核電端子排故障實驗研究及優化改進

樊曉樂，王志武，涂 畫，姚力愷

核電端子排故障實驗研究及優化改進

樊曉樂，王志武，涂 畫，姚力愷

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州，215004）

針對某核電廠端子排故障率高的現象，對該電廠環境參數進行監測，并設計試驗條件進行鹽霧和濕熱加速試驗，結合試驗結果以及端子排內部結構、材料明確了端子排腐蝕的主要劣化因子為鹽霧潮濕。通過試驗環境下端子壓降、銅片腐蝕量與現場環境下銅片腐蝕量的關聯，建立壽命預測模型。最后對目前主流端子排進行結構特性分析，從氣密性結構優化、選擇耐腐蝕材料、安裝機柜環境改進、預防性維護四個方面給出端子排可靠性提升改進建議。

端子排；腐蝕；加速試驗；壽命；氣密性

儀控端子排作為核電廠控制、保護、顯示等信號傳輸的連接器件，其可靠性對電廠穩定運行起到不可忽視的作用。相比電氣用端子排，儀控端子排傳輸毫安級電流信號。端子排經常出現接觸不良、絕緣下降、發霉銹蝕、誤碰等引起的信號傳輸失效[1,2]，目前研究主要為結構優化方面的改進，包括端子箱內部防凝露、防潮優化改進[3-5]，端子排增加防護罩或者擋板[7,8]。

某商運十年以上核電廠端子排出現老化、觸點腐蝕、接觸不良、信號波動等現象，大部分故障率高端子排所在環境惡劣，存在高溫、高振動、高腐蝕、高濕度的情況。為明確故障原因，對該電廠故障端子排進行環境測試、金屬學測試、選取不同結構端子排進行鹽霧、濕熱加速老化試驗，明確了端子排的故障演變趨勢、劣化因子、性能對比，同時將試驗環境與現場環境相關聯，建立壽命預測模型，最后針對目前市場主流端子排進行結構分析，結合試驗結果和環境測試情況給出該電廠端子排的改進建議。

1 原理及現狀介紹

儀控端子排主要用于電流或者電壓信號的傳輸，連接電纜線徑一般為1～4 mm，通過工具將電纜壓接到線鼻子并連接至端子排，端子排安裝在機柜導軌上，導軌分為U型和G型，目前新型端子排多為U型導軌安裝。端子排的內部連接結構多樣，有直插式連接、回拉彈簧式連接、螺釘式連接、螺栓連接、免剝線連接等方式，每種接線方式特點及適用場合不同，在后續做詳細分析。所分析電廠故障端子排為螺釘彈簧式連接或螺釘式連接，其結構如圖 1所示，線鼻子安裝在接線腔體中并通過螺釘以及彈簧反作用實現固定連接，橋接件實現端子兩端信號的傳輸。

端子排故障主要表現為內部金屬構件銹漬、腐蝕、接觸電阻變大，如圖2所示。統計該電廠端子排故障歷史：泵站/汽輪機/主發電機/柴油機相關區域故障比例占61%，熱電偶溫度探頭電纜連接端子排故障比例占25%。故障率高端子排所在區域有如下規律：泵站靠近大海，濕度鹽霧最大；汽輪機、發電機附近等區域振動、溫度較高。端子排腐蝕的劣化因子可能為：溫度、溫差、濕度、濕度變化、大氣成分（硫化物、氯化物）[9]。

圖1 螺釘式彈簧端子排

圖2 故障端子排內部表現

2 原因及試驗分析

2.1 環境測試

選取端子排故障率高的兩個典型區域泵站和汽輪機，將溫濕度實時記錄儀、腐蝕環境表征銅測試片（純度99.9%以上）、氯離子采集干片在現場投樣40天對環境參數進行監測。溫濕度測量數據如表1所示，汽機相較于泵站溫度較高，泵站相較于汽機濕度較高，兩區域溫度變化和濕度變化幅度相對平緩。采用干片法[10]對泵站進行監測，具體結果如表2所示，表明泵站存在氯化物腐蝕介質，腐蝕等級為S2級[10]。

