核电端子排故障实验研究及优化改进.pdf
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1、653Nuclear Science and EngineeringJun.20232023年6 月No.3Vo1.43工程核科学与第3期第43卷核电端子排故障实验研究及优化改进樊晓乐,王志武,涂余画,姚力恺(苏州热工研究院有限公司,江苏苏州,2 150 0 4)摘要:针对某核电厂端子排故障率高的现象,对该电厂环境参数进行监测,并设计试验条件进行盐雾和湿热加速试验,结合试验结果以及端子排内部结构、材料明确了端子排腐蚀的主要劣化因子为盐雾潮湿。通过试验环境下端子压降、铜片腐蚀量与现场环境下铜片腐蚀量的关联,建立寿命预测模型。最后对目前主流端子排进行结构特性分析,从气密性结构优化、选择耐腐蚀材料、
2、安装机柜环境改进、预防性维护四个方面给出端子排可靠性提升改进建议。关键词:端子排;腐蚀;加速试验;寿命;气密性中图分类号:TL36文章标志码:A文章编号:0 2 58-0 9 18(2 0 2 3)0 3-0 6 53-0 7Experimental Investigation and Optimization of TerminalinNuclearPowerPlantFANXiaole,WANGZhiwu,TUHua,YAOLikai(Suzhou Nuclear Power Research Institute,Suzhou of Jiangsu Prov.215004,China)Ab
3、stract:Based on a high failure rate of terminal in certain nuclear power plant,environmental parameters of the plant were monitored,and the salt spray experiment and thedamp heat experiment have been conducted by designing reasonable experimental conditions.The findings suggest the main deterioratio
4、n factor of the terminal is salt based on theexperimental results,the internal structure and materials.A life prediction model is developedby building relation between terminal voltage drop,copper corrosion amount in experimentalenvironment and copper corrosion amount on the site.Finally structure c
5、haracteristics of thecurrent main terminals have been investigated and studied.Terminal reliability of the plant canbe improved by optimizing airtight structure,choosing corrosion-resistant material,improvingconditions of cabinet and carrying out preventative maintenance.Key words:Terminal;Corrosion
6、;Experiment;Lifespan;Airtight收稿日期:2 0 2 2-0 2-0 8作者简介:樊晓乐(19 9 0 一),女,山西运城人,工程师,硕士研究生,现主要从事仪控可靠性相关研究654仪控端子排作为核电厂控制、保护、显示等信号传输的连接器件,其可靠性对电厂稳定运行起到不可忽视的作用。相比电气用端子排,仪控端子排传输毫安级电流信号。端子排经常出现接触不良、绝缘下降、发霉锈蚀、误碰等引起的信号传输失效1,2,目前研究主要为结构优化方面的改进,包括端子箱内部防凝露、防潮优化改进3-5,端子排增加防护罩或者挡板7,8。某商运十年以上核电厂端子排出现老化、触点腐蚀、接触不良、信号波
7、动等现象,大部分故障率高端子排所在环境恶劣,存在高温、高振动、高腐蚀、高湿度的情况。为明确故障原因,对该电厂故障端子排进行环境测试、金属学测试、选取不同结构端子排进行盐雾、湿热加速老化试验,明确了端子排的故障演变趋势、劣化因子、性能对比,同时将试验环境与现场环境相关联,建立寿命预测模型,最后针对目前市场主流端子排进行结构分析,结合试验结果和环境测试情况给出该电厂端子排的改进建议。1原理及现状介绍仪控端子排主要用于电流或者电压信号的传输,连接电缆线径一般为14mm,通过工具将电缆压接到线鼻子并连接至端子排,端子排安装在机柜导轨上,导轨分为U型和G型,目前新型端子排多为U型导轨安装。端子排的内部连
