T-CNEA 105-2022 核电厂安全级阀控式铅酸蓄电池鉴定

ICS27.120.20CCSF83团体标准T/CNEA105—2022核电厂安全级阀控式铅酸蓄电池鉴定Qllalificationofsafetyclassvalveregulatedleadacidbatteriesfornuclearpowerplants2022-06-15发布2022-08-01实施中国核能行业协会发布T/CNEA105—2022A.3老化效应评估 附录B(资料性)阿伦纽斯关系式及老化特性评定举例 B.1阿伦纽斯关系式 B.2正极板栅腐蚀活化能 B.3负极汇流排腐蚀活化能 附录C(资料性)鉴定试验方案举例(10h以上工作周期蓄电池10年和15年鉴定试验) T/CNEA105—2022前言本文件按照GB/T1.12020《标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国核能行业协会提出并归口,技术支持单位为上海核工程研究设计院有限公司、核工业标准化研究所、苏州热工研究院有限公司。本文件起草单位:上海核工程研究设计院有限公司、中国核电工程有限公司、中广核工程有限公司、生态环境部核与辐射安全中心、苏州热工研究院有限公司。本文件主要起草人:顾申杰、冯玉萍、倪丹、沈岩、刘晨、郑睿鹏、孙志明、黄冬艳、陆佩芳、向恒、ⅢT/CNEA105—2022由于相较排气式铅酸蓄电池,阀控式铅酸蓄电池存在更多的失效模式和老化机理,排气式铅酸蓄电池的鉴定方法不能完全适用于阀控式铅酸蓄电池,本文件为开展阀控式铅酸蓄电池组鉴定活动提供了针对性的指导,从而支持安全级阀控式铅酸蓄电池在核电厂的应用。T/CNEA105—2022核电厂安全级阀控式铅酸蓄电池鉴定1范围本文件规定了作为核电厂安全级阀控式铅酸蓄电池及其成套安装支架的鉴定原则、方法和要求。本文件仅适用于安装在核电厂安全壳之外的安全级排气式铅酸蓄电池及其支架的鉴定。其他核设施中的安全级阀控式铅酸蓄电池可参照执行。蓄电池的容量确定、维护、试验、安装等方面的要求未包含在本文件的范围内。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB,/T12727核电厂安全级电气设备鉴定GB/T13625核电厂安全级电气设备抗震鉴定NB/T20028.1核电厂用蓄电池第1部分:容量确定NB,/T20028.42010核电厂用蓄电池第4部分:维护、试验和更换方法IEEE6272010核电厂安全系统设备设计鉴定(IEEEStandardforQualificationofEquipmentusedinNuclearFacilities)3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。阀控式铅酸蓄电池valveregulatedleadacidbatteries带有阀的密封蓄电池,在电池内压超出预定值时允许气体逸出。3.2显著老化机理significantagingmechanism在正常和异常运行环境下,使设备在安装寿期内性能劣化趋势明显的老化机理。4鉴定要求安全级阀控式铅酸蓄电池组,包括成套支架及相关接口,应在安装寿期内满足规定的性能要求,应遵循适用的工业标准进行设计制造,并且在设计、鉴定、制造、质量检验、安装、维护和定期试验等各个环节执行质量保证大纲的要求,其中鉴定部分的要求由本文件规定。阀控式铅酸蓄电池鉴定主要是为了证明其在鉴定寿期内各工况下(包括设计基准事件),能按要求执行安全功能而不发生共因失效。阀控式铅酸蓄电池组的鉴定寿命是指,能够在设计基准事件工况下执行安全功能的设备寿命状态。