核電站1E級電纜用低煙無鹵材料

LOW-SMOKE HALOGEN-FREE COMPOUNDS FOR CATEGORY 1E CLASS K1 CABLES USED IN NUCLEAR POWER PLANT

不同于傳統化石能源以資源屬性為主,核能發展更為主要的因素是技術的進步。由此,在全球最大能源需求國進行能源革命的過程中,核能被寄予了厚望。不依靠有限的化石燃料資源,而能產出清潔、穩定、經濟和理論上無窮盡的能量, 這一切需要的僅僅是通過技術的進步和管理體制的完善。這正契合了能源革命的內在邏輯一通過大力推動技術革命和體制革命,來完成能源消費和供給的革命。

一、清潔能源-核電發展

第一代核電站,20世紀50年至60年代初,蘇聯、美國等建造了第一批單機容量在300MWe左右的核電 站,如美國的希平港核電站和英第安角1號核電站,法國的舒茲(Chooz)核電站,德國的奧珀利海母 (Obrigheim)核電站,日本的美浜1號核電站等。第一代核電廠屬于原型堆核電廠,主要目的是為了通過試驗示范形式來驗證其核電在工程實施上的可行性。

第二代核電站,20世紀70年代,因石油漲價引發的能源?;俳撕說綬⒄?世界上已經商業運行的400多臺機組大部分在這段時期建成,稱為第二代核 電機組。第二代核電廠主要是實現商業化、標準化、系列化、批量化,以提高經濟性。自20世紀60年代末至70年代世界上建造了大批單機容量在600 — 1400MWe的標準化和系列化核電站。日本、韓國也建造了一批Model412、BWR、System80等標準核電站。

第二代核電站是世界正在運行的439座核電站 (2007年9月統計數)主力機組,總裝機容量為3.72 億千瓦?;構燦?4臺在建核電機組,總裝機容量為0.278億千瓦。在三里島核電站和切爾諾貝利核電站發生事故之后,各國對正在運行的核電站進行了不同程度的改進,在安全性和經濟性都有了不同程度的提高。從事核電的專家們對第二代核電站進行了反思,當時認為發生堆芯熔化和放射性物質大量往環境釋放 這類嚴重事故的可能性很小,不必把預防和緩解嚴重事故的設施作為設計上必須的要求,因此,第二代核電站應對嚴重事故的措施比較薄弱。在20世紀90年代,為了解決切爾諾貝利核電站的嚴重事故的負面影響, 改進核電站安全性,滿足預防和緩解嚴重事故的要求,在第二代核電站的基礎上,發展出了第三代核電技術。福島核電站事故后,公眾對核電站安全性的要求進一步提高,更加促進了第三傾電技術的發展。

第三代核電站,對于第三代核電站類型有各種不同看法。美國核電用戶要求文件(URD)和歐洲核電用戶要求文件(EUR)提出了第三代核電站的安全和設計技術要求,它包括了改革型的能動(安全系統)核電站和先進型的非能動(安全系統)核電站,并完成了全部工程論證和試驗工作以及核電站的初步設計,它們將成為第三代核電站的主力堆型。

中國自主創新的第三代核電項目正在浙江三門和山東海陽進行建設,和正在運行發電的第二代核電機組相比,預防和緩解堆芯熔化成為設計上的必須要求,而這一點也正是作為第二代核電站的福島核電站事故中暴露出來的弱點。據悉,中國第三代核電站將裝備有蓄水池,這樣的“大水箱”在緊急情況下能釋放出大量的水,從而達到降溫等應急需求。

世界上技術比較成熟、可以據以建造第三代核電機組的設計,主要有美國的AP1000(壓水堆)和ABWR(沸水堆),以及歐洲的EPR(壓水堆)等型號,它們發生嚴重事故的概率均比第二代核電機組小100倍以上,且使用壽命要求更高,要求大于60年。美國、法國等國家已公開宣布,今后不再建造第二代核電機組,只建設第三代核電機組。而中國有13臺第二代核電機組正在運行發電,未來重點放在建設第三代核電機組_h,并開發出具有中國自主知識產權的中國品牌的第三代先進核電機組。為此,國務院決定以浙江三門和山東海陽兩個核電項目作為第三代核電自主化依托工程,建設4套第三代AP1000壓水堆核電機 組。國家中長期科技發展規劃綱要已將“大型先進壓水堆核電站”列為重大專項(CAP1400)。

