隨著核電廠數(shù)量的增加及運行時間的延長，核電廠設(shè)備的老化效應(yīng)越來越引起人們的關(guān)注，如何對核電廠的老化實施有效管理、確保在役核電廠的安全性和可靠性，引起了國際原子能機構(gòu)（IAEA）和世界核電大國的嚴(yán)重關(guān)注，并已開展了廣泛的工作。作為核電廠安全重要部件之一，安全殼內(nèi)儀表與
控制電纜的老化評估與管理也得到了深入的研究，取得了較多的研究成果。IAEA 和國際主要核能機構(gòu)已發(fā)表了不少專題報告[1]-[4]。
我國的秦山、大亞灣核電廠投入運行已有10 多年的歷史，雖然運行時間不是很長，但已面臨安全殼內(nèi)儀控電纜的老化問題，隨著服役時間的增加，這一問題會更加突出。目前，國內(nèi)還沒有對安全殼內(nèi)儀控電纜老化評估及壽命管理的系統(tǒng)研究，筆者在相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上，介紹核電廠安全殼內(nèi)儀控電纜老化管理的內(nèi)容，以期對開展這項工作有所幫助。
1 儀控電纜及其使用環(huán)境
核電廠包含了成千上萬公里不同型號及規(guī)格的電纜，這些電纜構(gòu)成了中壓動力回路、低壓動力回路、控制回路、儀表回路、接地回路等
從表中可見，儀表及控制電纜回路占據(jù)了所有電纜回路的4/5 以上。所以，將儀控電纜，特別是將環(huán)境條件惡劣的安全殼內(nèi)儀控電纜作為研究的對象具有典型意義。
1.1 儀控電纜的用途及組成
儀表電纜是一種低壓、低容量的電纜，連接各種各樣的變送器、傳感器，傳輸數(shù)字或模擬信號；控制電纜也是低壓、低容量的，應(yīng)用于控制開關(guān)、泵、閥門等的操作機構(gòu)、繼電器和
接觸器的控制回路。
構(gòu)成儀控電纜的主要部分有：導(dǎo)體、絕緣材料、屏蔽、護套、多芯導(dǎo)體間的填充物、外部包扎帶。所謂電纜的老化，指的是電纜結(jié)構(gòu)中有機材料的老化。雖然填充物和外部包扎帶也是有機物，但對電纜老化的影響并不大，因此，研究的重點是針對絕緣材料和護套。
電纜所使用的絕緣體和護套的組成是由一些添加劑和填料合成的聚合材料，在核電廠中，儀控回路使用乙烯基、丙烯基合成的橡膠，玻璃纖維，以及以氯磺化聚乙烯、聚乙亞胺等為絕緣材料的電纜。
1.2 儀控電纜的工作環(huán)境
安全殼內(nèi)部儀控電纜放置在不同的使用環(huán)境下，最重要的影響因素是自然環(huán)境，主要是有氧氣存在時溫度、濕度、核輻照的影響，溫度、濕度、核輻照的值應(yīng)從設(shè)計文件中取得。
在正常運行情況下，安全殼內(nèi)不會受到濕度的影響。輻照的影響可從相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)中獲得，在40 年時間內(nèi)，正常運行情況下，安全殼內(nèi)輻照的最大累計值為3×107rad。安全殼內(nèi)的儀控電纜一般不會受到震動的影響，除非有特殊要求，否則，不考慮由于震動引起的老化問題[5]。
2 電纜的老化機理
在現(xiàn)場環(huán)境下，電纜的絕緣和護套等聚合物材料隨著時間的推移會發(fā)生各種緩慢的、不可逆的化學(xué)變化和物理變化，這些變化就是電纜的老化過程。從宏觀上來看， 表現(xiàn)為材料的延伸率降低，即材料的抗拉強度減弱；護套材料的硬度或抗壓模量增大；材料的密度增加；電氣性能改變(如介質(zhì)損耗增加)。
電纜的老化機理可分為影響分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)老化機理和影響材料混合物成分的物理老化機理。
2.1 化學(xué)老化機理
(1)高分子鏈斷裂：一個高分子鏈斷裂為2 個或多個新鏈，一般為烷氧基或過氧化根斷鏈，導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)的改變。
（2）交聯(lián)反應(yīng)：在2 個相鄰高分子間共價鍵的結(jié)構(gòu)發(fā)生交聯(lián)，使原先物質(zhì)的有效成分減少。
