1、1E 級 K3 類電纜的新一輪競爭60 年熱壽命評定試驗（一）上海電纜研究所 鐘 健一、前言我國已建成核電站的設計壽命均為40 年或以下，如秦山核電站為30 年、秦山核電二期為40 年、秦山三期 (重水堆 )核電站為 40 年、大亞灣核電站為40 年、嶺澳核電站一期為40 年、田灣核電站一期為 40 年。我國目前在建核電站的設計壽命為40 年和 60 年，大致各占一般，見表1。擬建核電站，涉及的省份已經增加到15 個。按這樣發(fā)展速度，到2020 年，我國核電運行和在建的總裝機容量，有望達到 10220 萬千瓦，即使保守的估計，也將達到7800 萬千瓦，這個數(shù)字將大幅超額完成規(guī)劃確定的運行和在建

2、共5800 萬千瓦的目標。目前擬建核電站，合計有102 臺，設計壽命基本上都為60 年，也許會要求更長。表 1中國建設中的核電站匯總序號投資機組額定年發(fā)電電設計國產化開工地點和名稱(億)型式臺數(shù)功率量億千瓦壽命率 %約日期萬千瓦時（年）1深圳嶺澳核電站二期260CPR1000中國 2100145406005/12/152大連紅沿河核電站一期486CPR1000中國 4100300406007/08/183福建寧德核電站一期490CPR1000中國 4100300407508/02/184福建寧德核電站三山鎮(zhèn)267.6M310 法國2100140407508/11/215廣東陽江核電站東平鎮(zhèn)74

3、2CPR1000中國 6100456408308/12/166浙江泰山核電站擴建海268.66CNP1000中國 2110160608008/12/26鹽7中國實驗快堆俄羅斯（快堆） 12508/05/108浙江三門核電站250AP1000 美國2125150607008/02/269廣東臺山核電站一期赤237EPR 法國2175260605008/08/26溪鎮(zhèn)10山東海陽核電站400AP1000 美國21256009/03/0811山東威海榮城市石島灣30高溫氣冷中國2207009/09/-核電站二、早期電纜熱壽命評定試驗經驗傳統(tǒng)的電纜熱壽命評定試驗，通常采用阿累尼烏斯計算公式外推，在本質

4、上是一項經驗計算工具，試驗時有多個邊界條件的影響，如時間限度、溫度范圍、壽命終止、試驗技術和人為誤差等。美國早有一種的觀點：“在電纜設計壽命期間，電纜工作中所出現(xiàn)情況，在實驗室內找不到完全等效施加物理條件的加速試驗方法。所以只得應用阿累尼烏斯技術或其他實驗室技術。加速熱壽命試驗1 / 6只能提供材料的相對熱壽命數(shù)據，進一步看，由丁基橡膠絕緣電纜推測的數(shù)據說明，采用阿累尼烏斯技術的加速壽命試驗數(shù)據，外推法所導出的壽命時間，比實際壽命低。雖然這樣的數(shù)據，作為認可的概念性原則是不充分的。然而似乎可以說明這樣一點，即新型絕緣加速熱壽命情況與已經充分確認具有優(yōu)越的使用記錄的絕緣對比，可以證明新型絕緣能夠

5、長期使用?！?0 世紀 80 年代初，受機械部工作指令：上海電纜廠、沈陽電纜廠和上海電纜研究所合作，按照美國 EBASCO 規(guī)范規(guī)定的試驗方法，進行國產核電站用電纜的熱壽命評定。由于當時沒有足夠的經驗，只能照搬照辦，當時試驗的電纜，實際上相當于現(xiàn)在的K3 類電纜。當時的試驗對象為高壓乙丙橡膠絕緣電纜和含鹵阻燃乙丙橡膠絕緣電纜，試樣分為二種：a) 成品電纜絕緣導體抽去銅線的管狀試樣；b) 絕緣料壓制啞鈴片試樣。試驗溫度取三點，即121 136 150 。為了探索老化程度的差異，設定了二種壽命終止點定義：a) 取試樣斷裂伸長率絕對值下降到40% ；b) 取斷裂伸長率的保留率下降到原始值的40 %。

6、遺憾的是熱壽命試驗評定結果與期望值相差甚遠。這些試驗數(shù)據及其計算結果匯總于表2表 5。表 2高壓 EPR 電線管狀試樣試驗結果及其外推壽命試驗溫度斷裂伸長率下降到40%斷裂伸長率保留率下降到40%時間 h外推壽命計算值時間 h外推壽命計算值1212844153613610184.38 年0.998641.6 年0.98150356280表 3高壓 EPR 材料啞鈴片試樣試驗結果及其外推壽命試驗溫度斷裂伸長率下降到 40%斷裂伸長率保留率下降到40%時間 h外推壽命計算值時間 h外推壽命計算值121324018841369306.1 年0.997542.4 年0.99150335270表 4含鹵