第四代核能系統概念(有別于核電技術或先進反 應堆),最先由美國能源部的核能、科學與技術辦公室提出,始見于1999年6月美國核學會夏季年會,同年11月的該學會冬季年會上,發展第四代核能系統的設想得到進一步明確;2000年1月,美國能源部發起并約請阿根廷、巴西、加拿大、法國、曰本、韓國、南非和英國等9個國家的政府代表開會,討論開發新一代核能技術的國際合作問題,取得了廣泛共識,并發表了“九國聯合聲明”。隨后,由美國、法國、日本、英國等核電發達國家組建了“第四代核能系統國際論壇(GIF)”,擬于2-3年內定出相關目標和計劃;這項計劃總的目標是在2030年左右,向市場推出能夠 解決核能經濟性、安全性、廢物處理和防止核擴散問題的第四代核能系統(Gen-IV)。第四代核能系統將滿足安全、經濟、可持續發展、極少的廢物生成、燃料增殖的風險低、防止核擴散等基本要求。

二、中國的核能

中國的能源結構過于依賴煤炭,目前煤炭在整個能源消耗中占比高達75%,這種能源結構造成兩大問題,一是溫室氣體減排壓力不斷增大,二是大氣污染日趨嚴重,霧霾天氣頻發,極大影響社會發展與民眾生活。要治理大氣污染,必須逐步降低煤 炭消費比重,增加水電、核電、風電、太陽能等清 潔能源的供應。中國要走綠色低碳發展之路,核能 正是實施這一戰略的重要選擇之一。但是,作為新能源重要組成部分的核電,在我國電能中的比重尚不足2%,而世界平均水平是15%,中國核電占比遠遠低于全球平均水平。另一方面,核電作為大國重器,對于提升我國在全球高端裝備制造業領域的地位和水平,具有非常重要的作用。

中國核能發展己有30年的歷史,大致可分為三大階段:第一階段是1985年開始的十年,標志是建成秦山和大亞灣兩座核電站、3臺核電機組。第二個階段從1996年開始小批量生產,一共建設4個項目、8臺機組,2007年已全部建設完成。第三階段是從2005年12月至今,這是中國核電快速發展的時期。這個時期,一共新開工建設了37臺機組,其中10臺已經建成并投入運行,還有27臺在建設之中。目前,中國建成與在建核電站的地域分布從北到南遍及遼寧、山東、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西和海南,在各地的13個廠址上一共有48臺機組在運和在建。

我國在建核電項目建設上,一直是穩步推進,并陸續有新的核電機組并網,目前我國在運核電機組達到21臺,裝機容量1902萬千瓦。在建核電機組27臺,裝機容量2953萬千瓦,是世界上在建核電裝 機容量最大的國家。盡管如此,我國的核能占電源比重仍然遠遠落后于全球平均水平?!案5菏錄?之后的近四年間,我國更是沒有核準一個新的核電項目,核電規模發展存在事實上的停滯。

2014年,在我國正式開啟能源革命的大背景下,核能行業迎來了一個明確可期的發展路徑。國務院11月20日印發的《能源發展戰略行動計劃(2014-2020年)》明確顯示,到2020年,核電裝機容量達到5800萬千瓦,在建容量達到3000萬千瓦以上。