1T/CNEA105—2022该鉴定寿命一般从首次浮充电开始算起,首次浮充电在安装后还是在储存期间进行,应遵循蓄电池供应商的建议。鉴定可采用型式试验、运行经验或分析等方法来完成,可采用任何单一或组合方法进行,持续鉴定可用于延长鉴定寿命。每一种方法都应证明其合理性。本文件仅就型式试验方法提出详细的程序,对于数学分析方法和其他鉴定的方法只作一般叙述。4.2安全功能及验收准则用于核电厂安全级直流系统、重要仪表及控制不间断电源系统的安全级蓄电池组,应具有充分的能力和充足的容量,保障其供电负荷在电厂各种工况下的运行要求。NB,/'T20028.1推荐以80%额定容量为电池的寿终判定,并建议在蓄电池容量降至80%额定值以下时应予更换。因此,经老化的蓄电池在地震试验期间放电电压或电流未超过5%的突变,并且在地震试验后放电容量不小于蓄电池放电容量额定值的80%,则可判定该蓄电池鉴定合格。应分析鉴定过程中发生的失效,以判明随机失效或共因失效。对于前者,鉴定可在消除故障或对部件整修/替换后继续进行;如果发生了共因失效,原鉴定应终止,可在更新样机设计消除设计缺陷后重新鉴定,或采用同样规格的新样机,按照较低的鉴定参数重新鉴定。4.3使用条件核电厂安全级蓄电池组安装于安全壳外和缓环境区域,地震是唯一适用的设计基准事件(DBE),应通过恰当的布置和或支架设计及安装来避免地震振动的影响。对其性能和寿命产生累积影响的环境因素主要限于温度、相对湿度和辐照(需要时)。作为备用电源,蓄电池组宜长期工作在浮充状态,定期开展包括容量试验在内的充放电试验以进行预防性维修。安装在核电厂的蓄电池通常不会经受影响其寿命的振动,因此,试验程序不必包括振动试验。任何异常振动引起的性能下降,都可在定期容量试验和定期检查时检查出来(参见NB,/'T20028.42010)4.4鉴定样机用于鉴定的代表性样机应具有与所代表产品相同的设计理念、结构、材料、制造工艺、生产过程监测工艺和质保程序,并具有保守度。样机选择应关注电化学反应特性相关的部件和材料,如正负极板、负极汇流排、隔膜材料等的结构型式、成分、尺寸,初始电解液密度等。一般同型号系列中较大容量电池的载荷条件更严酷,鉴定样机的选择宜予优先考虑。鉴定样机宜采用一个产品型号中的一个或数个规格,并基于代表性原则,通过内插或外推覆盖该型号的其他规格。4.5鉴定信息对于蓄电池和/或支架的鉴定,应提供本条款中所概述的信息。无蓄电池的支架的鉴定应包括b)、C)和d)的要求。a)设备技术规范要求。b)鉴定样机选择,包括代表性覆盖范围、型号规格、数量和标识等。C)安装要求,包括配置布局、锚固要求和外部连接接口。d)安装寿期内的预防性维修计划。e)环境条件,包括类别、范围和持续时间,如温度、相对湿度、辐照和地震等。f)电气数据,包括但不限于安时容量、浮充电压、最低电压等。g)预期的放电频次。h)电解液温度为25℃时的鉴定寿命(可通过鉴定试验确定)。非25℃时的蓄电池鉴定寿命的换2T/CNEA105—2022算可以从蓄电池厂家获得。注:温度与寿命的关系呈指数关系。例如,在20℃下运行一个月的寿命增加并不完全抵消在30℃下运行一个月的寿命减少。5鉴定原则和方法5.1鉴定原则为充分证明安全级蓄电池组、支架及其接口能够按要求执行规定的安全功能,所开展的鉴定活动应遵循下列原则。a)遵循鉴定大纲。该文件应明确鉴定活动所需开展的试验、检测、性能评价、验收准则,以及所需的分析,鉴定程序应至少包括老化评估、鉴定寿命目标、裕度、鉴定期间的定期维护和部件更换、验收准则等。b)确保鉴定参数的保守度。应不低于预计的最严酷的运行要求和环境条件进行鉴定,并留有适当的裕度(参见GB/T12727)。