8、接结构多样,有直插式连接、回拉弹簧式连接、螺钉式连接、螺栓连接、免剥线连接等方式,每种接线方式特点及适用场合不同,在后续做详细分析。所分析电厂故障端子排为螺钉弹簧式连接或螺钉式连接,其结构如图1所示,线鼻子安装在接线腔体中并通过螺钉以及弹簧反作用实现固定连接,桥接件实现端子两端信号的传输。端子排故障主要表现为内部金属构件锈渍、腐蚀、接触电阻变大,如图2 所示。统计该电厂端子排故障历史:泵站/汽轮机/主发电机/柴油机相关区域故障比例占6 1%,热电偶温度探头电缆连接端子排故障比例占2 5%。故障率高端子排所在区域有如下规律:泵站靠近大海,湿度盐雾最大;汽轮机、发电机附近等区域振动、温度较高。端子
9、排腐蚀的劣化因子可能为:温度、温差、湿度、湿度变化、大气成分(硫化物、氯化物)9。接线腔体线鼻子固定式桥接件图1螺钉式弹簧端子排Fig.1The spring screw terminal固定式桥接件接线腔体绿色异物锈渍腐蚀图2故障端子排内部表现Fig.2Internal behaviour of faulty terminals2原因及试验分析2.1环境测试选取端子排故障率高的两个典型区域泵站和汽轮机,将温湿度实时记录仪、腐蚀环境表征铜测试片(纯度9 9.9%以上)、氯离子采集干片在现场投样40 天对环境参数进行监测。温湿度测量数据如表1所示,汽机相较于泵站温度较高,泵站相较于汽机湿度较高,
10、两区域温度变化和湿度变化幅度相对平缓。采用干片法10 对泵站进行监测,具体结果如表2 所示,表明泵站存在氯化物腐蚀介质,腐蚀等级为S2级10。655表1泵站和汽机各项环境数据Table1The environment data ofthepumping station and turbine监测结果具体内容参数泵站汽机最高温度/29.644.7最低温度/19.722.5环境平均温度/26.640.4温度温度40 的时间/h06902小时间温度变化501的时间/h最高湿度/%72.158.1最低湿度/%34.017.1相对平均湿度/%53.126.7湿度湿度50%的时间/h57116湿度6 0%
11、的时间/h2300湿度变化6%的时间/h1919表2泵站氯离子沉积率监测结果Table2The deposition rate of Cr at thepumping station监测CI-沉积率/平均值/序号等级区域mg/(m2*d)mg/(m2*d)10.382泵站0.370.40S21030.44通过阴极还原法还原铜测试片表面的腐蚀产物膜并计算腐蚀产物膜总厚度来进行环境腐蚀严酷度监测1。与试验前具有铜金属光泽的测试片相比,两处的铜测试片金属光泽暗淡,其中泵站的测试片表面有明显的铜绿生成,腐蚀程度相对比较严重,汽机处铜片则以红棕色铜的氧化物为主(见图3)。对铜片腐蚀产物进行定性和定量分析
12、,分析结果如表3所示,结(a)试验前(b)40d后泵站(c)40 d 后汽机图3现场环境腐蚀性监测铜片实物图Fig.3The picture of the copper sheet in corrosive environment on the site表3现场标准铜测试片腐蚀量测试结果Table3The copper corrosion amount on the site监测Cu,o/Cuo/Cu,S/监测腐蚀膜厚/环境区域nmnmnm天数(n m/月)等级泵站43.29110.140.040115.07G312汽机14.0344.560.04050.74G2121果表明泵站和汽机均存在一
13、定的腐蚀性,铜金属在环境中的腐蚀反应主要以生成铜的氧化物(C u,O 和CuO)为主,未见CuS生成,说明两处环境中均无硫化物类(如H,S、S2-等)腐蚀性介质存在。泵站环境等级为G3,端子等电子电器产品在该腐蚀性水平的环境中运行,会受到较为严重的腐蚀影响12。2.2加速老化试验现场环境测试结果排除了温差大、湿度变化大、硫化物的腐蚀影响,下一步对该电厂端子排新备件开展盐雾试验和湿热试验确定劣化因子,每项试验放置三个端子排平行样,试验进行时投放相同试验周期的铜测试片。在试验过程中,定期对端子排样品电压降以及铜测试片腐蚀量进行观察和测量。(1)盐雾试验设置试验温度(35土2)、氯化钠溶液浓度(50
14、 5)g/L、p H(6.57.2)、盐雾沉降量为(1.5土0.5)mL/h进行中性盐雾加速试验8 0 0 h,观察时间间隔分别为:9 6 h,16 8 h,336 h,50 0 h和8 0 0 h。试验效果如图4和图5所示,随着试验时间增加端子核心金属部件和触点腐蚀程度越来越严重,在9 6 16 8 h试验初期时,端子金属部件和触点已出现明显发黑的腐蚀现象并有少许白锈生成,到336 50 0 h试验中期,端子金属部件和触点表面几乎已被黑色腐蚀产物锈层所覆盖,且夹杂一定量的白锈和红锈,直至800h试验后期,金属部件和触点表面已完全被黑色腐蚀产物所覆盖,白锈和红锈的生成量也较之前增多。在336
15、h,2 号样品出现无法导通现象,对应电压降为2 0 8.9 mV,而1号和3号样品没有出现失效,对应电压降为18 2.3mV和191.8mV,选择2 0 8.9 mV作为端子排失效临界压降。试验最后样品最大电压降为433.9 mV。656amount and time in theexperimentSaLaFig.6The fitting curve between copper corrosion图6盐雾试验铜片腐蚀量与试验时间的拟合曲线试验时间t/d40302010C-0.13*1.08,2-0.9826420010208图4336 h(左)和8 0 0 h(右)端子排盐雾试验实物图Fi
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