核电站1E级电缆用低烟无卤材料
Nuclear Power Plant

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

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不同于传统化石能源以资源属性为主,核能发展更为主要的因素是技术的进步。由此,在全球最大能源需求国进行能源革命的过程中,核能被寄予了厚望。不依靠有限的化石燃料资源,而能产出清洁、稳定、经济和理论上无穷尽的能量, 这一切需要的仅仅是通过技术的进步和管理体制的完善。这正契合了能源革命的内在逻辑一通过大力推动技术革命和体制革命,来完成能源消费和供给的革命。

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一、清洁能源-核电发展

第一代核电站,20世纪50年至60年代初,苏联、美国等建造了第一批单机容量在300MWe左右的核电 站,如美国的希平港核电站和英第安角1号核电站,法国的舒兹(Chooz)核电站,德国的奥珀利海母 (Obrigheim)核电站,日本的美浜1号核电站等。第一代核电厂属于原型堆核电厂,主要目的是为了通过试验示范形式来验证其核电在工程实施上的可行性。

第二代核电站,20世纪70年代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电发展,世界上已经商业运行的400多台机组大部分在这段时期建成,称为第二代核 电机组。第二代核电厂主要是实现商业化、标准化、系列化、批量化,以提高经济性。自20世纪60年代末至70年代世界上建造了大批单机容量在600 — 1400MWe的标准化和系列化核电站。日本、韩国也建造了一批Model412、BWR、System80等标准核电站。

第二代核电站是世界正在运行的439座核电站 (2007年9月统计数)主力机组,总装机容量为3.72 亿千瓦。还共有34台在建核电机组,总装机容量为0.278亿千瓦。在三里岛核电站和切尔诺贝利核电站发生事故之后,各国对正在运行的核电站进行了不同程度的改进,在安全性和经济性都有了不同程度的提高。从事核电的专家们对第二代核电站进行了反思,当时认为发生堆芯熔化和放射性物质大量往环境释放 这类严重事故的可能性很小,不必把预防和缓解严重事故的设施作为设计上必须的要求,因此,第二代核电站应对严重事故的措施比较薄弱。在20世纪90年代,为了解决切尔诺贝利核电站的严重事故的负面影响, 改进核电站安全性,满足预防和缓解严重事故的要求,在第二代核电站的基础上,发展出了第三代核电技术。福岛核电站事故后,公众对核电站安全性的要求进一步提高,更加促进了第三傾电技术的发展。

第三代核电站,对于第三代核电站类型有各种不同看法。美国核电用户要求文件(URD)和欧洲核电用户要求文件(EUR)提出了第三代核电站的安全和设计技术要求,它包括了改革型的能动(安全系统)核电站和先进型的非能动(安全系统)核电站,并完成了全部工程论证和试验工作以及核电站的初步设计,它们将成为第三代核电站的主力堆型。

中国自主创新的第三代核电项目正在浙江三门和山东海阳进行建设,和正在运行发电的第二代核电机组相比,预防和缓解堆芯熔化成为设计上的必须要求,而这一点也正是作为第二代核电站的福岛核电站事故中暴露出来的弱点。据悉,中国第三代核电站将装备有蓄水池,这样的“大水箱”在紧急情况下能释放出大量的水,从而达到降温等应急需求。

世界上技术比较成熟、可以据以建造第三代核电机组的设计,主要有美国的AP1000(压水堆)和ABWR(沸水堆),以及欧洲的EPR(压水堆)等型号,它们发生严重事故的概率均比第二代核电机组小100倍以上,且使用寿命要求更高,要求大于60年。美国、法国等国家已公开宣布,今后不再建造第二代核电机组,只建设第三代核电机组。而中国有13台第二代核电机组正在运行发电,未来重点放在建设第三代核电机组_h,并开发出具有中国自主知识产权的中国品牌的第三代先进核电机组。为此,国务院决定以浙江三门和山东海阳两个核电项目作为第三代核电自主化依托工程,建设4套第三代AP1000压水堆核电机 组。国家中长期科技发展规划纲要已将“大型先进压水堆核电站”列为重大专项(CAP1400)。

第四代核能系统概念(有别于核电技术或先进反 应堆),最先由美国能源部的核能、科学与技术办公室提出,始见于1999年6月美国核学会夏季年会,同年11月的该学会冬季年会上,发展第四代核能系统的设想得到进一步明确;2000年1月,美国能源部发起并约请阿根廷、巴西、加拿大、法国、曰本、韩国、南非和英国等9个国家的政府代表开会,讨论开发新一代核能技术的国际合作问题,取得了广泛共识,并发表了“九国联合声明”。随后,由美国、法国、日本、英国等核电发达国家组建了“第四代核能系统国际论坛(GIF)”,拟于2-3年内定出相关目标和计划;这项计划总的目标是在2030年左右,向市场推出能够 解决核能经济性、安全性、废物处理和防止核扩散问题的第四代核能系统(Gen-IV)。第四代核能系统将满足安全、经济、可持续发展、极少的废物生成、燃料增殖的风险低、防止核扩散等基本要求。