（3）氧化反應(yīng)：這是一種自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在氧化反應(yīng)開始階段，在溫度和輻照的影響下，由于共價鍵的斷裂而產(chǎn)生反應(yīng)性物質(zhì)，即自由基，氧化反應(yīng)既導(dǎo)致斷鏈，又生成交聯(lián)，這取決于氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中各階段的分子運動情況，它隨著聚合物中添加劑的不同而不同。
（4）氧擴散控制過程：聚合材料中自由基的初速率大于溶解氧擴散的速率時，老化快慢由氧擴散來控制。
（5）協(xié)同效應(yīng)：當(dāng)各個環(huán)境因素的綜合影響大于其各個單一影響之和時，會產(chǎn)生這種效應(yīng)，如對聚合物而言，既受熱，又受到輻照。
2.2 物理老化機理
（1）增塑劑蒸發(fā)：材料表面的增塑劑向周圍的空氣中揮發(fā)，其留下的空隙又被由材料的核心向表面擴散的增塑劑所填塞，這2 種揮發(fā)和填塞的分子運動并存，強弱由溫度所決定。
（2）增塑劑遷移：在使用增塑材料的多層電纜中，增塑劑在不同材料層間遷移，直到各層材料中的增塑劑達到均衡狀態(tài)。
3 環(huán)境鑒定
為了保證電纜的設(shè)計裕度，必須采用環(huán)境鑒定的方法，通過加速老化試驗，模擬電纜在運行壽期末經(jīng)受設(shè)計基準(zhǔn)事件，驗證電纜可以保證其功能，從而證明電纜在服役期的可靠性能。許多國家環(huán)境鑒定依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE-323[6]、IEEE-383[7]，前者是針對核電廠所有1E 級設(shè)備的一個通用的標(biāo)準(zhǔn)，后者敘述了針對1E級電纜的試驗方案。
3.1 加速老化試驗
在正常運行時，濕度、化學(xué)物質(zhì)等對電纜的老化影響很小，加速老化試驗是模擬電纜在實際運行中受到的熱、輻照等環(huán)境因素，表3 為主要核電大國進行熱老化和輻照老化的試驗條件[8]。
不管是熱老化還是輻照老化，試驗容器都是通風(fēng)的，這樣可以模擬安全殼內(nèi)氧氣的存在。
（1）進行聚合物的熱老化，普遍應(yīng)用Arrhenius 方程：
ts/ta=exp[Ea/B(1/Ts-1/Ta)]
其中：Ts 為在役溫度，Ta 為加速老化溫度，ts 為對應(yīng)于在役溫度Ts 的老化時間，ta 為對應(yīng)于加速老化溫度Ta 的老化時間，Ea 為活化能，B 為波爾茨曼常數(shù)。Arrhenius 方程既可用于在給定的測試時間下求取加速老化溫度，也可用于在給定的加速老化溫度下求取測試時間。但該方程受制于以下3 個條件：老化僅由單一化學(xué)反應(yīng)所引起；就是對同一種材料，在不同的溫度范圍內(nèi)，其活化能是不同的；通過在不同溫度和時間范圍內(nèi)對材料的樣本進行試驗，得到諸如老化時間及溫度條件的試驗參數(shù)。這樣，某一材料在一定范圍內(nèi)的時間與溫度的對應(yīng)關(guān)系外推至另一范圍時，有可能不一定成立。
確定活化能的精確值是加速老化試驗的關(guān)鍵，除了通常采用的伸長測量法之外，還有微觀量熱法、氣體分析法、化學(xué)發(fā)光法等。
（2） 對大多數(shù)有機材料而言，輻照的影響僅與材料受到的輻照總量有關(guān)，而與輻照率及種類無關(guān)，這就是等量劑量/等量損傷的模式。輻照老化采用伽瑪源，如鈷60， 在輻照率不大于1Mrad/hr 的情況下，針對正常運行條件，加速老化劑量可達50Mrad。如果不止一種放射源，則可依此進行試驗。
（3）對大部分材料來說，對其進行熱老化及輻照老化的試驗并沒有嚴(yán)格的先后次序，一般來說，先進行熱老化試驗，再進行輻照老化試驗，然后是主管道破裂（MSLB）及失水事故（LOCA）條件下的試驗。