表1 泵站和汽機各項環境數據

表2 泵站氯離子沉積率監測結果

通過陰極還原法還原銅測試片表面的腐蝕產物膜并計算腐蝕產物膜總厚度來進行環境腐蝕嚴酷度監測[11]。與試驗前具有銅金屬光澤的測試片相比，兩處的銅測試片金屬光澤暗淡，其中泵站的測試片表面有明顯的銅綠生成，腐蝕程度相對比較嚴重，汽機處銅片則以紅棕色銅的氧化物為主（見圖3）。對銅片腐蝕產物進行定性和定量分析，分析結果如表 3 所示，結果表明泵站和汽機均存在一定的腐蝕性，銅金屬在環境中的腐蝕反應主要以生成銅的氧化物（Cu2O和CuO）為主，未見Cu2S生成，說明兩處環境中均無硫化物類（如H2S、S2-等）腐蝕性介質存在。泵站環境等級為G3，端子等電子電器產品在該腐蝕性水平的環境中運行，會受到較為嚴重的腐蝕影響[12]。

圖3 現場環境腐蝕性監測銅片實物圖

表3 現場標準銅測試片腐蝕量測試結果

2.2 加速老化試驗

現場環境測試結果排除了溫差大、濕度變化大、硫化物的腐蝕影響，下一步對該電廠端子排新備件開展鹽霧試驗和濕熱試驗確定劣化因子，每項試驗放置三個端子排平行樣，試驗進行時投放相同試驗周期的銅測試片。在試驗過程中，定期對端子排樣品電壓降以及銅測試片腐蝕量進行觀察和測量。

（1）鹽霧試驗

設置試驗溫度（35±2）℃、氯化鈉溶液濃度（50±5）g/L、pH（6.5～7.2）、鹽霧沉降量為（1.5±0.5）mL/h進行中性鹽霧加速試驗800 h，觀察時間間隔分別為：96 h，168 h，336 h，500 h和800 h。試驗效果如圖4和圖5所示，隨著試驗時間增加端子核心金屬部件和觸點腐蝕程度越來越嚴重，在96～168 h試驗初期時，端子金屬部件和觸點已出現明顯發黑的腐蝕現象并有少許白銹生成，到336～500 h試驗中期，端子金屬部件和觸點表面幾乎已被黑色腐蝕產物銹層所覆蓋，且夾雜一定量的白銹和紅銹，直至800 h試驗后期，金屬部件和觸點表面已完全被黑色腐蝕產物所覆蓋，白銹和紅銹的生成量也較之前增多。在336 h，2號樣品出現無法導通現象，對應電壓降為208.9 mV，而1號和3號樣品沒有出現失效，對應電壓降為182.3 mV和191.8 mV，選擇208.9 mV作為端子排失效臨界壓降。試驗最后樣品最大電壓降為433.9 mV。

圖4 336 h（左）和800 h（右）端子排鹽霧試驗實物圖

圖5 不同鹽霧試驗周期銅片腐蝕實物圖

通過非線性回歸擬合銅片腐蝕量與試驗時間關系滿足公式（1）及圖6，擬合端子電壓降與試驗時間關系滿足公式（2）及圖7。該關系符合冪函數關系，滿足金屬在腐蝕環境中的動力學規律。

式中：鹽霧——鹽霧試驗銅片腐蝕量，μm；

鹽霧——鹽霧試驗端子電壓降，mV；

——時間，d；

2——相關系數的平方。

圖7 鹽霧試驗端子電壓降與試驗時間的擬合曲線（a），平行樣誤差棒（b）

（2）濕熱試驗

選擇兩處區域中環境溫度（最高溫度為44.7 ℃）和相對濕度（最高相對濕度為72%）最為嚴苛的水平來指導濕熱試驗（1 000 h）：設置試驗溫度（50±2）℃、相對濕度（85±3）%，觀察時間間隔分別為100 h，250 h，500 h，750 h，和1 000 h。試驗效果如圖8和圖9所示，端子排金屬部件和觸點以及銅測試片在整個濕熱試驗期間都保持與初始狀態區別較小的金屬光澤，且整個試驗期間測試端子排均處于導通狀態，最大電壓降為28.0 mV，距離失效壓降208.9 mV差距較大，銅片總體未表現出明顯的腐蝕跡象。端子電壓降變化量和銅片腐蝕量與時間的關系滿足冪函數關系，如公式（3）、公式（4）和圖 10所示。

