1E级K3类电缆的新一轮竞争

1E级K3类电缆的新一轮竞争60年热寿命评定试验（一）上海电缆研究所钟健一、前言我国已建成核电站的设计寿命均为40年或以下，如秦山核电站为30年、秦山核电二期为40年、秦山三期(重水堆)核电站为40年、大亚湾核电站为40年、岭澳核电站一期为40年、田湾核电站一期为40年。我国目前在建核电站的设计寿命为40年和60年，大致各占一般，见表1。拟建核电站，涉及的省份已经增加到15个。按这样发展速度，到2020年，我国核电运行和在建的总装机容量，有望达到10220万千瓦，即使保守的估计，也将达到7800万千瓦，这个数字将大幅超额完成规划确定的运行和在建共5800万千瓦的目标。目前拟建核电站，合计有102台，设计寿命基本上都为60年，也许会要求更长。表1中国建设中的核电站汇总序号地点和名称投资(亿)型式机组台数额定功率万千瓦年发电电量亿千瓦时设计寿命（年）国产化率%约开工日期1深圳岭澳核电站二期260CPR1000中国2100145406005/12/152大连红沿河核电站一期486CPR1000中国4100300406007/08/183福建宁德核电站一期490CPR1000中国4100300407508/02/184福建宁德核电站三山镇267.6M310法国2100140407508/11/215广东阳江核电站东平镇742CPR1000中国6100456408308/12/166浙江泰山核电站扩建海盐268.66CNP1000中国2110160608008/12/267中国实验快堆俄罗斯（快堆）12508/05/108浙江三门核电站250AP1000美国2125150607008/02/269广东台山核电站一期赤溪镇237EPR法国2175260605008/08/2610山东海阳核电站400AP1000美国21256009//03/0811山东威海荣城市石岛湾核电站30高温气冷中国2207009/09/-二、早期电缆热寿命评定试验经验传统的电缆热寿命评定试验，通常采用阿累尼乌斯计算公式外推，在本质上是一项经验计算工具，试验时有多个边界条件的影响，如时间限度、温度范围、寿命终止、试验技术和人为误差等。美国早有一种的观点：“在电缆设计寿命期间，电缆工作中所出现情况，在实验室内找不到完全等效施加物理条件的加速试验方法。所以只得应用阿累尼乌斯技术或其他实验室技术。加速热寿命试验只能提供材料的相对热寿命数据，进一步看，由丁基橡胶绝缘电缆推测的数据说明，采用阿累尼乌斯技术的加速寿命试验数据，外推法所导出的寿命时间，比实际寿命低。虽然这样的数据，作为认可的概念性原则是不充分的。然而似乎可以说明这样一点，即新型绝缘加速热寿命情况与已经充分确认具有优越的使用记录的绝缘对比，可以证明新型绝缘能够长期使用。”20世纪80年代初，受机械部工作指令：上海电缆厂、沈阳电缆厂和上海电缆研究所合作，按照美国EBASCO规范规定的试验方法，进行国产核电站用电缆的热寿命评定。由于当时没有足够的经验，只能照搬照办，当时试验的电缆，实际上相当于现在的K3类电缆。当时的试验对象为高压乙丙橡胶绝缘电缆和含卤阻燃乙丙橡胶绝缘电缆，试样分为二种：a)成品电缆绝缘导体抽去铜线的管状试样；b)绝缘料压制哑铃片试样。试验温度取三点，即121℃136℃150℃。为了探索老化程度的差异，设定了二种寿命终止点定义：a)取试样断裂伸长率绝对值下降到40%；b)取断裂伸长率的保留率下降到原始值的40%。遗憾的是热寿命试验评定结果与期望值相差甚远。这些试验数据及其计算结果汇总于表2～表5。