在某些情況下，如有氧環(huán)境，對于某些材料如PVC 制成的護套，加速老化時要考慮輻照率和老化次序的協(xié)同效應(yīng)的影響。氧氣對老化的作用很顯著，在試驗容器中，要保證氧氣的供給。
3.2 設(shè)計基準(zhǔn)事件試驗
經(jīng)過人工老化的電纜應(yīng)能承受最嚴(yán)重的設(shè)計基準(zhǔn)事件，如LOCA、HELB、MSLB，在這些事件中，將會受到高能輻照、熱的氣體或蒸汽、噴水、化學(xué)溶液以及其它流體的作用。下面介紹LOCA 試驗的情況。
（1） 在熱老化過程完成之后，電纜需承受整個服役期應(yīng)受到的輻照加上LOCA 時的輻照量，即50Mrad 加上150Mrad，輻照速率在1Mrad/hr 之內(nèi)， 一般也使用鈷60作為放射源。被照射過的試樣在特別設(shè)計的壓力容器中進行試驗，以承受發(fā)生設(shè)計基準(zhǔn)事件時產(chǎn)生的壓力、溫度、濕度以及噴出的化學(xué)物質(zhì)。不同種類的反應(yīng)堆，LOCA的環(huán)境條件變化很大，就是在同一個安全殼內(nèi)，各個部位的LOCA 的環(huán)境條件也不一樣，如果實際情況有所不同，可以做出相應(yīng)的調(diào)整。
（2）在LOCA 試驗之后，應(yīng)能承受IEEE-383 中規(guī)定的耐壓試驗。
4 狀態(tài)監(jiān)測
環(huán)境鑒定是目前證明核電廠內(nèi)電纜可以完成其設(shè)計使用功能的通用的方法，但是，由于受試驗條件的限制以及存在的不確定因素，環(huán)境鑒定中的加速老化試驗是建立在一些假設(shè)條件之上的，因此必然帶來一些鑒定結(jié)果與實際情況的差異，這就提出了對電纜進行現(xiàn)場監(jiān)測的要求，以保證其正常運行的能力。
在安全殼內(nèi)環(huán)境下，聚合物首先出現(xiàn)氧化、交聯(lián)、斷鏈、氫過氧化物分解以及其它的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子的變化；化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化引起物理參數(shù)的變化，如分子重量或密度、玻璃轉(zhuǎn)化溫度及融點溫度、耗氧量及其消耗速度；化學(xué)及物理變化會影響絕緣材料的電氣性能的變化。針對這些變化，相應(yīng)有各種監(jiān)測的方法[8]。
4.1 針對化學(xué)變化的監(jiān)測方法
表4 為針對化學(xué)變化的評估材料老化的方法。除了前3 種方法可以在現(xiàn)場的電纜上進行測試之外，其余的方法需要從電纜絕緣材料上刮下幾毫克的試樣，在實驗室完成試驗
4.2 針對物理變化的監(jiān)測方法
表5 是監(jiān)測聚合材料物理特性以評估材料老化的方法。
除了刻壓模量法之外，所有其它的方法都是破壞性的，都需要不同大小的樣品。前面2 種方法需要將樣品中的銅導(dǎo)體去掉，并制成啞鈴狀的受拉樣品。
在以上各種方法中，延伸率是目前測量聚合物脆裂程度通行的方法，絕對延伸長度50%被認(rèn)為是試樣是否老化的一個判別依據(jù)。
4.3 針對電氣參數(shù)變化的監(jiān)測方法
不管是化學(xué)方法還是物理方法都僅能監(jiān)測電纜局部的狀態(tài)，需要選取幾個不同的部位以評估整根電纜的狀況。電氣試驗則是對電纜的全部進行測量，但在現(xiàn)場，電氣試驗需要沿著電纜整個長度有良好的接地端，從而限制了這類方法的使用，另外，電氣試驗對絕緣材料形態(tài)上老化的反應(yīng)是不敏感的。電氣試驗也有各種方法，如直流絕緣電阻測試法、交流電抗法、局部放電法、介質(zhì)損耗法等，由于電氣試驗是成熟的方法，不再列表敘述。
上述3 種監(jiān)測方法最好具備以下一些條件：結(jié)果可重復(fù)性、不對被測件造成損害、不妨礙被測件正常工作、不受環(huán)境條件的影響（環(huán)境變化時可做出相應(yīng)調(diào)整）、對老化是敏感的（特別對于初始階段）、對不同的材料及結(jié)構(gòu)有廣泛的適應(yīng)性、