式中：濕熱——濕熱試驗銅片腐蝕量，μm；

濕熱——濕熱試驗端子排電壓降，mV；

——時間（d）；

2——相關系數的平方。

圖8 端子排濕熱試驗實物圖

圖9 750 h（上）和1 000 h（下）銅片濕熱試驗實物圖

圖10 濕熱試驗端子電壓降與試驗時間的擬合曲線（a）及平行樣誤差棒（b）

2.3 原因分析

（1）對比兩種試驗數據及結果：濕熱試驗全程端子排導通，而鹽霧試驗中端子排在336 h就出現無法導通現象，對比圖7、圖10同樣時刻鹽霧試驗端子排電壓降遠大于濕熱試驗，金屬及觸點腐蝕狀況也比濕熱試驗惡劣。

（2）選取該電廠故障端子排進行掃描電鏡能譜分析，在端子排固定橋接件、接線腔體以及線鼻子位置均觀察到明顯的腐蝕樣貌，在接線腔體檢測到點蝕凹坑，通過能譜儀測試腐蝕產物中含有氯元素、測試橋接件基材成分為黃銅表面鍍錫、測試腔體基材成分為鋼表面鍍鋅。

（3）核電廠泵站距離海邊較近，空氣中存在鹽霧和潮濕，同時端子排接線腔體氣密性差，氯化鈉在端子排內部潮濕環境中電離成氯離子和鈉離子，其中氯離子具有一定的水合能，極易吸附在端子排內部金屬表面附著的微液滴上，增大溶液的導電性從而使金屬加速腐蝕，端子腔體（鋼）鐵和碳之間，以及腔體與橋接件鐵與銅之間，在周圍介質下形成原電池化學腐蝕[13]，此外，氯離子離子半徑相對較小，很容易穿透端子排金屬表面的保護膜，進一步加速腐蝕和點蝕。

綜上可以明確該電廠端子排腐蝕主要劣化因子為鹽霧，端子排內部結構設計缺陷引起的氣密性差以及導電材料選擇不當更是加速了電化學腐蝕的發生[13-15]。

2.4 壽命預測

根據2.1中環境腐蝕嚴酷度監測數據，計算現場環境下銅測試片腐蝕量與時間的經驗關系[11]，如公式（5）所示。結合試驗室環境數據公式（1）、公式（2）、公式（3）、公式（4），將現場環境下銅片腐蝕量與試驗環境下銅片腐蝕量作為連接變量，通過公式計算試驗中端子排失效電壓降臨界值對應時刻的銅片腐蝕量，推算現場環境下端子排失效壽命，從而建立試驗環境與現場環境的關聯，建立壽命預測模型。

式中：monthly——平均月腐蝕量；

現場——現場實測銅片腐蝕量；

——常數[11]；

——實際投放時間。

濕熱環境下端子排性能幾乎不發生改變，鹽霧為端子排的腐蝕劣化因子，因此選用鹽霧條件下的壽命數據作為參考，估算壽命如表4所示。

表4 端子壽命預估

3 改進建議

本節主要從結構、環境、材料、預防性維修幾個方面研究端子排可靠性提升改進建議。

（1）目前市面上主流端子排主要包括直插式連接、回拉彈簧式連接、螺釘式連接、螺栓連接、免剝線連接等方式。氣密性不好的端子排容易接觸外部環境發生腐蝕，宜選用抗腐蝕性好的直插式連接、免剝線連接。