在2014年國家的十六項重大科技專項中,有兩項涉及核能一一自主化先進大型壓水堆CAP1400示 范項目和第四代核電機型石島灣高溫氣冷堆。這兩個項目都取得了重大進展。CAP1400的研發成功不僅標志著我國在大型壓水堆領域的技術己經達到國際領先水平,在其帶動下,我國的高端制造業更是具備了國際主流市場的競爭力。另一項重大專項高溫氣冷堆技術也在2014年取得重大進展,使得這種起源自德國AVR球床反應堆的高端技術,在2014年成為了中國核能高端技術的代名詞之一。10月28日至31日,第7屆國際高溫氣冷堆技術峰會在示范工程所在地山東榮成舉行。來自國際原子能機構、美國、俄羅斯等17個國家和地區的專家前來分享中國經驗。隨著高溫氣冷堆關鍵設備的研制驗證工作已經取得重大突破,中國領跑這一技術領域的產業化應用,已成定局。

2014年8月22日核電主管部門在“華龍一號”總體技術方案審査會議上作出了同意中核集團和中國廣核集團聯手打造的“華龍一號”核電技術融合方案的決定。事實上,“華龍一號”的出現讓中國 在商業壓水堆市場的選擇變得更加多元,影響可謂深遠。這將是中國核電發展的里程碑。

三、核電站電纜及“至正Original8 ” NPS系列核電站電纜專用材料
1、核電站電纜

建設核電站時通常需要敷設大量的電纜,核電站用電纜必須滿足1E級別[反應堆和核電廠(站)電 氣系統和設備的安全級別]要求。1E級別的電纜必須能夠完成反應堆緊急停堆、安全殼隔離、堆芯應急冷卻以及反應堆和反應堆廠房的余熱排出以及防止放射性物質向周圍環境大量排放等各項功能。為了滿足核電站不同場所的要求,1E級電纜又可分為 K1類、K2類和K3類。

K1級電纜是指用于核電站安全殼內,并在正常運行、事故和事故后工況的相應條件下以及在地震 載荷下,能保證執行其功能的電纜。K1類電纜安全等級要求最高,需要通過LOCA試驗。LOCA試驗即模擬冷卻劑跑失事故情況下,在安全殼內的電纜要承受不同程度的高溫、高壓、化學物質噴射和大劑量射線輻射狀況。

K2類電纜是指安裝在安全殼內或者安全殼外對輻射有要求的場合,具備在正?;肪程跫潞偷卣?荷載下能完成其規定功能的電纜。

K3類電纜是安裝在安全殼外,具備在正?;肪程跫潞偷卣鷙稍叵亂約霸詼砸恍┥璞腹娑ǖ氖鹿?條件下能完成其規定功能的電纜。

2、 核電電纜用高分子材料

絕緣材料的壽命,不僅與溫度有關,而且也和其他條件有關。依據IEC 60216-1標準,根據多年的實踐和大量的試驗表明,如果把其他條件固定下來,單獨考慮溫度一個變量,則可以采用技術進行試驗和推算出材料的熱壽命。即壽命評定時選用髙溫加速試樣老化來測定壽命。通常情況下,采用在四個溫度點下對試樣組進行老化,然后用統計分析試驗數 據,根據阿倫尼烏斯公式推算出絕緣材料的壽命與溫度的關系函數。

材料的熱壽命與溫度間的關系,可以用下列公式來表示:

式中r一工作溫度下的使用壽命,h;
T一熱力學溫度,K;
a,b—在一定條件下是常數;
下圖是至正道化NPS系列核電材料在175°C溫度點下的統計數據:

?至正道化NPS系列核電材料,最終評定90℃條件下,壽命達到62.8年(見下圖)。完全符合第三代核電站用1E級電纜的技術要求。

要達到IE級電纜要求的指標,電纜材料必須具有優越的耐長期濕熱老化性能、電氣穩定性、化學 穩定性和抗輻射性。常用電纜材料在長期熱老化和核輻射的環境下,聚合物發生降解嚴重,材料的性能不能滿足核電站電纜的使用要求。為了滿足第三代核電站對于1E級K1、K2、K3類電纜的性能要求, 通過不斷的摸索和實驗,至正道化開發出了符合第三代核電站要求、各項性能優異、類別齊全的核電站電纜用絕緣材料、填充材料以及護套材料。并針對客戶不同的電纜生產工藝要求,開發了硫化交聯和輻照交聯兩個不同技術體系的系列產品。

