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(中广核研究院有限公司,广东 深圳 518214)

设备鉴定是确保核安全相关设备在其寿命周期执行其安全功能的保证。设备鉴定的主要方法包括试验法、分析法以及混合法。通过模拟设备实际工作环境测试设备在工作环境条件下的工作性能的试验法，是最直接也是可靠的设备鉴定方法。但是，试验法鉴定通常需要较高的试验费用和较长的试验时间。目前全球在运核电机组越来越多，在运核电设备使用经验也越来越多，基于现有样机鉴定试验数据的分析法鉴定得到越来越多的应用。分析法可以通过现有样机鉴定试验数据和新机组设备鉴定要求的对比分析，确定现有样机鉴定试验是否能满足新机组的设备鉴定要求。采用分析法鉴定不仅可以减少设备鉴定的时间，也可以减少设备鉴定的费用。

热力环境条件(包括事故及事故后)是根据机组设计计算得到的，不同机组热力环境条件存在差异。在采用分析法进行设备鉴定时，需要考虑现有样机鉴定试验用热力环境条件能否包络新机组设备鉴定要求的热力环境条件。

1 鉴定因素

温度对设备性能的改变方式有瞬态和稳态两种方式，无论是瞬态效应还是稳态效应，都有可能引发设备性能的改变和损坏[1]。

温度对设备性能影响的瞬态效应主要体现在温度变化导致设备不同材料的非同步膨胀产生的应力导致设备材料裂纹和失效。在设备鉴定过程中，温度的瞬态影响效应可以通过模拟设备在热力环境条件的升降温过程中的功能性来进行验证。

温度对设备性能影响的稳态效应是通过渐进的理化过程而间接改变的过程，即热老化。另外，当环境温度显著大于设备正常设计温度时，对于设备上的有机材料，高温将导致有机材料分子的动能增加，从而加快材料的交联和断链反应而改变材料的化学结构，从而改变设备宏观上的理化、机械及电气特性。因此，在设备鉴定过程中，为了验证温度对设备性能影响的稳态效应，不仅需要考虑热力环境条件的持续时间，同时还需要考虑热力环境条件中的最高温度及高温持续时间。

因此，在采用分析法进行热力环境条件的鉴定时需要考虑的鉴定因素包括：

1)最大温度变化速率因素：现有样机鉴定试验用热力环境条件升降温过程中的最大温度变化速率，能否包络新机组设备鉴定要求的热力环境条件升降温过程中的最大温度变化速率；

2)最高温度因素：现有样机鉴定试验用热力环境条件中的最高温度及高温持续时间，能否包络新机组设备鉴定要求的热力环境条件中的最高温度及高温持续时间；

3)热老化效应因素：现有样机鉴定试验用热力环境条件的热老化效应，能否包络新机组设备鉴定要求的热力环境条件的热老化效应。

2 鉴定流程

根据热力环境条件分析法鉴定需考虑的三个鉴定因素，热力环境条件分析法鉴定可采用的鉴定流程如图1所示。

图1 热力环境条件分析法鉴定流程Fig.1 Process of analysis-qualification for thermodynamic conditions

(1)最高温度因素包络性分析

在热力环境条件分析法鉴定过程中，最高温度因素包络性判断是最直观的，可直接通过比较现有样机鉴定试验用热力环境条件曲线和新机组设备鉴定要求的热力环境条件曲线中的最高温度及高温持续时间来判断。当现有样机鉴定试验用热力环境条件中的最高温度及高温持续时间均大于等于新机组设备鉴定要求的热力环境条件中的最高温度及高温持续时间时，则认为最高因素能包络。当最高温度因素不能被包络时，需要补充证明材料或试验证明现有样机能在新机组设备鉴定要求的热力环境条件中的最高温度及高温持续时间下仍能正常工作。

(2)最大温度变化速率因素包络性分析

最大温度变化速率因素的包络性，是通过比较现有样机鉴定试验用热力环境条件升降温过程中的最大温度变化速率和新机组设备鉴定要求的热力环境条件升降温过程中的最大温度变化速率的大小来判断，当前者大于等于后者则认为可包络。当最大温度变化速率因素不能被包络时，需要补充证明材料或试验证明现有样机能在新机组设备鉴定要求的热力环境条件升降温过程中的最大温度变化速率下仍能正常工作。热力环境条件中的最大温度速率可根据热力环境条件曲线和数值计算得到。

(3)热老化效应因素包络性分析

根据热老化效应与热力环境条件温度和持续时间的正相关性，在进行热力环境条件分析法鉴定热老化效应因素包络性判断过程中，现有样机鉴定试验用热力环境条件曲线和新机组设备鉴定要求的热力环境条件曲线的相对关系可以分为如图2～图4所示的三种形式。

图2 样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线1Fig.2 Sample qualification test line and required qualification test line 1

对于图2所示形式，由图可直接看出样机鉴定试验曲线的温度大于等于机组鉴定要求曲线对应的温度，且样机鉴定试验曲线持续时间大于机组鉴定要求曲线持续时间。根据热老化效应与热力环境条件温度和持续时间的正相关性，对于图2所示形式，可以直观判断现有样机鉴定试验用热力环境条件曲线的热老化效应能包络新机组设备鉴定要求热力环境条件曲线的热老化效应。

图3所示形式与图2所示形式刚好相反，样机鉴定试验曲线的温度小于等于机组鉴定要求曲线对应的温度，且样机鉴定试验曲线持续时间小于等于机组鉴定要求曲线持续时间。因此，对于图3所示形式，也可以直接判断出现有样机现有鉴定试验用热力环境条件曲线的热老化效应不能包络新机组设备鉴定要求热力环境条件曲线的热老化效应。为使鉴定通过则需对样机补充证明材料或试验进行说明。