二、中国的核能

中国的能源结构过于依赖煤炭,目前煤炭在整个能源消耗中占比高达75%,这种能源结构造成两大问题,一是温室气体减排压力不断增大,二是大气污染日趋严重,雾霾天气频发,极大影响社会发展与民众生活。要治理大气污染,必须逐步降低煤 炭消费比重,增加水电、核电、风电、太阳能等清 洁能源的供应。中国要走绿色低碳发展之路,核能 正是实施这一战略的重要选择之一。但是,作为新能源重要组成部分的核电,在我国电能中的比重尚不足2%,而世界平均水平是15%,中国核电占比远远低于全球平均水平。另一方面,核电作为大国重器,对于提升我国在全球高端装备制造业领域的地位和水平,具有非常重要的作用。

中国核能发展己有30年的历史,大致可分为三大阶段:第一阶段是1985年开始的十年,标志是建成秦山和大亚湾两座核电站、3台核电机组。第二个阶段从1996年开始小批量生产,一共建设4个项目、8台机组,2007年已全部建设完成。第三阶段是从2005年12月至今,这是中国核电快速发展的时期。这个时期,一共新开工建设了37台机组,其中10台已经建成并投入运行,还有27台在建设之中。目前,中国建成与在建核电站的地域分布从北到南遍及辽宁、山东、江苏、浙江、福建、广东、广西和海南,在各地的13个厂址上一共有48台机组在运和在建。

我国在建核电项目建设上,一直是稳步推进,并陆续有新的核电机组并网,目前我国在运核电机组达到21台,装机容量1902万千瓦。在建核电机组27台,装机容量2953万千瓦,是世界上在建核电装 机容量最大的国家。尽管如此,我国的核能占电源比重仍然远远落后于全球平均水平。“福岛事件” 之后的近四年间,我国更是没有核准一个新的核电项目,核电规模发展存在事实上的停滞。

2014年,在我国正式开启能源革命的大背景下,核能行业迎来了一个明确可期的发展路径。国务院11月20日印发的《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》明确显示,到2020年,核电装机容量达到5800万千瓦,在建容量达到3000万千瓦以上。

在2014年国家的十六项重大科技专项中,有两项涉及核能一一自主化先进大型压水堆CAP1400示 范项目和第四代核电机型石岛湾高温气冷堆。这两个项目都取得了重大进展。CAP1400的研发成功不仅标志着我国在大型压水堆领域的技术己经达到国际领先水平,在其带动下,我国的高端制造业更是具备了国际主流市场的竞争力。另一项重大专项高温气冷堆技术也在2014年取得重大进展,使得这种起源自德国AVR球床反应堆的高端技术,在2014年成为了中国核能高端技术的代名词之一。10月28日至31日,第7届国际高温气冷堆技术峰会在示范工程所在地山东荣成举行。来自国际原子能机构、美国、俄罗斯等17个国家和地区的专家前来分享中国经验。随着高温气冷堆关键设备的研制验证工作已经取得重大突破,中国领跑这一技术领域的产业化应用,已成定局。

2014年8月22日核电主管部门在“华龙一号”总体技术方案审査会议上作出了同意中核集团和中国广核集团联手打造的“华龙一号”核电技术融合方案的决定。事实上,“华龙一号”的出现让中国 在商业压水堆市场的选择变得更加多元,影响可谓深远。这将是中国核电发展的里程碑。

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三、核电站电缆及“至正Original8 ” NPS系列核电站电缆专用材料
1、核电站电缆

建设核电站时通常需要敷设大量的电缆,核电站用电缆必须满足1E级别[反应堆和核电厂(站)电 气系统和设备的安全级别]要求。1E级别的电缆必须能够完成反应堆紧急停堆、安全壳隔离、堆芯应急冷却以及反应堆和反应堆厂房的余热排出以及防止放射性物质向周围环境大量排放等各项功能。为了满足核电站不同场所的要求,1E级电缆又可分为 K1类、K2类和K3类。

K1级电缆是指用于核电站安全壳内,并在正常运行、事故和事故后工况的相应条件下以及在地震 载荷下,能保证执行其功能的电缆。K1类电缆安全等级要求最高,需要通过LOCA试验。LOCA试验即模拟冷却剂跑失事故情况下,在安全壳内的电缆要承受不同程度的高温、高压、化学物质喷射和大剂量射线辐射状况。