至正道化開發生產的核電站1E級電纜用低煙無鹵材料,采用聚烯烴或橡膠為基材,加入阻燃劑、防老化劑及其他助劑經混煉造粒而成。該材料物理機械性能優異,加工性能良好。己經通過了第三方 認證,其性能均能達到設計要求??曬惴河τ糜諍說繒景踩悄謔褂玫?.6/1 kV電力電纜、0.6/1 kV控制 電纜、300 / 500V儀表電纜和300 / 500V補償導線等。至正道化開發的多種規格的核電材料,取得了多項專利,形成了自己獨立自主的知識產權。

1. 核電站用1E級電纜材料及其制備方法 專利號為:ZL200810043658.5
2. 核電站電纜用輻照交聯低煙無鹵阻燃絕緣料及制備方法 專利號為:ZL201010619410.6
3.AP10M核電站用1E級K1類低煙無鹵硫化交聯電纜護套料及其制備方法 專利號為:ZL201210592102.8
4. AP1000核電站用1E級K1類電纜絕緣料及制備方法 專利申請號為:201310752879.0

1E級K1類電纜專用低煙無鹵材料

Class 1E K1 class and cable LSZH
產品名稱
Product name
規格型號
specification and model
特點及用途
Characteristics and usages
核電站K1類電纜專用絕緣料
Nuclear Power K1 class and cable insulation material
NPS-3001K1類,硫化交聯、絕緣,熱壽命≥60年
K1 class, vulcanization crosslinked insulation, thermal life ≥ 60 years
核電站K1類電纜專用阻燃電纜料
Nuclear power plants and cable K1 class flame retardant cable
NPS-3002K1類,硫化交聯、絕緣或護套,熱壽命≥60年
K1 class, vulcanization crosslinked insulation or jacket, thermal life ≥ 60 years
核電站K1類電纜專用低煙無鹵護套料
K1 class nuclear power plant dedicated LSZH cable jacket material
NPS-3003K1類,硫化交聯、護套
K1 class, vulcanization crosslinked jacket
核電站K1類電纜專用輻照交聯絕緣料
K1 class nuclear power plant dedicated irradiation crosslinked cable insulation material
NPS-1000EK1類,硫化交聯、絕緣,熱壽命≥60年
K1 class, vulcanization crosslinked insulation, thermal life ≥ 60 years
核電站K1類電纜專用輻照交聯低煙無崗電纜料
Nuclear power station cable K1 class dedicated irradiation crosslinked low smoke no hillock cable
NPS-1000ESK1類,硫化交聯、絕緣或護套,熱壽命≥60年
K1 class, vulcanization crosslinked insulation or jacket, thermal life ≥ 60 years
核電站K1類電纜專用輻照交聯低煙無鹵護套料
K1 class nuclear power plant dedicated irradiation crosslinked LSZH cable jacket material
NPS-2000EK1類,硫化交聯、護套
K1 class, vulcanization crosslinked jacket