表2高压EPR电线管状试样试验结果及其外推寿命试验温度℃断裂伸长率下降到40%断裂伸长率保留率下降到40%时间h外推寿命γ计算值时间h外推寿命γ计算值12128444.38年0.9915361.6年0.981361018864150356280表3高压EPR材料哑铃片试样试验结果及其外推寿命试验温度℃断裂伸长率下降到40%断裂伸长率保留率下降到40%时间h外推寿命γ计算值时间h外推寿命γ计算值12132406.1年0.9918842.4年0.99136930754150335270表4含卤阻燃EPR电线管状试样试验结果及其外推寿命试验温度℃断裂伸长率下降到40%断裂伸长率保留率下降到40%时间h外推寿命γ计算值时间h外推寿命γ计算值12127364.58年0.9917282.3年0.99136860648150314242表5含卤阻燃材料哑铃片试样试验结果及其外推寿命试验温度℃断裂伸长率下降到40%断裂伸长率保留率下降到40%时间h外推寿命γ计算值时间h外推寿命γ计算值12130007.8年0.9916322.6年0.99136835700150254204相对比较，在表2～表5可以看出几个现象：a)对于不同的寿命终止指标，可看出：断裂伸长率下降到40%的外推寿命，比断裂伸长率保留率下降到40%长2～3倍。b)无卤素的绝缘材料和含卤素的绝缘材料，二者外推寿命长相差不十分显著，这说明当时采用的卤素阻燃剂并不显著加速聚合物的老化。c)管状试样与片状试样相比，前者的外推寿命略低于后者，但并不具有可比规律性。上述的试验中，尚存在二个问题：1)当时试验用烘箱的换气量，不能有效控制；2)当时受试验条件的限制，未考虑增加175℃的试验方案。第一次热寿命评定试验结果与预期目标相差甚远，但电缆使用十多年后，情况仍属正常。三、20世纪90年代1E级K3类电缆的热寿命评定20世纪90年代，我国开始提速发展核电站，要求1E级K3类电缆国产化，有关设计院要求完全采用阿累尼乌斯技术原理评定寿命，各电缆厂提供试样，由上海电缆研究所检测中心进行1E级K3类电缆寿命评定试验，试验结论认为电缆90℃外推寿命，可认定在40年～60年之间，在个厂产品鉴定会上，评定结果得到相关核电设计院和核电站业主的确认，报告1E级K3类电缆国产化提供了有力的旁证。当时各电缆制造厂的产品鉴定会，时间非常仓促，所以设计了以下的试验方案：1.绝缘材料为交联聚烯烃绝缘，先挤成绝缘导体，导体直径为1.0mm，并进行充分交联；2.抽去绝缘导体的铜线，制成管状试样，管壁厚约1.0mm，管子直径约3.0mm；3.采用4点试验温度，即180℃、165℃、150℃、135℃；4.寿命终止点取断裂伸长率保留率到50%；5.空气老化箱的换气量符合用IEC标准规定；6.用4个温度点的试验结果，其外推寿命均略超过40年，详见表6。表6的试验结果也存在二个问题，a)所有试样180℃的寿命终止时间，均低于100h；b)所有试样135℃的寿命终止时间，均低于5000h。这二个因素，会影响阿累尼乌斯方程式的斜率和截距。前者由于试验温度接近塑料挤出温度，会使外推寿命趋向风险；后者会使外推寿命趋向偏低。考虑减少最高试验温度点的虚假影响，假设用3个温度点进行外推寿命，结果见表7，其外推寿命下降到20.4年，γ计算值为0.995。从表面上看，表7的外推寿命只有20.4年，但可以预见电缆实际使用寿命将超过40年。表6和表7数据函数方程式的图象形式见图1和图2。表6交联聚烯烃管状试样试验结果及其外推寿命(4温度点)试样编号试验温度外推寿命γ计算值180℃165℃150℃135℃1#终止时间h38200600230042.6年0.9922#终止时间h58280730320046.0年0.9933#终止时间h753801000400057.5年0.998表7交联聚烯烃管状试样试验结果及其外推寿命(3温度点)试样编号试验温度外推寿命γ计算值165℃150℃135℃1#终止时间h200600230020.4年0.995橡皮和塑料绝缘低压电缆，以前均以断裂伸长率保留率下降到50%定为寿命终止点，这样的指标对于不同批的试样是不公平合理的。