7、阻燃 EPR 電線管狀試樣試驗結果及其外推壽命試驗溫度斷裂伸長率下降到 40%斷裂伸長率保留率下降到40%時間 h外推壽命計算值時間 h外推壽命計算值121273617281368604.58 年0.996482.3 年0.99150314242表 5含鹵阻燃材料啞鈴片試樣試驗結果及其外推壽命2 / 6試驗溫度斷裂伸長率下降到 40%斷裂伸長率保留率下降到40%時間 h外推壽命計算值時間 h外推壽命計算值121300016321368357.8 年0.997002.6 年0.99150254204相對比較，在表2表 5 可以看出幾個現(xiàn)象：a) 對于不同的壽命終止指標， 可看出：斷裂伸長率下降到

8、 40% 的外推壽命， 比斷裂伸長率保留率下降到 40 % 長 23 倍。b) 無鹵素的絕緣材料和含鹵素的絕緣材料，二者外推壽命長相差不十分顯著，這說明當時采用的鹵素阻燃劑并不顯著加速聚合物的老化。c) 管狀試樣與片狀試樣相比，前者的外推壽命略低于后者，但并不具有可比規(guī)律性。上述的試驗中，尚存在二個問題： 1) 當時試驗用烘箱的換氣量，不能有效控制； 2) 當時受試驗條件的限制，未考慮增加175 的試驗方案。第一次熱壽命評定試驗結果與預期目標相差甚遠，但電纜使用十多年后，情況仍屬正常。三、 20 世紀 90 年代 1E 級 K3 類電纜的熱壽命評定20 世紀 90 年代，我國開始提速發(fā)展核電站

9、，要求1E 級 K3 類電纜國產化，有關設計院要求完全采用阿累尼烏斯技術原理評定壽命，各電纜廠提供試樣，由上海電纜研究所檢測中心進行1E 級 K3類電纜壽命評定試驗，試驗結論認為電纜90 外推壽命，可認定在40 年 60 年之間，在個廠產品鑒定會上，評定結果得到相關核電設計院和核電站業(yè)主的確認，報告1E 級 K3 類電纜國產化提供了有力的旁證。當時各電纜制造廠的產品鑒定會，時間非常倉促，所以設計了以下的試驗方案：1. 絕緣材料為交聯(lián)聚烯烴絕緣，先擠成絕緣導體，導體直徑為1.0 mm ，并進行充分交聯(lián)；2. 抽去絕緣導體的銅線，制成管狀試樣，管壁厚約1.0 mm ，管子直徑約3.0 mm ；3.

10、 采用 4 點試驗溫度，即 180 、 165、 150 、 135 ；4. 壽命終止點取斷裂伸長率保留率到 50 % ；5. 空氣老化箱的換氣量符合用 IEC 標準規(guī)定；6. 用 4 個溫度點的試驗結果，其外推壽命均略超過40 年，詳見表 6。表 6 的試驗結果也存在二個問題， a) 所有試樣 180 的壽命終止時間，均低于 100 h ；b) 所有試樣 135的壽命終止時間，均低于 5000 h 。這二個因素，會影響阿累尼烏斯方程式的斜率和截距。前者由于試驗溫度接近塑料擠出溫度，會使外推壽命趨向風險；后者會使外推壽命趨向偏低?？紤]減少最高試驗溫度點的虛假影響，假設用 3 個溫度點進行外推壽

11、命， 結果見表 7，其外推壽命下降到20.4年，計算值為 0.995 。從表面上看，表7 的外推壽命只有20.4 年，但可以預見電纜實際使用壽命將超過 40 年。表 6 和表 7 數(shù)據函數(shù)方程式的圖象形式見圖1 和圖 2。表 6交聯(lián)聚烯烴管狀試樣試驗結果及其外推壽命(4 溫度點 )試驗溫度試樣編號外推壽命計算值180 165 150 135 1# 終止時間h38200600230042.6 年0.9922# 終止時間h58280730320046.0 年0.9933 / 63# 終止時間 h753801000400057.5 年0.998表 7交聯(lián)聚烯烴管狀試樣試驗結果及其外推壽命(3 溫度點