1E級K2/K3類電纜專用低煙無鹵材料

Class 1E K2 / K3 class cable Dedicated LSZH
產品名稱
Product name
規格型號
specification and model
特點及用途
Characteristics and usages
核電站K2/K3類電纜專用絕緣料
Nuclear Power K2/K3 class and cable insulation material
NPS-3001(W)K2/K3類,硫化交聯、絕緣,熱壽命≥60年
K2/K3 class, vulcanization crosslinked insulation, thermal life ≥ 60 years
核電站K2/K3類電纜專用阻燃電纜料
Nuclear power plants and cable K2/K3 class flame retardant cable
NPS-3002(W)K2/K3類,硫化交聯、絕緣或護套,熱壽命≥60年
K2/K3 class, vulcanization crosslinked insulation or jacket, thermal life ≥ 60 years
核電站K2/K3類電纜專用低煙無鹵護套料
K2/K3 class nuclear power plant dedicated LSZH cable jacket material
NPS-3003(W)K2/K3類,硫化交聯、護套
K2/K3 class, vulcanization crosslinked jacket
核電站K2/K3類電纜專用輻照交聯絕緣料
K2/K3 class nuclear power plant dedicated irradiation crosslinked cable insulation material
NPS-1000E(W)K2/K3類,硫化交聯、絕緣,熱壽命≥60年
K2/K3 class, vulcanization crosslinked insulation, thermal life ≥ 60 years
核電站K2/K3類電纜專用輻照交聯低煙無崗電纜料
Nuclear power station cable K2/K3 class dedicated irradiation crosslinked low smoke no hillock cable
NPS-1000ES(W)K2/K3類,硫化交聯、絕緣或護套,熱壽命≥60年
K2/K3 class, vulcanization crosslinked insulation or jacket, thermal life ≥ 60 years
核電站K2/K3類電纜專用輻照交聯低煙無鹵護套料
K2/K3 class nuclear power plant dedicated irradiation crosslinked LSZH cable jacket material
NPS-2000E(W)K2/K3類,硫化交聯、護套
K2/K3 class, vulcanization crosslinked jacket