譬如，一批试样的原始伸长率为220%；另一批试样的原始伸长率为110%，二者均以断裂伸长率保留率下降到50%定为寿命终止点，则前者为110%，后者为55%，这说明前者的富裕量还较大，后者基本上没有富于量。图1四点温度绘制的函数方程式图2三点温度绘制的函数方程式四、国内1E级K3类电缆的使用情况1.中国已建成核电站的堆型和技术来源、投资额、开工日期、并网日期、商营日期、综合国产化率和设计寿命，见表8。表8各核电站基本信息站名项目秦山核电站秦山核电站二期秦山核电站三期大亚湾核电站岭澳核电站一期田湾核电站一期堆型和技术来源压水堆CNP300压水堆CNP650重水堆CANDU6压水堆M310压水堆CPR1000压水堆AES-91综合国产率大于70%55%55%不到10%30%70%投资额￥12亿元1、2号￥148亿元＄28.80亿元＄40亿元＄40.25亿元＄32.04亿元开工日期1985年3月20日1号1996/6/22号1997/3/231998年6月8日1987年8月7日1997年5月15日1999年10月20日并网日期1991年12月15日-2002年11月19日--2007年5月14日商营日期1994年4月1日1号2002/4/152号2004/5/32003年7月24日1994年5月6日2003年1月8日2007年8月16日设计寿命30年40年40年40年40年40年已使用期限(约)16年5个月8年5个月7年10个月16年4个月7年8个月3年3个月注：CNP300和CNP650为国产，CANDU6为引进加拿大，M310为引进法国，AES-91为引进俄罗斯从表8统计，迄今为止，电缆使用期限最长约为16年5个月，最短约为3年3个月。大亚湾的电缆由英国和法国工厂生产，电站并网使用前，发现部分电缆护套开裂，由于大部分电缆已经敷设竣工，无法大量更换，经妥善处理后投入使用，大约经过16年运行，未发现异常情况。其他核电站1E级K3类电缆，均采用国产电缆，虽然使用时间不等，也未发现异常情况。国内曾经正常生产并供货1E级K3类电缆的电缆厂有：上海电缆厂、沈阳电缆厂、广东电缆厂、上上电缆公司、八一电缆公司(八益)、安琪儿电缆厂、常州201厂等，上述各厂有的现在不再生产，另外又新增了几家厂，名称不祥。可以肯定国产1E级K3类的质量是可信的。大亚湾核电站1E级K3类电缆的无卤低烟护套开裂，虽然是产品的严重缺陷，但不等于寿命终止，这种说法，当然不是为护套开裂做解脱的解释，至于为何部分电缆能够继续投入运行，是由于核电站管理和维护水平高，工作细致，这才有把握继续使用，平时经常对电缆进行预防性耐电压试验和绝缘电阻检测，确定电缆绝缘完好无损，才能保证电缆在较长时间内正常运行。IEEE383的安装寿命（installedlife）定义为：设备从安装到拆除，设备可以符合设计和系统要求的期限。验证寿命（qualifiedlife）的定义为：设计一套特殊工作条件方案，该方案的时域能证实设备符合要求性能。验证寿命也可翻译为资质寿命，不同方案验证寿命的条件和时间不一定相同，但是从逻辑上讲，验证寿命应当能证明符合安装寿命的期望值。验证寿命有一定的抽象含义，阿累尼乌斯公式是常用的手段。新材料寿命评定试验是一项研究工作，不是标准的考核指标。以上的种种事实和概念，可以联想到在寿命评定试验中，寿命终止点特征，成为影响试验结果的关键因素，今后的60年及以上热寿命评定试验方案，是否可以考虑，不采用断裂伸长率保留率作为寿命终止特征，采用另外更切合实际的寿命终止点特征，以取得更佳的效果。值得注意，1E级K3类电缆60年及以上热寿命评定事项，已经提上日程，目前正是研究试验方法的时机。据说当前某一电缆材料制造商，对1E级K3类电缆用绝缘材料已经完成了60年以上的寿命评定报告，这对电缆制造厂提供了有利条件。核电站业主也要求电缆供货商提交60年以上的电缆寿命评定报告，有的电缆厂已开始准备。如何考虑新的试验方案，希望简单和快捷，并能得到事半功倍的效果。