K2类电缆是指安装在安全壳内或者安全壳外对辐射有要求的场合,具备在正常环境条件下和地震 荷载下能完成其规定功能的电缆。

K3类电缆是安装在安全壳外,具备在正常环境条件下和地震荷载下以及在对一些设备规定的事故 条件下能完成其规定功能的电缆。

2、 核电电缆用高分子材料

绝缘材料的寿命,不仅与温度有关,而且也和其他条件有关。依据IEC 60216-1标准,根据多年的实践和大量的试验表明,如果把其他条件固定下来,单独考虑温度一个变量,则可以采用技术进行试验和推算出材料的热寿命。即寿命评定时选用髙温加速试样老化来测定寿命。通常情况下,采用在四个温度点下对试样组进行老化,然后用统计分析试验数 据,根据阿伦尼乌斯公式推算出绝缘材料的寿命与温度的关系函数。

材料的热寿命与温度间的关系,可以用下列公式来表示:

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式中r一工作温度下的使用寿命,h;
T一热力学温度,K;
a,b—在一定条件下是常数;
下图是至正道化NPS系列核电材料在175°C温度点下的统计数据:

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?至正道化NPS系列核电材料,最终评定90℃条件下,寿命达到62.8年(见下图)。完全符合第三代核电站用1E级电缆的技术要求。

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要达到IE级电缆要求的指标,电缆材料必须具有优越的耐长期湿热老化性能、电气稳定性、化学 稳定性和抗辐射性。常用电缆材料在长期热老化和核辐射的环境下,聚合物发生降解严重,材料的性能不能满足核电站电缆的使用要求。为了满足第三代核电站对于1E级K1、K2、K3类电缆的性能要求, 通过不断的摸索和实验,至正道化开发出了符合第三代核电站要求、各项性能优异、类别齐全的核电站电缆用绝缘材料、填充材料以及护套材料。并针对客户不同的电缆生产工艺要求,开发了硫化交联和辐照交联两个不同技术体系的系列产品。

至正道化开发生产的核电站1E级电缆用低烟无卤材料,采用聚烯烃或橡胶为基材,加入阻燃剂、防老化剂及其他助剂经混炼造粒而成。该材料物理机械性能优异,加工性能良好。己经通过了第三方 认证,其性能均能达到设计要求。可广泛应用于核电站安全壳内使用的0.6/1 kV电力电缆、0.6/1 kV控制 电缆、300 / 500V仪表电缆和300 / 500V补偿导线等。至正道化开发的多种规格的核电材料,取得了多项专利,形成了自己独立自主的知识产权。

1. 核电站用1E级电缆材料及其制备方法 专利号为:ZL200810043658.5
2. 核电站电缆用辐照交联低烟无卤阻燃绝缘料及制备方法 专利号为:ZL201010619410.6
3.AP10M核电站用1E级K1类低烟无卤硫化交联电缆护套料及其制备方法 专利号为:ZL201210592102.8
4. AP1000核电站用1E级K1类电缆绝缘料及制备方法 专利申请号为:201310752879.0

1E级K1类电缆专用低烟无卤材料

Class 1E K1 class and cable LSZH
产品名称
Product name
规格型号
specification and model
特点及用途
Characteristics and usages
核电站K1类电缆专用绝缘料
Nuclear Power K1 class and cable insulation material
NPS-3001K1类,硫化交联、绝缘,热寿命≥60年
K1 class, vulcanization crosslinked insulation, thermal life ≥ 60 years
核电站K1类电缆专用阻燃电缆料
Nuclear power plants and cable K1 class flame retardant cable
NPS-3002K1类,硫化交联、绝缘或护套,热寿命≥60年
K1 class, vulcanization crosslinked insulation or jacket, thermal life ≥ 60 years
核电站K1类电缆专用低烟无鹵护套料
K1 class nuclear power plant dedicated LSZH cable jacket material
NPS-3003K1类,硫化交联、护套
K1 class, vulcanization crosslinked jacket
核电站K1类电缆专用辐照交联绝缘料
K1 class nuclear power plant dedicated irradiation crosslinked cable insulation material
NPS-1000EK1类,硫化交联、绝缘,热寿命≥60年
K1 class, vulcanization crosslinked insulation, thermal life ≥ 60 years
核电站K1类电缆专用辐照交联低烟无岗电缆料
Nuclear power station cable K1 class dedicated irradiation crosslinked low smoke no hillock cable
NPS-1000ESK1类,硫化交联、绝缘或护套,热寿命≥60年
K1 class, vulcanization crosslinked insulation or jacket, thermal life ≥ 60 years
核电站K1类电缆专用辐照交联低烟无卤护套料
K1 class nuclear power plant dedicated irradiation crosslinked LSZH cable jacket material
NPS-2000EK1类,硫化交联、护套
K1 class, vulcanization crosslinked jacket