C)应分析已知可能的失效模式和导致失效的机理,以确保任何外推或内插的正确性。d)能呈现鉴定基准的文件档案。e)蓄电池组及其支架相关接口都应涵盖同步鉴定,至少包括支架附属配件和外部接线。5.2试验法采用试验法进行鉴定时,为了合理地证明设备满足设计规范书的要求,样机应针对已知环境载荷老化至预期鉴定寿命末状态,并能通过模拟的工况运行试验。5.3运行经验法运行经验可提供外推法的限值、失效模式和失效率等信息。运行经验法的有效性应由一定数量的文件支持,文件应提供蓄电池和支架在此期间的运行条件和性能。5.4分析法用分析法对蓄电池和/或支架进行鉴定时,应建立一个有效的数学模型。数学模型的有效性应通过试验数据、运行经验或自然物理定律来验证。当经受设计基准事件时,鉴定应包括对数学模型的定量分析,逻辑证明蓄电池和/或支架均符合或超过设备设计规范书的要求。分析法用于设备鉴定的数据应与实际相匹配,并能核查。注:由于建模比较复杂,基于目前的技术水平,不推荐使用数学建模方式鉴定蓄电池的寿命。5.5鉴定寿命的延长鉴定寿命的延长应根据GB/T12727的规定,采用下列方法。a)在已鉴定蓄电池在役情况下,对初始鉴定时已老化的蓄电池样机继续进行老化处理(正常老化或加速老化)或对新的蓄电池样机进行老化处理。从中选择至少3个蓄电池进行地震试验和震后性能试验,若通过试验,所增加的寿命可作为额外的鉴定寿命。b)在相同使用条件下额外安装至少3个蓄电池,并经受与在役蓄电池类似的使用条件(至少严酷程度是保持一致)。在初始鉴定确定的鉴定寿命终止前拆除,继续进行老化处理(包括热老化和运行老化)以及地震试验和震后性能试验,若通过试验,新的鉴定寿命就可作为在役蓄电池的鉴定寿命。也可在已鉴定的在役蓄电池运行一段时间后(短于鉴定寿命),从中替换至少3个,对替换出的电池进行上述鉴定试验。3T/CNEA105—2022C)通过分析延长鉴定寿命时,可通过对初始鉴定的环境条件、故障准则和老化加速因子进行保守性评估。确定实际运行条件的严酷程度比初始鉴定条件低时,可将蓄电池定期维护的状态记录、试验记录与其他具有预期鉴定寿命的类似部件相比较,同时结合制造商的建议,调整得到新的寿命。5.6组合法只要在选定的老化过程后进行地震试验和性能试验,就可采用5.2~5.5所述的老化方法组合建立蓄电池的鉴定寿命。注:目前,由于老化的蓄电池的复杂性,不推荐对其进行数学建模。6试验法鉴定试验法鉴定是用于证明或有助于证明蓄电池组及其支架能满足在适用工况下保持安全功能完整性要求的优先方法,相关工作应遵循5.1的原则开展。用于鉴定的样机应从产品中随机取样,并应由至少3个蓄电池联结成组,以模拟包括中间和两端位置电池的状况。其中的联排支架应至少包括2个最小支架单元以模拟验证支架连接情况。注:此处蓄电池数量为鉴定试验中的最低要求,非老化模型求取试验中的试验件数量要求。6.2鉴定程序鉴定试验应基于鉴定大纲开展,试验项目应至少包括辐照老化(需要时)、热老化及运行老化、异常环境试验(需要时)和地震试验,以及各试验后的性能试验等,鉴定流程详见图1。4T/CNEA105—2022图1安全级阀控式铅酸蓄电池试验法鉴定流程上述各项老化试验、异常环境试验、地震试验之后,均应开展性能试验确定样机状态。要求鉴定程序中所有充放电试验(运行老化试验、性能试验)应采用同一方法、同样工作周期进行,因此性能试验应如果性能试验显示样机容量不低于额定容量的80%,则可继续后续试验。否则,应在环境温度下对样机浮充至少72h后再次进行性能试验。容量有效则可继续后续试验,否则,应判定样机失效。5T/CNEA105—20226.3检查在鉴定试验开始前和震后性能试验之后,均应进行外观检验、外形尺寸检查、极性检查、密封性检验、安全阀阀压检验。