图3 样机鉴定试验曲线和机组鉴定要求曲线2Fig.3 Sample qualification test line and required qualification test line 2

对于图4所示形式，样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线3的热老化效应无法根据热老化效应与热力环境条件温度和持续时间的正相关性进行直观判断。对于这种形式，热老化效应包络性可以通过比较样机鉴定试验曲线和机组鉴定要求曲线在某一参考温度下的等效热老化时长的大小来判断，当前者大于等于后者则认为可包络。因此，为了进行图4所示形式样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线的热老化效应包络性判断，首先需要计算出样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线在参考温度下的等效热老化时长。

图4 样机鉴定试验曲线和机组鉴定要求曲线3Fig.4 Sample qualification test line and required qualification test line 3

3 热老化效应计算

3.1 计算方法

在进行加速热老化试验时，通常根据式(1)所示的Arrhenius公式计算加速热老化时间[2-3]：

t1/t2=exp[(E/KB)(1/T1-1/T2)]

(1)

式中：T1——设备的正常工作温度(K)；

T2——加速热老化试验温度(K)；

t1——设备的设计寿命(h)；

t2——加速热老化实验的时间(h)；

KB——波尔兹曼常数(8.617×10-5eV/K);

E——材料的活化能。

Arrhenius公式的本质是不同温度下等效热老化时长的对应关系。因此，对于图4所示形式的样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线热老化效应包络性判断时，可以通过Arrhenius公式计算两条曲线在参考温度下的等效热老化时长，从而进行判断。

如图2至图4所示，样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线通常为一个变温的过程，因此在计算样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线在参考温度下的等效热老化时长时，需要将式(1)变形为式(2)所示微分形式。通过积分概念的思想，利用计算机编程来计算热力曲线的等效老化效应。

Δt1=Δt2exp[(E/KB)(1/T1-1/T2)]

(2)

式中：T1——等效热老化参考温度(K)；

T2——加速热老化试验温度(K)；

Δt1——T1下的等效热老化时长(h)；

Δt2——加速热老化实验的时间(h)；

KB——波尔兹曼常数(8.617×10-5eV/K);

E——材料的活化能。

根据式(2)可知，当选定一个等效热老化参考温度T1后，参考温度下的等效热老化的计算结果与微分步长Δt2和活化能E的取值相关。因此，有必要分析微分步长Δt2和活化能E的取值对样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线的热老化效应包络性判断的影响。

3.2 计算分析

3.2.1 Δt2取值分析

当活化能E取0.8 eV，参考温度T1取90 ℃时，图4所示的样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线在参考温度下的等效热老化时长随Δt2取值的变化关系如图5、图6所示。

图5 等效热老化时长随Δt2变化关系Fig.5 Change of equivalent thermal aging time along with

图6 等效热老化时长相对偏差Fig.6 Relative deviation of equivalent thermal aging time

根据图5所示结果可知，Δt2取不同值时，参考温度下等效热老化时长的计算结果基本不变。Δt2的取值的不同不会改变于样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线在参考温度下的等效热老化时长的相对大小关系，即不影响样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线的热老化效应的包络性判断。

根据图6所示的结果知，当Δt2取1×10-3h到1×10-6h计算得到的参考温度下的等效热老化时长与Δt2取1×10-6h时计算得到的等效热老化时长的相对误差都在10-4以下。考虑计算机程序计算效率，在实际计算过程中Δt2取1×10-4h即可满足计算要求。

3.2.2E取值分析

根据美国电力研究院的研究结果，绝大多数材料用于热老化评价的活化能取值可在0.6～0.8 eV范围内[4-5]。当Δt2取值为1×10-4h，参考温度T1取90 ℃时，E在0.6～0.8 eV范围内取不同值时，图4所示的样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线在参考温度下的等效热老化时长随E的变化关系如图7所示。

图7 等效热老化时长随活化能E的变化关系Fig.7 Change of equivalent thermal aging time with active energy E

根据图7所示结果可知，活化能E的取值对于样机鉴定试验曲线或机组鉴定要求曲线在参考温度下的等效热老化时长的计算结果影响很大，参考温度下的等效热老化时长与活化能E成正相关性，即E的取值越大，计算得到的结果越保守。但是，活化能E的选取不会改变样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线在参考温度下的等效热老化时长的相对大小关系，即不影响样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线的热老化效应包络性判断。

由于活化能E的选取对于参考温度下的等效热老化时长的计算结果影响很大，因此在实践过程中，为了提高参考温度下等效热老化时长计算结果的准确性，需要准确确定设备的活化能E。当能够准确计算样机鉴定试验曲线与机组鉴定要求曲线在参考温度下的等效热老化时长时，计算结果可以用来指导准备后续的补充证明材料或试验来进行进一步的热老化效应包络性分析。在实践中，当无法准确确定设备的活化能E时也可取一个较大的活化能E值来进行计算。这种情况下可以得到一个更加保守的计算结果。

4 结论

本文根据温度对于设备性能影响的两种效应，总结了采用分析法开展热力环境条件鉴定时需要考虑的鉴定因素，并据此设计了一种用于热力环境条件分析法鉴定的鉴定流程。

本文根据热老化效应与热力环境条件温度和持续时间的正相关性，对现有样机鉴定试验用热力环境条件曲线和新机组设备鉴定要求的热力环境条件曲线的相对关系进行了分类。并基于Arrhenius公式编写了热老化效应计算程序，分析了计算程序中的微分步长Δt2和活化能E的取值对热老化效应包络性判断的影响。计算机程序不仅可以用来进行热力环境条件分析法鉴定中的热老化效应包络性判断，还能用于指导补充证明材料或试验进行进一步的热老化效应包络性分析。