測試設(shè)備應(yīng)是便攜式的、能對整根電纜進行評估、性價比要合理。
自從開始電纜的狀態(tài)監(jiān)測方法研究以來，各國對此進行了大量的研究，取得了很多成果，但每種方法均有其適用性和局限性，一些物理方法，雖然可以應(yīng)用于所有的材料，但研究結(jié)果顯示，某一個方法對某些材料效果好，對某些材料效果就差。各國對檢測方法進行了廣泛的研究，人們試圖能夠找到一種或幾種技術(shù)的組合能夠?qū)Ω鞣N材料構(gòu)成的電纜都能進行監(jiān)測，但實踐證明，這方面尚沒有獲得成功。
5 預(yù)測電纜剩余壽命
對人工老化或自然老化電纜的剩余壽命進行評估是電纜老化研究的一個組成部分，近年來，人們已經(jīng)研究出了許多方法，這些方法均需要獲得實驗數(shù)據(jù)，有的是通用的，有的則適合某種或某些材料，各種方法均有其限制條件，以下是幾種常用的方法。
5.1 線性模型方法
這種方法基于數(shù)據(jù)的線性擬合，不計協(xié)同效應(yīng)的影響，實際老化與演繹出來的老化結(jié)果會有差異，但由于其簡單化，仍然得到了應(yīng)用。對熱老化而言，以Arrhenius方法為例，使用對數(shù)時間對1/T 的坐標(biāo)圖形，可假定線性外推是有效的，即認(rèn)為該方法在整個溫度和時間范圍內(nèi)都是可行的。對輻照老化來說，在較低劑量率的情況下，使用時間對累計劑量的關(guān)系，通過建立預(yù)測曲線，使用線性外推的方法，能夠預(yù)測電纜的使用壽命。
但這種方法的缺點也很明顯，在加速熱老化過程中，由于不同活化能之間的相互影響，會使得Arrhenius 方法非線性化，大多數(shù)的試驗溫度在PE 一類的半晶體聚合物的融化溫度之外，使得試驗失去實際工作溫度的代表性。對加速輻照老化而言，由于在低劑量率和適中溫度的情況下，大多數(shù)聚合物的老化表現(xiàn)為沿壁厚方向的均勻氧化，如果加速試驗的劑量率過高，則會帶來非線性的結(jié)果。
5.2 冪定律外推法
該方法利用同一溫度下幾種劑量率確定終點判據(jù)值。依據(jù)以下的公式：
DED=KDn
其中，DED 是等效損傷劑量，D 是輻照率，K 為在劑量率為1Gy/hr 下，達到終點判據(jù)時的劑量，n 是與劑量率相關(guān)的系數(shù)，K 和n 是由試驗得到的材料常數(shù)。則等效損傷時間為：
TED=KDn-1
該種方法適用于所有的材料，對輻照率不敏感的材料，n 取0，對氧化非常敏感的材料，n 取0.3。
5.3 以時間為變量的疊加法
該方法將熱老化和輻照老化的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，產(chǎn)生一系列被乘的轉(zhuǎn)換系數(shù)，該轉(zhuǎn)換系數(shù)是溫度及輻照率的函數(shù)，可以用一個半經(jīng)驗公式得出轉(zhuǎn)換系數(shù)與老化條件之間的關(guān)系。這種方法考慮了輻照率以及輻照和受熱老化協(xié)同效應(yīng)的影響。該方法適用于不管是熱老化還是輻照老化都僅有一種占主導(dǎo)地位的老化機理的材料。
5.4 終點劑量疊加法
該方法通過疊加方法，產(chǎn)生一些最終點劑量的曲線，最終點劑量是對應(yīng)于不同溫度的劑量率的函數(shù)，被乘的轉(zhuǎn)換系數(shù)僅是溫度的函數(shù)，這樣可以和簡單的Arrhenius方程聯(lián)系起來了，該方法適用于不是僅有一種占主導(dǎo)地位的老化機理的材料，對有強烈的輻照率效應(yīng)的材料也特別有效。
6 結(jié)束語
我國在核電廠10 年定期評審中規(guī)定，要對核電廠設(shè)備的老化進行評價，這就需要進行核電廠安全重要部件之一的儀控電纜的老化管理工作。目前國際上相關(guān)機構(gòu)在該領(lǐng)域已進行了大量的工作，我國核電界應(yīng)消化吸收并積極跟蹤這方面的先進技術(shù)，爭取早日全面開展安全殼內(nèi)儀控電纜老化評估及壽命管理的工作，以保證核電廠安全可靠地運行。