6.4辐照对于安装在和缓环境的蓄电池组,安装寿期内累积辐照剂量不超过100GY时,不必进行辐照老化。安装场所的累积辐照剂量大于100Gy时,应进行辐照老化模拟(参见GB/T12727),并应在其他老化和地震试验前按规定的剂量和剂量率进行,除非能通过分析排除该要求的必要性。注:100GY=10000rad。6.5老化蓄电池安全功能完整性可能受到环境载荷和运行载荷的累积影响,应有效识别各类老化效应,确定显著老化机理及其等效加速模型,并在鉴定大纲中进行阐述。应在老化试验的过程中有效模拟,以验证显著老化机理不会导致损害设备安全功能完整性的共因故障。对于浮充电状态下的长期老化,可采用自然老化或加速老化的方法进行模拟。采用自然老化样机时,则不必进行上述分析。6.5.2老化分析6.5.2.1失效模式及老化影响分析应基于相关失效模式的机理和影响因素研究,结合寿期使用条件,确定产品核电厂应用的潜在失效模式。根据是否具有老化效应,识别与老化相关的失效模式(参见附录A)。核电厂用安全级阀控蓄电池组一般布置于和缓环境中,处于长期浮充后备状态。此种运行环境和运用模式下的阀控式铅酸蓄电池潜在失效模式如下:a)正极板栅腐蚀;b)失水;C)负极汇流排腐蚀;d)热失控;e)电池漏液;f)安全阀失效。其中热失控不存在老化效应,其失效无老化相关性。6.5.2.2老化效应评估对于具有老化相关性的失效模式,应基于反应原理,分析确定相关的老化机理。应确定可能会与设计基准事件载荷相耦合(或相干)的老化机理,还应对主导性的老化过程进行评价。应依据IEEE6272010中4.4.1识别显著老化机理,从而建立老化模型,并基于最保守的老化模型加速老化模拟设备的寿末状态(参见附录A)。一般情况下,核电厂安全级阀控式铅酸蓄电池的显著老化机理主要包括四个方面:正极板栅腐蚀、负极汇流排腐蚀、壳体(包括密封胶)老化,以及安全阀老化。对于寿期内可能的及预防性维修所涉及的充放电运行,应基于实际情况确定是否需要进行额外的运行老化模拟,详见6.5.5及6.5.6。T/CNEA105—20226.5.3老化特性应基于老化数据确立显著老化机理的活化能,样机热老化模型应采用各老化机理中最低的活化能建立。正极板栅腐蚀、负极汇流排腐蚀、壳体和安全阀热老化均符合阿伦纽斯(Arrhenius)规律,因此,针对每个显著老化机理,均可通过建立温度倒数(1/T)与反应速率对数之间的线性关系确定活化能并建立其阿伦纽斯模型(参见附录B)。各显著老化机理的活化能可通过试验获得,并应遵循以下原则:a)根据需要设置多个有代表性的试验组,每个试验组的样本量不应少于3个;b)试验样本应能表征样机此反应机理的反应速率,应具有代表性但并不一定要采用蓄电池单体;C)应综合所有对反应速率有影响的因素确立试验方案,保证求取的活化能值的保守性。安全阀老化包括热老化和开闭循环运行老化。阀的开闭主要是由充电产生气体的增压驱动,在热老化的高温环境中,气体析出量急剧增加,安全阀开闭循环次数随之增加,远大于常温下的等效开闭次数,因此电池的加速热老化过程可保守覆盖安全阀的运行老化。6.5.4热老化模拟程序根据整机活化能值a确定热老化温度下对应的等效加速老化时间t(t天等效25℃下的一年)。老化温度不宜超过65℃,推荐在60℃下进行加速热老化。应按以下规定对蓄电池进行加速热老化。a)在选定老化温度下,以浮充状态进行老化。b)电解液温度应保持在选定的老化温度,其允许误差范围为1℃~+3℃。C)可在烘箱、烘房中试验,相对湿度不应超过35%。d)蓄电池可采用压紧安装,以真实模拟实际安装方式,并防止老化过程中实际不可能发生的温升而导致的壳体过度膨胀。