核電廠電氣設(shè)備熱老化試驗方法探析
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摘要：核安全級電氣設(shè)備執(zhí)行安全功能的能力可能受到環(huán)境條件和運行條件隨時間變化的影響，因此核安全級電氣設(shè)備的鑒定技術(shù)是保障核電廠經(jīng)濟(jì)運行和延長現(xiàn)有核電廠運行壽命的必要手段，核安全級電氣設(shè)備的加速熱老化試驗作為鑒定試驗的一個過程至關(guān)重要，本文主要介紹了目前常用的加速熱老化試驗方法，包括直接選取活化能獲得的熱壽命評定、基于熱壽命曲線的熱壽命評定等，并對其差異及主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析，為核安全級電氣設(shè)備熱老化鑒定的方法選擇提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：核電廠；核安全級；熱老化；活化能
設(shè)備的設(shè)計壽命是指設(shè)備在一組規(guī)定的在役條件下，可以預(yù)計的性能滿足要求的時間［1］。設(shè)備鑒定是指通過一系列方法，如試驗、分析或運行經(jīng)驗等手段獲得數(shù)據(jù)，證明在特定的環(huán)境條件和運行條件下，該設(shè)備能正常運行，且各項參數(shù)在裕度范圍內(nèi)［2］。安全級設(shè)備執(zhí)行安全功能的能力可能受到環(huán)境條件和運行條件隨時間變化的影響，我們應(yīng)從設(shè)備的設(shè)計、功能、材料和環(huán)境條件等方面進(jìn)行審查，以確定顯著的老化機(jī)理。顯著老化機(jī)理是指在正常和異常的運行環(huán)境下，使設(shè)備在安裝壽期內(nèi)性能劣化趨勢明顯的老化機(jī)理。了解構(gòu)成安全級電氣設(shè)備的具體材料在其受到環(huán)境和運行應(yīng)力影響下的反應(yīng)，是判斷設(shè)備對老化機(jī)理的敏感性和由此產(chǎn)生的老化效應(yīng)的一種方法。這些機(jī)理可以適用于電子元件以及電氣設(shè)備。EJ/T1197-2007《核電廠安全技術(shù)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定試驗方法與環(huán)境條件》中規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定程序是通過執(zhí)行一個每種類型設(shè)備所特有的專項質(zhì)量鑒定大綱來實施的。質(zhì)量大綱通常包括以下一系列試驗：基準(zhǔn)試驗、極限運行條件下的試驗、評價設(shè)備性能隨時間變化的試驗、事故和事故后環(huán)境條件的試驗。其中評價設(shè)備性能隨時間變化的試驗包括以下試驗：高溫、低溫、交變濕熱、長期運行、熱老化、輻照、振動老化等［1］。這些試驗是為了檢驗設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度、評價其耐久性。由于非金屬元器件會隨著溫度和時間的變化出現(xiàn)劣化，加速熱老化試驗主要用于電氣設(shè)備部件中的非金屬元器件的熱壽命評估。因此核級電氣設(shè)備的加速熱老化試驗是鑒定試驗至關(guān)重要的一個過程，本文主要介紹了目前幾種常用試驗方法，并對其差異及主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析。
1加速熱老化原理介紹
阿倫尼烏斯公式是化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗公式，材料的熱氧化分解過程可以用阿侖尼烏斯公式進(jìn)行表述［3］。k（T）=Aexp（-Ead/RT）（1）式中：k（T）——反應(yīng)速率常數(shù)；Ead——活化能，單位為J/mol；T——溫度，單位為K；R——氣體常數(shù)，單位為J/（mol·K）。阿倫紐斯模型是目前最為成熟和廣泛使用的熱老化模型，其主要假設(shè)是，在一定溫度作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)與材料性能的劣化程度之間存在著一定的關(guān)系，反應(yīng)速率取決于運行溫度以及材料的活化能參數(shù)。在一定的溫度范圍內(nèi)，可通過提高溫度，縮短作用時間的方法來等效地獲得材料的劣化程度。
2核級電氣設(shè)備加速熱老化評定方法