1E级K2/K3类电缆专用低烟无卤材料

Class 1E K2 / K3 class cable Dedicated LSZH
产品名称
Product name
规格型号
specification and model
特点及用途
Characteristics and usages
核电站K2/K3类电缆专用绝缘料
Nuclear Power K2/K3 class and cable insulation material
NPS-3001(W)K2/K3类,硫化交联、绝缘,热寿命≥60年
K2/K3 class, vulcanization crosslinked insulation, thermal life ≥ 60 years
核电站K2/K3类电缆专用阻燃电缆料
Nuclear power plants and cable K2/K3 class flame retardant cable
NPS-3002(W)K2/K3类,硫化交联、绝缘或护套,热寿命≥60年
K2/K3 class, vulcanization crosslinked insulation or jacket, thermal life ≥ 60 years
核电站K2/K3类电缆专用低烟无鹵护套料
K2/K3 class nuclear power plant dedicated LSZH cable jacket material
NPS-3003(W)K2/K3类,硫化交联、护套
K2/K3 class, vulcanization crosslinked jacket
核电站K2/K3类电缆专用辐照交联绝缘料
K2/K3 class nuclear power plant dedicated irradiation crosslinked cable insulation material
NPS-1000E(W)K2/K3类,硫化交联、绝缘,热寿命≥60年
K2/K3 class, vulcanization crosslinked insulation, thermal life ≥ 60 years
核电站K2/K3类电缆专用辐照交联低烟无岗电缆料
Nuclear power station cable K2/K3 class dedicated irradiation crosslinked low smoke no hillock cable
NPS-1000ES(W)K2/K3类,硫化交联、绝缘或护套,热寿命≥60年
K2/K3 class, vulcanization crosslinked insulation or jacket, thermal life ≥ 60 years
核电站K2/K3类电缆专用辐照交联低烟无卤护套料
K2/K3 class nuclear power plant dedicated irradiation crosslinked LSZH cable jacket material
NPS-2000E(W)K2/K3类,硫化交联、护套
K2/K3 class, vulcanization crosslinked jacket