e)根据等效加速老化时间t确定等效鉴定寿命所需的加速热老化时间。不应为了减少加速老化时间而过度提高老化温度,而使样机引起正常在役时没有的老化机理。6.5.510h及以下工作周期蓄电池运行试验程序样机应处于完全充电状态下,并以一定的放电率放电至单体平均放电终止电压1.75V进行容量试验,然后重新充电。宜使用2h放电率进行放电,2h4h的放电率也可用于进行容量试验。鉴定大纲中所有放电试验应采用同一放电率进行。容量试验应按NB,/T'20028.42010的7.4进行。老化期间电解液温度应保持在所选定试验温度,允许误差应符合6.5.4中b)的要求。在老化结束时,蓄电池应冷却并保持在浮充状态,直到能进行性能试验。性能试验应按NB/T20028.42010中7.4.1的规定进行,并放电至单个蓄电池平均放电终止电压1.75V。每年两次深度放电不会影响工作周期为10h及以下的蓄电池的预期寿命。因此上述程序可相当于鉴定了蓄电池在其鉴定寿命内每年完成两次放电性能试验。如果要求蓄电池在更苛刻条件下工作,应遵循下述程序。a)模拟附加的放电次数时,应在蓄电池浮充时定期冷却,然后放电至单个蓄电池平均放电终止电压1.75V,接着再充电。重复此程序直至预期的附加放电次数。任何一次允许的放电次数不应超过上一个老化期内蓄电池在实际使用期间可能发生的附加放电次数的总和。b)最后一次充电后,试验电池返回到浮充状态,电池表面温度升高到试验值,并继续进行老化试验。蓄电池性能试验结果低于额定值的80%时,应在环境温度下使蓄电池返回到浮充状态重新充电,至少再充电72h,至完全充电状态后重新试验。第二次性能试验结果仍低于额定值的80%时,说明该7T/CNEA105—2022蓄电池失效。应记录所有的试验数据。由于事故或试验设备故障致使蓄电池损坏,应认为蓄电池寿命试验无效。6.5.610h以上工作周期蓄电池运行试验程序由于缺乏运行经验且目前对工作周期大于10h的蓄电池安全级应用需求不多,本节仅给出一种鉴定蓄电池的方法,包括证明蓄电池执行其设计功能的容量和能力的性能试验。根据当前电厂的要求和供货商的知识水平,将使用分为两类,分别用于鉴定工作周期为10h~24h(含24h)的蓄电池和工作周期为24h72h(含72h)的蓄电池,工作周期为10h~24h的蓄电池以24h率进行放电试验,工作周期为24h~72h的蓄电池以72h率进行放电试验。对于工作周期大于72h的蓄电池,应按照此方法制定专门试验方案,用于要求的放电时间。附加放电试验应按以下规定进行模拟运行老化(参见附录C)。a)出厂验收试验。b)预运行试验。C)按每等效24个月老化时间间隔,根据NB,/T20028.42010中L.3.3进行第类更改性能试验,必要时重复进行试验。d)当蓄电池到达85%的预期鉴定寿命时,每年进行一次更改性能试验。e)老化应包括10%的鉴定寿命裕度。f)放电试验次数应模拟预期正常运行最大试验次数并加10%裕度。g)试验中应注意以下细节。1)所有试验的工作周期为:以1min率的80%或基于项目要求的1min放电电流放电1min,接着以24h率或72h率的80%放电24h或72h,然后以10h率放电。当电压下降到平均1.75V蓄电池时,应停止试验。所有时间率都应建立在终止电压1.75V/蓄电池的基础之上。该试验遵循NB/T20028.42010中附录L.3.3的第Ⅲ类更改性能试验的要求。2)使用NB/T20028.1给出的确定容量的方法以1)中给出的工作周期来确定最接近100%容量的时间点。3)充电电流不应超过蓄电池制造商的推荐值。4)将试验蓄电池充满电并按此说明进行老化前试验,接着再充电。5)老化期间电解液温度应保持在所选定的试验温度,允许误差应符合6.5.4中b)的要求。