2.1直接選取活化能獲得的熱壽命評定
該方法是基于阿倫尼烏斯定律，通過對有機(jī)材料施加熱應(yīng)力，進(jìn)行人工加速老化。此方法在確定產(chǎn)品活化能的前提下，通過使用條件確定加速老化條件，可用以確定設(shè)備的鑒定壽命。在使用此方法時，材料活化能數(shù)據(jù)是確定加速熱老化量的關(guān)鍵，應(yīng)注意材料活化能的選擇應(yīng)有代表性。當(dāng)設(shè)備由多種有機(jī)材料構(gòu)成時，應(yīng)在由各種材料活化能計算得出的加速老化時間中選擇最為保守的數(shù)值。此方法對于不同的產(chǎn)品，也有不同的活化能取值方法。加速因子t1/t2應(yīng)按公式（2）計算。t1/t2=exp［φ（1/T1-1/T2）/λ］（2）式中：t1——合格壽期的時間，單位為h；t2——加速老化的時間，單位為h；T1——正常使用環(huán)境溫度的數(shù)值，單位為K；T2——加速老化溫度的數(shù)值，單位為K；φ——材料的活化能，單位為eV；λ——0.00008617eVK·-1。此方法主要用于元器件產(chǎn)品，此類產(chǎn)品的有機(jī)絕緣材料的組成相對簡單，熱老化壽命時間相對較短，一般為20年及以下。常見絕緣材料的活化能見表1。選擇加速試驗條件時也應(yīng)注意試驗時間不應(yīng)過短或者溫度不應(yīng)過高，試驗時間過短，激發(fā)不了材料的老化效應(yīng)；試驗溫度過高，超過了絕緣材料的分解溫度，老化機(jī)理將被改變。實踐經(jīng)驗表明，加速因子t1/t2應(yīng)小于250；加速老化時間不應(yīng)低于1000h。在活化能未知時，可選擇不大于0.8eV的數(shù)值［4］。表2分別計算了運行溫度40℃，熱老化溫度85℃下等效6年、8年和10年的老化壽命。
2.2基于熱壽命曲線的熱壽命評定
電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等產(chǎn)品由多種絕緣材料組成，由于需要評定的熱壽命時間較長，一般為40年或者60年，如果直接選取0.8eV，熱老化時間將達(dá)到上萬個小時。因此需要選取一個合適的活化能是確定此類產(chǎn)品熱壽命最關(guān)鍵的一步。這里以電機(jī)為例進(jìn)行試驗過程的說明。電機(jī)的失效時間和熱力學(xué)溫度符合阿倫尼烏斯方程。lgτ=A+B/T（3）式中：τ——熱壽命時間，h；A——常數(shù)；B——與活化能有關(guān)的常數(shù)；T——溫度，K。下面介紹2種熱老化活化能的確定方法。2.2.1多溫度點熱老化法。電機(jī)的老化試驗一般用絕緣系統(tǒng)來進(jìn)行，需要選取其有代表性的材料組成絕緣系統(tǒng)，包括電磁線、浸漬漆、柔軟復(fù)合材料、絕緣套管、引拔槽楔、綁扎帶、引接線等，不僅要考慮單一絕緣材料的耐溫等級，還要考慮上述產(chǎn)品的相容性，是最復(fù)雜的絕緣系統(tǒng)［5］。我們可依據(jù)GB/T17948/IEC60034-18-1系列標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行熱壽命評定。一般選取三到四個溫度點進(jìn)行老化，兩個溫度點之間的間隔一般不小于10K，不大于20K。熱老化試驗用模型線圈為樣品，散繞繞組模型一般每個溫度至少選取10個樣品（GB/T17948.1-2000版要求至少選取10個樣品，2018版要求至少選取5個樣品，由于散繞繞組模型在制樣過程中受外界人為因素的影響較大，建議選取10個樣品），成型繞組模型一般每個溫度點至少選取5個樣品。5個樣品是滿足統(tǒng)計置信度的最小推薦數(shù)量。按照以下程序進(jìn)行試驗。（1）質(zhì)量保證試驗外觀檢查及耐壓試驗。外觀檢查主要檢查模型線圈表面是否平整，漆膜是否有破壞，端部是否有變形等現(xiàn)象，以防止該缺陷影響產(chǎn)品的性能。耐壓試驗：模型線圈應(yīng)經(jīng)受持續(xù)的耐電壓試驗，試驗應(yīng)全部通過。一般散繞繞組按如表3選擇，持續(xù)時間為10min。成型繞組選擇2UN進(jìn)行試驗，持續(xù)時間1min。（2）初始診斷試驗進(jìn)行診斷分周期的全部試驗，包括振動試驗、潮濕試驗、耐壓試驗，按順序進(jìn)行。以上試驗全部合格以后，試樣投入到熱老化試驗循環(huán)中。（3）熱老化分周期選擇的最低老化溫度應(yīng)至少得到5000h的平均壽命，最高溫度應(yīng)至少得到100h的平均壽命。通常按照28~35d或者更長的暴露周期選定最低老化溫度。