12、 )試驗溫度試樣編號外推壽命計算值165 150 135 1# 終止時間 h200600230020.4 年0.995橡皮和塑料絕緣低壓電纜，以前均以斷裂伸長率保留率下降到50 % 定為壽命終止點，這樣的指標對于不同批的試樣是不公平合理的。譬如，一批試樣的原始伸長率為 220 % ；另一批試樣的原始伸長率為 110 % ，二者均以斷裂伸長率保留率下降到 50 % 定為壽命終止點，則前者為 110 % ，后者為 55 % ，這說明前者的富裕量還較大，后者基本上沒有富于量。圖 1四點溫度繪制的函數(shù)方程式圖 2三點溫度繪制的函數(shù)方程式四、國內 1E 級 K3 類電纜的使用情況1. 中國已建成核電站的

13、堆型和技術來源、投資額、開工日期、并網日期、商營日期、綜合國產化率和設計壽命，見表 8。表 8 各核電站基本信息站名秦山核電站二 秦山核電站三大亞灣核電嶺澳核電站一 田灣核電站一秦山核電站項目期期站期期堆型和技術來壓水堆 CNP壓水堆 CNP重水堆壓水堆 M310壓水堆壓水堆源300650CANDU 6CPR1000AES-91綜合國產率大于 70 %55%55 %不到 10 %30 %70 %￥12 億元1、2 號￥ 14828.80億元 40 億元40.25億元 32.04投資額億元億元4 / 61985 年 3 月1 號 1996/6/21998 年 6 月 8 1987 年 8 月 7

14、 1997年 5 月1999 年 10 月開工日期20日2 號 1997/3/23日日15 日20 日并網日期1991 年 12 月-2002 年 11 月-2007 年 5月15日19 日14 日1994 年 4 月1 號 2002/4/152003 年 7 月1994 年 5 月 6 2003年 1 月 8 2007 年 8月商營日期1 日2 號 2004/5/324 日日日16 日設計壽命30年40 年40 年40 年40 年40 年已使用期限(約)16年 5 個月8 年 5 個月7 年 10 個月16 年 4 個月 7 年 8 個月3 年 3 個月注：CNP 300 和 CNP 650

15、 為國產， CANDU 6 為引進加拿大，M310 為引進法國， AES-91 為引進俄羅斯從表 8 統(tǒng)計，迄今為止，電纜使用期限最長約為16 年 5 個月，最短約為 3 年 3 個月。大亞灣的電纜由英國和法國工廠生產，電站并網使用前， 發(fā)現(xiàn)部分電纜護套開裂，由于大部分電纜已經敷設竣工，無法大量更換，經妥善處理后投入使用，大約經過16 年運行，未發(fā)現(xiàn)異常情況。其他核電站1E 級K3 類電纜，均采用國產電纜，雖然使用時間不等，也未發(fā)現(xiàn)異常情況。國內曾經正常生產并供貨1E 級 K3 類電纜的電纜廠有：上海電纜廠、沈陽電纜廠、廣東電纜廠、上上電纜公司、八一電纜公司(八益 )、安琪兒電纜廠、常州201

16、 廠等，上述各廠有的現(xiàn)在不再生產，另外又新增了幾家廠，名稱不祥。可以肯定國產1E 級 K3 類的質量是可信的。大亞灣核電站 1E 級 K3 類電纜的無鹵低煙護套開裂，雖然是產品的嚴重缺陷，但不等于壽命終止，這種說法，當然不是為護套開裂做解脫的解釋，至于為何部分電纜能夠繼續(xù)投入運行，是由于核電站管理和維護水平高，工作細致，這才有把握繼續(xù)使用，平時經常對電纜進行預防性耐電壓試驗和絕緣電阻檢測，確定電纜絕緣完好無損，才能保證電纜在較長時間內正常運行。IEEE 383 的安裝壽命（ installed life ）定義為：設備從安裝到拆除，設備可以符合設計和系統(tǒng)要求的期限。驗證壽命（ qualified life ）的定義為：設計一套特殊工作條件方案，該方案的時域能證實設備符合要求性能。驗證壽命也可翻譯為資質壽命，不同方案驗證壽命的條件和時間不一定相同，但是從邏輯上講，驗證壽命應當能證明符合安裝壽命的期望值。驗證壽命有一定的抽象含義，阿累尼烏斯公式是常用的手段。新材料壽命評定試驗是一項研究工作，不是標準的考核指標。5 / 6以上的種種事實和概念，可以聯(lián)想到在壽命評定試驗中，壽命終止點特征，成為影響試驗結果的關鍵因素，今后的 60 年及以