6)加速老化的天数等于表C.1和表C.2中第一列每阶段老化周期乘以等效加速老化时间t。7)在每个老化阶段末,蓄电池应予冷却并保持浮充,直到能够按照附录C进行第Ⅲ类更改性能试验;试验应按照24h或72h的工作周期进行试验,直到单体平均放电终止电压1.75V。8)按e),f),g)步骤重新进行加速老化程序直到持续时间达到等效老化时间应加上10%裕度。9)蓄电池更改性能试验显示小于额定容量的80%时,应在环境温度下使蓄电池返回到浮充状态可重新充电,至少再充电72h,至完全充电状态后继续试验;第二次更改性能试验失败时,说明该蓄电池失效。10)应记录所有试验数据并形成文件。11)事故或试验设备故障致使蓄电池损坏时,蓄电池寿命试验无效。6.6异常环境试验对于安装在和缓环境的蓄电池组,如果安装寿期内存在可能来源于潜在的失去通风系统功能而引8T/CNEA105—2022发的超过正常运行温度的异常环境时,应通过异常环境试验模拟寿期内这种情况对蓄电池造成的性能降低影响,同时验证是否存在热失控的风险。异常环境试验中,蓄电池处于浮充状态,试验应包络寿期可能出现的异常温度、相对湿度情况及持续时间。6.7地震鉴定程序6.7.1蓄电池地震鉴定的试验法加速老化至等效寿命末状态的样机应按照以下要求进行地震试验,以证明老化的蓄电池能够在地震事件之前、之中和之后执行其功能。a)震前应进行性能试验,异常环境试验后的性能试验可以代替此地震试验前的性能试验。试验后的蓄电池应重新充电。b)地震试验期间,蓄电池应连接不小于5A的固定负载放电,宜采用3h放电率的2%放电;试验期间应监视蓄电池电流、电压波动。在地震试验期间应不间断对放电电流和蓄电池电压的记录(以毫秒级采样的数字表计或模拟表计)。地震试验之后,可对蓄电池重新充电。C)应按照GB,/T13625规定的试验程序以特定的楼面反应谱经受地震试验。d)震后进行性能试验。e)进行试验时,应模拟蓄电池的实际安装和连接方式,也应模拟蓄电池上的实际连接情况(如蓄电池监测装置连接到蓄电池上的相关接线或传感器)。f)支架或机柜应为根据抗地震要求所设计的全尺寸支架或机柜的代表,与全尺寸支架或机柜的等效性应经过论证。g)支架或机柜应依照制造商说明书制造并紧固在地震台上,老化过的电池应安装好并按照说明书进行电气连接。装入的蓄电池至少为3个单体,使每排蓄电池组中部和两端蓄电池的电气连接都被模拟到。h)可选取额外的模拟质量块或未老化的蓄电池以达到全尺寸支架或机柜的载荷结构,质量块应与蓄电池具有近似尺寸和质量,并具有相同的重心和机械刚度。应模拟与实际蓄电池相似的电气连接方式和间隔衬垫。i)若非单层布置,应选取地震试验验证最苛刻位置的蓄电池。6.7.2蓄电池地震鉴定分析法6.7.2.1一般要求使用分析法进行蓄电池鉴定应建立相应数学模型(见5.4)。6.7.2.2数学分析法应给出被鉴定蓄电池的有效数学模型。数学模型应建立在已有原理、可验证的试验数据或运行经验数据的基础上。数学模型应包括蓄电池的所有部件和物理特性(包括老化)。关于分析过程序的更多指导参见GB,/'T13625。6.7.2.3验收准则在对蓄电池进行运行基准地震(OBE)分析时,当蓄电池部件(其失效将引起蓄电池允许容量的丧失或减少)的计算应力超过制造商的许用应力时,应认定为失效。在对蓄电池进行安全停堆地震(SSE)分析时,当蓄电池部件(其失效将引起蓄电池允许容量的丧失或减少)的计算应力超过材料的最小屈服应力时,应认定为失效。9T/CNEA105—20226.7.3支架地震鉴定试验法6.7.3.1一般要求通过试验法进行支架鉴定应对模拟实际安装情况的物理实物进行试验。