1E级核电站电缆专用高阻燃填充材料

Class 1E nuclear power station cable for high fire-retardant filler material
产品名称
Product name
规格型号
specification and model
特点及用途
Characteristics and usages
核电站电缆专用热塑性低烟无卤高阻燃填充料
Nuclear Power cable for high fire-retardant LSZH thermoplastic filler
NPS-2001热塑性、填充
Thermoplastic, filled
核电站电缆专用低烟无鹵高阻燃填充料
Nuclear Power cable for halogen high flame filler
NPS-2002硫化交联、填充
Vulcanization crosslinking, filled
性能
Properties
单位
Unit
NPS-3001NPS-3002N PS-3003NPS-1000ENPS-1000ESNPS-2000ENPS-2001NPS-2002测试方法
Test methods
密度
Density
g/cm31.421.591.571.411.591.551.641.65GB/T 1033 1
拉伸强度
Tensile strength
MPa11.010.412.68.69.011.38.08.6GB/T 1040
断裂伸长率
Elongation at break
%350340302320252275110102GB/T 1040
老化性能
Ageing property
°C × h135x240135x240135x240135x240135x240135x240————GB/T 2951.12
拉伸强度变化率
Variation of Tensile Strength
%+6+7+5+5+8+6————
断裂伸长率变化率
Variation of Elongation at Break
%+1+2+1-2-10————
热延伸(0.2MPa )
Hot set test ( 0.2MPa )
°C x min200x15200x15200x15200x15200x15200x15————GB/T 2951.21
负荷下伸长率
Hot Elongation
%353040606065————
冷却后永久变形率
Permanent Elongation
%424334————
低温冲击脆化(-25℃)
Low Temperature Brittleness test(-25℃)
失效数
invalidation
0/300/300/300/300/300/30————GB/T 5470
耐臭氧试验
Ozone Resistance test
——无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
GB/T 2951.21
浸水试验
Submerging test
°C × h70x16870x16870x16870x16870x16870x168————EN 50363
拉伸强度变化率
Variation of Tensile Strength
%-8-9-11-8-1-6————EN 50363
断裂伸长率变化率
Variation of Elongation at Break
%+2-1+6+3-1-2————EN 50363
体积电阻率 (20℃)
Volume Resistivity (20℃)
Ω .m2.3x10143.8x10141.9x10122.1x10122.6x10121.8x1012————GB/T 1410
介电强度(20℃) Dielectric Strength (20℃)MV/m272525272625————GB/T 1408.1
烟密度,有焰
Smoke Density,flame
————6063——62655682GB/T 8323
烟密度,无焰
Smoke Density,Non—flame
————180182——182183152175
卤酸气体含量
Contect of Halogen Acid Gas
mg/g00110210GB/T 17650.1
PH值——4.74.84.74.74.94.84.84.7GB/T 17650.2
电导率
Conductivity
μ .s/mm1.01.11.21.31.21.31.11.0GB/T 17650.2
氧指数
Oxygen Index
%——3030——30315052GB/T 2406
线缆阻燃性
Flame - retardance of the cable
——单根垂直燃烧、成束B类
Pass test for vertical flame propagation for a single insulated wire or cable,category B
GB/T 18380
毒性指数
Toxicity Index
——1.71.91.71.11.61.51.51.6NES713
寿命试验后辐射老化
Radiation aging after Lifetime test
kGy23002300230023002300230023002300GB/Z 28820
护套完整性
The sheath integrity
——无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
GB/Z 28820
寿命试验
Lifetime test
——电线电缆使用寿命≥60年(90℃)
Cable service life ≥60years(90℃)
GB/T 22577
性能
Properties
单位
Unit
NPS-3001(W)NPS-3002(W)N PS-3003(W)NPS-1000E(W)NPS-1000ES(W)NPS-2000E(W)测试方法
Test methods
密度
Density
g/cm31.351.601.571.421.561.59GB/T 1033 1
拉伸强度
Tensile strength
MPa10.311.112.010.19.612.4GB/T 1040
断裂伸长率
Elongation at break
%321340296310298309GB/T 1040
老化性能
Ageing property
°C × h135x240135x240135x240135x240135x240135x240GB/T 2951.12
拉伸强度变化率
Variation of Tensile Strength
%1044658GB/T 2951.12
断裂伸长率变化率
Variation of Elongation at Break
%-2-628-30GB/T 2951.12
热延伸(0.2MPa )
Hot set test ( 0.2MPa )
°C x min200x15200x15200x15200x15200x15200x15GB/T 2951.21
负荷下伸长率
Hot Elongation
%254035506060GB/T 2951.21
冷却后永久变形率
Permanent Elongation
%224333GB/T 2951.21
低温冲击脆化(-25℃)
Low Temperature Brittleness test(-25℃)
失效数
invalidation
0/300/300/300/300/300/30GB/T 5470
耐臭氧试验
Ozone Resistance test
——无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
无裂纹
No cracking
GB/T 2951.21
浸水试验
Submerging test
°C × h70x16870x16870x16870x16870x16870x168EN 50363
拉伸强度变化率
Variation of Tensile Strength
%-2-7-8-8-8-4EN 50363
断裂伸长率变化率
Variation of Elongation at Break
%-1-363-1-2EN 50363
体积电阻率 (20℃)
Volume Resistivity (20℃)
Ω .m3.1x10142.8x10142.9x10123.1x10121.6x10121.7x1012GB/T 1410
介电强度(20℃) Dielectric Strength (20℃)MV/m272625272625GB/T 1408.1
烟密度,有焰
Smoke Density,flame
————6875——6265GB/T 8323
烟密度,无焰
Smoke Density,Non—flame
————180182——182183GB/T 8323
卤酸气体含量
Contect of Halogen Acid Gas
mg/g101101GB/T 17650.1
PH值——4.84.74.64.74.94.8GB/T 17650.2
电导率
Conductivity
μ .s/mm1.01.11.21.31.21.3GB/T 17650.2
氧指数
Oxygen Index
%——3130——3031GB/T 2406
线缆阻燃性
Flame - retardance of the cable
——单根垂直燃烧、成束B类
Pass test for vertical flame propagation for a single insulated wire or cable,category B
GB/T 18380
毒性指数
Toxicity Index
——1.71.91.51.31.51.1NES713
寿命试验后辐射老化
Radiation aging after Lifetime test
kGy850850850850850850GB/Z 28820
护套完整性
The sheath integrity
——无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
无开裂
No cracking
GB/Z 28820
寿命试验
Lifetime test
——电线电缆使用寿命≥60年(90℃)
Cable service life ≥60years(90℃)
GB/T 22577
核电站1E级电缆用低烟无卤材料热寿命评定报告
hdzbg02
核电站1E级电缆用低烟无卤材料型式检验报告
hdzbg01