价高量少！一根稳压器电加热器元件电缆“出生”有多难？

　　核电站的“心脏”是核反应堆，而稳压器则是“心脏”的“起搏器”。稳压器是压水堆核电站（Nuclear Power Plant，NPP）的关键设备，起着维护系统压力的作用。全球核电厂稳压器电加热器供应商主要有THERMOCOAX、VULCANIC、WATLOW、GENERAL ELECTRIC、重庆川仪等。

　　稳压器电加热器元件电缆随稳压器加热元件同机进口，用量不大，价格昂贵、采购周期漫长，其研发、结构设计、生产的基本工艺、试验评估等所有的环节都具有一定的难度和相当的工作量，属于少批量、高技术上的含金量产品。供货商提供的有关技术参数比较模糊，响应较迟缓，特别是材料在耐热性、耐辐照性能指标参数上存在技术上的“黑匣子”。甚至部分核电工程因电缆的问题没有办法解决而耽搁了稳压器整体设备的国产化进程。鉴于此，本工作对CAP系列稳压器电加热器元件电缆进行设计并验证，解决电加热器电缆的国产化问题。

　　因高温电缆的工作环境存在核辐射、湿热环境方面的要求，电缆应有优良的电气性能、阻燃性能可通过单根燃烧试验以及B类的成束燃烧试验、长期浸水试验。

　　稳压器电加热器元件电缆的结构示意图见图1。根据有关要求，稳压器电加热器元件电缆在CAP1000核电站中，持续运行温度至少为124℃，工作寿命期望60a；在CAP1400核电站中，持续运行温度至少为132℃，工作寿命期望60a，同时须耐受γ射线kGy。因此，电缆的线芯导体、绝缘层、防护层均须满足严格的技术指标要求。

　　为了防止导体在高温条件下发生氧化，常常要选择有镀层的导体。本技术的使用场合主要是CAP系列稳压器电加热器，由于其特殊的工作环境，按照每个用户方的要求，试验选用27级镀镍圆铜线作为本技术导体使用材料。本技术包含多个规格的导体，采用不大于0.30mm的单丝导体多股复绞的方式，以提高导体本身的柔软性，解决镀镍导体本身柔软性不足的问题。

　　（1）基料选择。根据项目要求及工程实际的需求：允许工作时候的温度为124℃、132℃时，其使用年数的限制要求均为60a。依据使用工况要求，须选用耐高温、耐辐照的无卤材料。本工作选用硅橡胶作为本技术的基料进行在允许电压下不导电的材料的研制。（2）在允许电压下不导电的材料的研制。试验选用的甲基乙烯基苯基硅橡胶（PMVQ-1、PMVQ-2和PMVQ-3）、耐热剂（HR-1、HR-2和HR-3）、氢氧化镁（MH）、改性三聚氰胺氰尿酸盐（PNFR）、添加剂（SMP）、有机硅树脂中间体(FR-60)和硫化剂（MM）为市售工业产品。铂金阻燃剂（PtFR）购自市售产品后进行实验室调配。

　　（2）长期耐水性。绝缘材料通过14d加速吸水老化试验，14d的电容增量大于10%，后7d的电容增量不大于3%， 测量结果符合技术要求。

　　（3）抗辐照能力。试验对绝缘材料来累计312kGy的γ射线辐照后，其机械电气性能保持良好。

　　（5）热寿命验证。通过124℃以及132℃下60a的寿命验证；通过对苯基硅橡胶基材开展耐辐照和耐热老化试验并进行选型研究，通过配合纳米耐热剂，对添加剂进行疏水功能化改性，配合铂金阻燃剂，最后经过捏合、开炼等工艺，研制出新型阻燃耐高温耐辐照硅橡胶绝缘材料。经检验，硅橡胶绝缘材料的机械物理性能、电气性能和阻燃性能均优良，硅橡胶绝缘材料可应用于CAP1400电加热器高温电缆。

　　本工作采用硅橡胶作为绝缘材料，其工艺流程分两步：①绝缘挤出工艺：在试生产过程中，使用挤压式摸具，同时使用在线测偏仪实时监控，严控电缆的同心度95%以上；使用在线测径仪对外径进行实时监控，确保厚度误差在±0.05mm以内，严控绝缘厚度；保证电缆的连续长度；②硫化工艺：绝缘挤出后，接着就是硫化工艺，在硫化管道内，需要控制好每段硫化管道的温度，控制绝缘材料的热延伸在50%~150%之间，收盘时，保证其不被收线履带压变形。

　　由表2能够准确的看出：稳压器电加热器元件电缆各项电性能指标均符合技术指标要求。高温下，绝缘电阻常数比常温下绝缘电阻常数下降了不到1个数量级，比预期的下降3个数量级的指标要求要理想很多，绝缘性能是电缆能够运行的首要技术指标，这项性能的优异表现说明电缆可在高温132℃条件下做正常工作。稳压器电加热器是压水堆核电站的重要部件，是唯一一直处在汽、水两相状态的主设备，表2中加速吸水试验表明，绝缘层材料除最开始时对水汽有吸收以外，后期基本不再吸收水分（0.3%，远小于要求的不大于3%），由此，能保证在电缆长时间运行过程中，不会因为材料吸水导致绝缘性能直线下降，能够稳定有效地进行工作。

　　项目组将电缆的线芯从电缆中取出，取两根线芯做比对试验，将电缆线次电缆的绝缘性能，监测电缆的绝缘性能变化，线芯长期绝缘电阻测试结果见图2。

　　由图2可知：电缆线芯在失去了护套的保护作用之后，电缆线℃的盐水溶液的作用下，在最初的28d内，其绝缘电阻迅速下降了3个数量级，但在随后的很长一段时间内保持着缓慢的下降趋势，196d的绝缘电阻只下降了一个数量级，依然保持绝缘性能完好，能够正常运行。试验证明绝缘线芯拥有良好的耐热和耐水性能，可以长期运行。

　　按照GB/T 26168.2-2010的规定进行了累计计量312kGy的γ射线辐射（辐照剂量率lkGy·h-1），模拟老化试验后性能验证见表3。

　　由表3可知：电缆在进行了热老化和辐照老化后，电缆仍具备一定的柔韧性，还可以通过AC3150V·mm-1 ，5min的耐压试验，老化后的电缆能通过单根和成束燃烧的性能要求，证明电缆能够很好的满足设计的寿命要求。

　　这种稳压器电加热器电缆在技术水平上处于国际的领先水平，在实际应用中能够很好的满足CAP系列稳压器电加热器电缆的使用需求，避免了因为电缆的问题没有办法解决而影响稳压器整体设备的国产化进程。该电缆通过了CAP核电要求的事故工况功能验证试验，能够普遍适用于CAP核电站内可能的应用场景，同时能应用于类似场景的长期高温、高辐照剂量的特殊环境。