6.7.3.2装有蓄电池的支架的地震试验要求进行试验时,应模拟支架的实际安装情况,装有蓄电池的支架地震鉴定见6.7.1。6.7.3.3不装蓄电池的支架的地震试验要求应使用6.7.1描述的支架和安装程序。应使用虚拟质量块代替蓄电池装满整个支架,质量块应与蓄电池具有近似尺寸和质量,并具有相同的重心和机械刚度。虚拟质量块应模拟与使用与实际蓄电池相似的电气连接方式和间隔衬垫。装配好的支架应以特定的楼面反应谱按照GB/T13625规定的试验程序经受地震试验。6.7.3.4验收准则支架不应出现任何分析时可能不利于蓄电池执行其预期功能的结构失效。6.7.4支架地震鉴定的分析法6.7.4.1一般要求使用分析法进行支架鉴定应建立相应数学模型(见5.4)。6.7.4.2数学分析法应给出被鉴定支架的有效数学模型。数学模型应建立在已有原理、可验证的试验数据或运行经验数据的基础上。应确定支架和蓄电池装配成一体的固有频率。当此频率确定之后,应根据GB,/'T13625选择适用的分析方法并进行分析。6.7.4.3验收准则对支架进行运行基准地震(OBE)分析时,计算的应力不应超过该钢材的规定值;对支架进行安全停堆地震(SSE)分析时,计算应力不应超过材料的最小屈服应力。支架材料不采用钢材时,应采用公认的工业设计标准来确定应力值。7文件鉴定文件应验证蓄电池和支架已通过鉴定并满足了规定的性能要求。文件应包含证明蓄电池和支架合格的数据,并采用可核查的形式。7.2文件档案业主应持有鉴定文件。根据所使用的鉴定方法,文件应包括7.3~7.5列出的内容。7.3试验法的文件要求文件应包括:T/CNEA105—2022a)鉴定信息(见4.5);b)确定要通过试验证明的特性;C)老化分析报告(见6.5.2);d)老化特性研究报告(见6.5.3);e)试验大纲参见GB/T13625;f)试验报告,内容应包括:1)目的;2)试验设备;3)试验装置和使用仪表的说明(包括校准记录的参考文件);4)试验程序、记录频度和输入数据(例如地震的加速度和频谱);5)试验数据和结果的准确度;6)试验人员签名和日期;7)摘要、结论和建议(包括鉴定寿命的报告书);8)支持性数据;9)批准者签名和日期;10)所有的故障、采取的措施及其论证材料。7.4运行经验法的文件要求文件应包括:a)鉴定信息(见4.5);b)蓄电池和支架的接口或边界条件;C)具有运行经验数据的蓄电池和支架的技术规格书;d)确定要通过运行经验证明的特性;e)新蓄电池和支架的技术规格书与上述C)技术规格书的比较;f)适用于蓄电池和支架鉴定的运行经验的来源和摘要;g)判定数据是否合适的依据(包括鉴定寿命的报告书);h)编制者签名和日期;i)批准者签名和日期。7.5分析法的文件要求文件应包括:a)鉴定信息(见4.5);b)蓄电池和支架的接口或边界条件;C)要求分析的特性,假定的失效模式或失效的影响;d)假设、从经验得来的数据和数学模型(连同可使用的合适的证明);e)使用分析方法或计算程序的描述;f)由分析法确定的特性及可接受性的内容摘要,包括鉴定寿命的报告书;g)分析员签名和日期;h)批准者签名和日期。7.6其他信息对于蓄电池和支架材料的可燃性和光洁度,在鉴定中不作要求,但可要求厂家提交供电厂评估。T/CNEA105—2022附录A(资料性)老化分析举例A.1失效模式分析阀控式铅酸蓄电池一般存在下列失效模式:a)正极板栅腐蚀;b)正极活性物质软化;C)负极不可逆硫酸盐化;d)失水,严重时会发生电解液干涸;e)热失控;f)负极汇流排腐蚀;g)微短路;h)电池漏液;i)安全阀失效。其中a)、b)、C)、g)、h)与排气式铅酸蓄电池相同,d)、e)、f)、i)为阀控式铅酸蓄电池特有的4种失效模式。