；第三組為經(jīng)過(guò)了前期的熱老化試驗(yàn)、輻照老化試驗(yàn)的絕緣線芯樣品。

所有樣品在高溫高壓試驗(yàn)前均以約20倍電纜外徑為直徑彎曲成圈后，進(jìn)行浸水1 h耐交流電壓試驗(yàn)及絕緣電阻試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)樣品以約40倍電纜直徑為彎曲直徑纏繞在試驗(yàn)支架上并固定。

試驗(yàn)樣品在試驗(yàn)倉(cāng)頂蓋上采用專(zhuān)用貫穿技術(shù)貫穿，使用液體硅橡膠灌注固化，再用金屬蓋板機(jī)械固定并加壓密封。

3.2 高溫高壓試驗(yàn)過(guò)程

按照鑒定試驗(yàn)大綱對(duì)“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜試驗(yàn)樣品進(jìn)行高溫高壓試驗(yàn)。

高溫高壓試驗(yàn)過(guò)程中,電力電纜、控制電纜和儀表電纜全程施加相應(yīng)的電壓和電流，并對(duì)試驗(yàn)樣品實(shí)施12 h的化學(xué)介質(zhì)噴淋。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為16 d，其中前期預(yù)處理時(shí)間24 h。

3.3 高溫高壓試驗(yàn)結(jié)果和驗(yàn)證試驗(yàn)

在高溫高壓試驗(yàn)完成后的完整電纜，以約40倍電纜外徑為直徑彎曲成圈后無(wú)開(kāi)裂，隨后進(jìn)行浸水1 h耐電壓試驗(yàn)及絕緣電阻試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜耐高溫高壓試驗(yàn)成功完成。

3.4 高溫高壓試驗(yàn)后的浸沒(méi)試驗(yàn)

“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜在高溫高壓試驗(yàn)后需進(jìn)行浸沒(méi)試驗(yàn)。試驗(yàn)使用已進(jìn)行高溫高壓試驗(yàn)及隨后的電氣性能試驗(yàn)的兩組電纜，將其本體全部浸入到強(qiáng)堿性的浸沒(méi)試驗(yàn)溶液中。浸沒(méi)試驗(yàn)溫度為137 ℃，浸沒(méi)試驗(yàn)壓力為0.33 MPa, 浸沒(méi)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間15 d。浸沒(méi)試驗(yàn)過(guò)程中給試驗(yàn)樣品施加試驗(yàn)電流和電壓。浸沒(méi)試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控浸沒(méi)溶液的液位高度，當(dāng)液位高度不夠時(shí)及時(shí)補(bǔ)充溶液。

浸沒(méi)試驗(yàn)結(jié)束后電纜外護(hù)套完整、無(wú)開(kāi)裂破損，無(wú)脫落。然后進(jìn)行1 h的浸水耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

浸沒(méi)試驗(yàn)的成功標(biāo)志著“華龍一號(hào)”嚴(yán)酷環(huán)境用電纜鑒定型式試驗(yàn)全部完成。該系列鑒定型式試驗(yàn)條件經(jīng)過(guò)我們多年的研究和修改并經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)審后定稿，經(jīng)驗(yàn)證是嚴(yán)謹(jǐn)并可行的。

4 結(jié) 論

“華龍一號(hào)”核電站嚴(yán)酷環(huán)境用電纜相對(duì)于我們以往設(shè)計(jì)的電纜其技術(shù)要求有很大提高，相應(yīng)的鑒定試驗(yàn)難度也非常大，特別體現(xiàn)在電纜的60年壽命鑒定試驗(yàn)要求和挑戰(zhàn)性的高溫高壓試驗(yàn)及其后的浸沒(méi)試驗(yàn)。

對(duì)于電纜熱壽命的鑒定，選用合適的電纜材料進(jìn)行老化試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出其活化能并推導(dǎo)出成品電纜熱老化時(shí)間是關(guān)鍵。本文給出了相應(yīng)的試驗(yàn)和計(jì)算過(guò)程。

為了保證高溫高壓試驗(yàn)等嚴(yán)酷環(huán)境試驗(yàn)的成功，我們采用了增加絕緣耐高溫繞包層等新技術(shù)，通過(guò)反復(fù)的設(shè)計(jì)方案調(diào)整和試驗(yàn)試制，確定了電纜結(jié)構(gòu)和各層的材料，為研發(fā)的成功打下了良好的基礎(chǔ)。

在兩年多的時(shí)間里，我們努力攻克了很多技術(shù)難題，取得了多項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)利，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)和試驗(yàn)，終于研制出了符合“華龍一號(hào)”核電站嚴(yán)酷環(huán)境要求的電纜。該類(lèi)電纜的研制成功填補(bǔ)了國(guó)際空白，為“華龍一號(hào)”核電站的順利建設(shè)貢獻(xiàn)了力量。