1E級核電站電纜專用高阻燃填充材料

Class 1E nuclear power station cable for high fire-retardant filler material
產品名稱
Product name
規格型號
specification and model
特點及用途
Characteristics and usages
核電站電纜專用熱塑性低煙無鹵高阻燃填充料
Nuclear Power cable for high fire-retardant LSZH thermoplastic filler
NPS-2001熱塑性、填充
Thermoplastic, filled
核電站電纜專用低煙無鹵高阻燃填充料
Nuclear Power cable for halogen high flame filler
NPS-2002硫化交聯、填充
Vulcanization crosslinking, filled
性能
Properties
單位
Unit
NPS-3001NPS-3002N PS-3003NPS-1000ENPS-1000ESNPS-2000ENPS-2001NPS-2002測試方法
Test methods
密度
Density
g/cm31.421.591.571.411.591.551.641.65GB/T 1033 1
拉伸強度
Tensile strength
MPa11.010.412.68.69.011.38.08.6GB/T 1040
斷裂伸長率
Elongation at break
%350340302320252275110102GB/T 1040
老化性能
Ageing property
°C × h135x240135x240135x240135x240135x240135x240————GB/T 2951.12
拉伸強度變化率
Variation of Tensile Strength
%+6+7+5+5+8+6————
斷裂伸長率變化率
Variation of Elongation at Break
%+1+2+1-2-10————
熱延伸(0.2MPa )
Hot set test ( 0.2MPa )
°C x min200x15200x15200x15200x15200x15200x15————GB/T 2951.21
???負荷下伸長率
Hot Elongation
%353040606065————
冷卻后永久變形率
Permanent Elongation
%424334————
低溫沖擊脆化(-25℃)
Low Temperature Brittleness test(-25℃)
失效數
invalidation
0/300/300/300/300/300/30————GB/T 5470
耐臭氧試驗
Ozone Resistance test
——無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
GB/T 2951.21
浸水試驗
Submerging test
°C × h70x16870x16870x16870x16870x16870x168————EN 50363
拉伸強度變化率
Variation of Tensile Strength
%-8-9-11-8-1-6————EN 50363
斷裂伸長率變化率
Variation of Elongation at Break
%+2-1+6+3-1-2————EN 50363
體積電阻率 (20℃)
Volume Resistivity (20℃)
Ω .m2.3x10143.8x10141.9x10122.1x10122.6x10121.8x1012————GB/T 1410
介電強度(20℃) Dielectric Strength (20℃)MV/m272525272625————GB/T 1408.1
煙密度,有焰
Smoke Density,flame
————6063——62655682GB/T 8323
煙密度,無焰
Smoke Density,Non—flame
————180182——182183152175
鹵酸氣體含量
Contect of Halogen Acid Gas
mg/g00110210GB/T 17650.1
PH值——4.74.84.74.74.94.84.84.7GB/T 17650.2
電導率
Conductivity
μ .s/mm1.01.11.21.31.21.31.11.0GB/T 17650.2
氧指數
Oxygen Index
%——3030——30315052GB/T 2406
線纜阻燃性
Flame - retardance of the cable
——單根垂直燃燒、成束B類
Pass test for vertical flame propagation for a single insulated wire or cable,category B
GB/T 18380
毒性指數
Toxicity Index
——1.71.91.71.11.61.51.51.6NES713
壽命試驗后輻射老化
Radiation aging after Lifetime test
kGy23002300230023002300230023002300GB/Z 28820
護套完整性
The sheath integrity
——無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
GB/Z 28820
壽命試驗
Lifetime test
——電線電纜使用壽命≥60年(90℃)
Cable service life ≥60years(90℃)
GB/T 22577
性能
Properties
單位
Unit
NPS-3001(W)NPS-3002(W)N PS-3003(W)NPS-1000E(W)NPS-1000ES(W)NPS-2000E(W)測試方法
Test methods
密度
Density
g/cm31.351.601.571.421.561.59GB/T 1033 1
拉伸強度
Tensile strength
MPa10.311.112.010.19.612.4GB/T 1040
斷裂伸長率
Elongation at break
%321340296310298309GB/T 1040
老化性能
Ageing property
°C × h135x240135x240135x240135x240135x240135x240GB/T 2951.12
拉伸強度變化率
Variation of Tensile Strength
%1044658GB/T 2951.12
斷裂伸長率變化率
Variation of Elongation at Break
%-2-628-30GB/T 2951.12
熱延伸(0.2MPa )
Hot set test ( 0.2MPa )
°C x min200x15200x15200x15200x15200x15200x15GB/T 2951.21
???負荷下伸長率
Hot Elongation
%254035506060GB/T 2951.21
冷卻后永久變形率
Permanent Elongation
%224333GB/T 2951.21
低溫沖擊脆化(-25℃)
Low Temperature Brittleness test(-25℃)
失效數
invalidation
0/300/300/300/300/300/30GB/T 5470
耐臭氧試驗
Ozone Resistance test
——無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
無裂紋
No cracking
GB/T 2951.21
浸水試驗
Submerging test
°C × h70x16870x16870x16870x16870x16870x168EN 50363
拉伸強度變化率
Variation of Tensile Strength
%-2-7-8-8-8-4EN 50363
斷裂伸長率變化率
Variation of Elongation at Break
%-1-363-1-2EN 50363
體積電阻率 (20℃)
Volume Resistivity (20℃)
Ω .m3.1x10142.8x10142.9x10123.1x10121.6x10121.7x1012GB/T 1410
介電強度(20℃) Dielectric Strength (20℃)MV/m272625272625GB/T 1408.1
煙密度,有焰
Smoke Density,flame
————6875——6265GB/T 8323
煙密度,無焰
Smoke Density,Non—flame
————180182——182183GB/T 8323
鹵酸氣體含量
Contect of Halogen Acid Gas
mg/g101101GB/T 17650.1
PH值——4.84.74.64.74.94.8GB/T 17650.2
電導率
Conductivity
μ .s/mm1.01.11.21.31.21.3GB/T 17650.2
氧指數
Oxygen Index
%——3130——3031GB/T 2406
線纜阻燃性
Flame - retardance of the cable
——單根垂直燃燒、成束B類
Pass test for vertical flame propagation for a single insulated wire or cable,category B
GB/T 18380
毒性指數
Toxicity Index
——1.71.91.51.31.51.1NES713
壽命試驗后輻射老化
Radiation aging after Lifetime test
kGy850850850850850850GB/Z 28820
護套完整性
The sheath integrity
——無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
無開裂
No cracking
GB/Z 28820
壽命試驗
Lifetime test
——電線電纜使用壽命≥60年(90℃)
Cable service life ≥60years(90℃)
GB/T 22577
核電站1E級電纜用低煙無鹵材料熱壽命評定報告
核電站1E級電纜用低煙無鹵材料型式檢驗報告