此外，至少應(yīng)選擇兩個較高的老化溫度點，溫差間隔為20K或者更大。當(dāng)用多于四個老化溫度點進(jìn)行試驗時，可采用少于20K的溫差間隔。最高溫度應(yīng)產(chǎn)生至少100h的平均壽命。為使因外推引起的誤差為最小，最低試驗溫度應(yīng)不高于外推求得溫度的25K。（4）診斷分周期每個試樣按振動試驗、潮濕試驗、耐壓試驗順序進(jìn)行診斷試驗。振動試驗在振動臺上進(jìn)行，參數(shù)見表4。潮濕試驗：應(yīng)產(chǎn)生可見凝露，暴露時間為48h，試品的溫度控制在15~35℃范圍內(nèi)［6，7］。對于完全封閉的絕緣結(jié)構(gòu)，可能另外需要進(jìn)行浸水試驗。耐壓試驗：在潮濕試驗完成且試品溫度接近室溫后進(jìn)行，試樣應(yīng)保持潮濕。試驗電壓的選擇同質(zhì)量保證試驗。試樣任一形式連續(xù)兩個周期擊穿即記錄為失效。對熱老化試驗結(jié)果進(jìn)行阿侖尼烏斯坐標(biāo)（壽命的對數(shù)—絕對溫度的倒數(shù)）的線性回歸分析，得到絕緣系統(tǒng)的熱壽命方程。以上試驗方法至少需要10個月的時間（通常需要12個月甚至更長的時間）才能完成全部。2.2.2單溫度點熱老化試驗（熱重分析法）。如絕緣材料或絕緣系統(tǒng)的主要成分為浸漬漆和漆布，可依據(jù)JB/T1544-2015標(biāo)準(zhǔn)，通過Tg快速確定其活化能，并通過單溫度點（為了節(jié)省時間，一般選取高溫點）來驗證活化能。試驗時間約3~4個月。用單溫度點法確定活化能，需將整個絕緣系統(tǒng)中的全部組分材料磨成粉末，混合均勻后，取8~20mg，進(jìn)行熱失重試驗，得到熱失重曲線，取失重5%~50%（間隔5%）所對應(yīng)的10個溫度值，按下列經(jīng)驗公式（4）計算該材料的活化能Ep。EP=E0+RC0∑n=110tnæèçöø÷ΔWWan12（4）式中：E0——常數(shù)，單位為J/mol；R——氣體常數(shù)，8.314J/（K·mol）；C0——系數(shù)；tn——對應(yīng)于每個W/Wa的溫度值的數(shù)值，單位為℃；ΔW/Wa——失重百分?jǐn)?shù)；ΔW——試樣在tn下的失重量的數(shù)值，單位為mg；Wa——試樣總是重量的數(shù)值，單位為mg；E0，RC0按試驗條件取值，依據(jù)JB/T1544。
3方法對比分析
方法1：直接選取活化能獲得的熱壽命評定，需要根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)進(jìn)行特征活化能的選取，或者選擇標(biāo)準(zhǔn)EJ/T1197-2007推薦保守值。由于并不是所有材料均有已知活化能，大部分鑒定均需選擇標(biāo)準(zhǔn)推薦保守值，因此對于產(chǎn)品的鑒定可能存在裕度過高的可能，或者可能產(chǎn)品活化能低于保守值，一定程度上存在鑒定不可靠的風(fēng)險，因此目前該方法僅廣泛應(yīng)用于元器件的熱壽命鑒定。方法2：基于熱壽命曲線的熱壽命評定——多點法。該方法是國際通用的試驗方法，需先對產(chǎn)品模型進(jìn)行加速熱壽命試驗，確認(rèn)熱壽命方程，根據(jù)熱壽命方程再對成品進(jìn)行熱老化鑒定試驗，本方法的熱壽命方程根據(jù)實際試驗結(jié)果獲得，可靠度較高，但整體鑒定時間較長，樣品需求量較大。目前主要應(yīng)用于活化能較高但不確定的產(chǎn)品，例如核電電機(jī)的鑒定等。基于熱壽命曲線的熱壽命評定——單點法。該方法是參考我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用熱重分析的方法快速得到活化能結(jié)果，結(jié)合單點熱老化試驗結(jié)果確認(rèn)熱壽命方程，根據(jù)熱壽命方程再對成品進(jìn)行熱老化鑒定試驗。該方法的整體鑒定時間較短，但是該試驗方法還未得到國際上的廣泛認(rèn)可，只能作為參考使用。
4結(jié)論
目前核電電氣產(chǎn)品中的非金屬零部件的活化能數(shù)據(jù)庫較少，大部分需要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦保守值或長期試驗的方法獲得，后續(xù)根據(jù)運行經(jīng)驗和長期試驗結(jié)果，可匯總完善實際活化能數(shù)據(jù)庫，一方面可以降低產(chǎn)品設(shè)計裕度，另一方面可以縮短鑒定時間和費用。
作者:徐學(xué)敏 單位:上海電器設(shè)備檢測所有限公司