（2）端子排導電金屬材料主要為銅、銅合金、鋼、鐵，鍍層為鋅、鎳、錫，該電廠端子排鹽霧潮濕環境下其腔體（鋼）本身、腔體和導電橋接件（銅合金）之間、腔體和線鼻子（銅合金）之間容易引入電位差發生電化學反應。同時鋼/鐵比銅電阻大，導電性較差，耐腐蝕性能差。因此盡量選擇導電接觸面材質相同或者無線鼻子（不引入電位差）的端子排，避免選擇導電金屬為鋼、鐵的端子排。選取市面上A、B兩個廠直插式、銅合金材料的端子排與該電廠端子排進行鹽霧對比試驗，結果如圖11所示，表明直插式銅合金導體的端子排抗腐蝕性能優于電廠端子排。

（3）該核電廠臨海，易受鹽霧的侵蝕，對于關鍵端子排以及安裝機柜應增加密封、控溫控濕及鹽霧凈化裝置，去除環境中的鹽霧，并通過空調控制空氣的溫度、濕度。

（4）參考2.4中端子排的預測壽命，對端子排進行定期維護以及更換，可每次大修期間對端子排進行緊固、松動檢查、觸點電阻檢查，對連接重要信號端子排進行定期更換，更換周期參考預測壽命。

圖11 不同端子排鹽霧試驗對比

4 結論

對某核電廠端子排進行環境測試和鹽霧、濕熱加速老化試驗，同時針對目前市場主流端子排進行結構分析，可得出如下結論：

（1）該電廠端子排腐蝕主要劣化因子為鹽霧潮濕；

（2）端子排內部結構設計缺陷引起的氣密性差以及端子排腔體材料（鋼）的選擇加速了觸點的腐蝕；

（3）可從氣密性結構優化、選擇耐腐蝕材料、安裝機柜環境改進、預防性維護四個方面進行可靠性提升。

同時，端子排可靠性提升還有下述幾點說明：

（1）嚴格來說，端子排失效臨界電壓降在191.8～208.9 mV，按照191.8 mV計算其壽命為24.3月，與208.9 mV計算的壽命27.1月相比，誤差相差不到3個月，對于電廠最小維修單元18個月（換料周期）而言，3個月的誤差可以接受；

（2）由于某些客觀條件限制，環境監測樣品無法精準地放置于端子所在機柜，僅能對機柜外部環境進行監測，使得銅片腐蝕規律與真實數據存在一定偏差；

（3）本次試驗監測周期為40天，無法覆蓋全年情況，可能導致經驗公式（5）有所偏差，后續考慮全年監測環境參數；

（4）該電廠熱電偶接線端子排為常規端子排，熱電偶測量原理為塞貝克效應：即依靠不同金屬產生電勢差。當導線接到普通端子排上時，由于接觸到其他金屬，無法保持“金屬平衡”，外界材料的引入喪失熱電偶信號強度完整性，后續可針對熱電偶連接端子進行分析和選型。

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Experimental Investigation and Optimization of Terminal in Nuclear Power Plant

FAN Xiaole，WANG Zhiwu，TU Hua，YAO Likai

（Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou of Jiangsu Prov. 215004，China）

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 the damp heat experiment have been conducted by designing reasonable experimental conditions. The findings suggest the main deterioration factor of the terminal is salt based on the experimental results, the internal structure and materials. A life prediction model is developed by building relation between terminal voltage drop, copper corrosion amount in experimental environment and copper corrosion amount on the site. Finally structure characteristics of the current main terminals have been investigated and studied. Terminal reliability of the plant can be improved by optimizing airtight structure, choosing corrosion-resistant material, improving conditions of cabinet and carrying out preventative maintenance.

Terminal; Corrosion; Experiment; Lifespan; Airtight

TL36TL421

AA

0258-0918（2023）03-0653-07

2022-02-08

樊曉樂（1990—），女，山西運城人，工程師，碩士研究生，現主要從事儀控可靠性相關研究