其中微短路通过合理的产品设计和严格的生产工艺控制可避免,产品定型时可通过测试电池荷电保持性能来判断设计及工艺是否会导致电池存在微短路。对于核电厂长期浮充后备的使用工况,正极活性物质软化、负极不可逆硫酸盐化非主导失效机理。A.2老化相关性分析正极板栅腐蚀为电化学腐蚀反应,腐蚀程度随时间累计加剧,板栅强度逐步劣化,内阻逐步增大,从而影响电池容量,存在老化效应。失水是一种涉及多种反应的综合现象,由于阀控式电池不能定期补液,失水量随时间是累计增加的,随着失水量增加会加剧正极板栅腐蚀,也会导致内阻增大,影响电池容量,存在老化效应。热失控是蓄电池在恒压充电时,由于电流和温度相互促进形成恶性循环,快速导致蓄电池损坏的现象。主要诱因是高充电电压及高温,相互叠加促进导致失效,因此无老化相关性。负极汇流排腐蚀为电化学腐蚀反应,随时间累计腐蚀深度逐步加深,汇流排强度逐步劣化,内阻有所增大,大电流性能随之降低,存在老化效应。电池漏液中极柱漏液与槽盖漏液主要由密封胶劣化失效导致,壳体性能劣化也可能在地震情况下发生破裂,壳体与胶均为有机高分子材料,存在老化效应。阀口漏液与安全阀失效相关,应与安全阀失效一同分析。除了材料热老化外,安全阀还存在开闭阀的运行老化。安全阀失效主要由于橡胶帽老化变形引起,橡胶帽和阀体均为有机高分子材料,存在老化效应。A.3老化效应评估A.3.1正极板栅腐蚀正极板栅处于强酸性、强氧化及高电位的环境中,板删上的金属铅会发生腐蚀转换为氧化铅。腐蚀反应会降低板栅机械强度,也会增加电池内阻。随着时间增长,腐蚀会持续增大,导致板栅形变断裂,活性物质脱落,接触内阻增大,电池容量降低。正极板栅腐蚀反应即为该失效模式的老化机理。12T/CNEA105—2022A.3.2失水阀控式蓄电池通过电池内部氧复合设计实现电池密闭,在电池使用过程中无法补充水分。阀控式铅酸蓄电池的失水主要由以下3个方面引起。a)正极板栅腐蚀:正极板栅腐蚀反应(pb+2H2OPbo2+4H+4e)将消耗电解液中的水作为反应物参与反应。b)电池槽壁渗透:由于电池内外水蒸汽压的不同,会引起水分子在电池隔壁内发生渗透。一般电池内的水蒸气压远大于电池环境,因此,电池内的水分子会缓慢地渗透过电池槽壁,引起电池失水。C)气体析出(氧气):阀控式铅酸蓄电池的氧复合效率一般>96%,仍存在少量气体(主要为氧气)通过安全阀逸出于电池内部,造成电池失水。随着使用时间的增长,阀控式蓄电池失水量会逐渐增加,从而引起隔膜饱和度降低、电池内阻增大,电池容量衰减。与该失效模式相关的老化机理为:正极板栅腐蚀、壳体老化、安全阀老化。A.3.3热失控热失控是一种在阀控式蓄电池充电末期,电流和温度发生积累性的相互促进作用、形成恶性循环的失效模式。表现为浮充电流迅速增大,温度升高,电池外壳鼓胀变形,最终导致电池失效。热失控的失效模式由高温叠加高充电电压引发,不存在时间累计效应,无老化效应。核电厂的蓄电池房间正常房间温度一般不超过25℃,浮充电压低于2.25V,通过对温度、电压、电流异常的报警,让操作员及时干预,可有效防止发生热失控。A.3.4负极汇流排腐蚀在氧环境的条件下,氧气和液膜中H+离子、S4离子会与汇流排表面铅反应。由于液膜中电解液浓度会随离开集群距离增大而降低,引起反应极化,导致负极汇流排表层电位升高,使负极汇流排失去阴极保护,在长时间的浮充使用过程中会发生腐蚀,腐蚀形成呈粉末状的硫酸盐层。随着时间增长,腐蚀层会持续增大,引起汇流排机械强度降低,在应力的作用下易于发生断裂,从而导致电池失效。负极汇流排的板栅腐蚀反应即为该失效模式的老化机理。A.3.5电池漏液电池漏液主要表现为极柱漏液、槽盖漏液和阀口漏液。极柱漏液与槽盖漏液主要由胶和壳体失效引起,阀口漏液与安全阀失效相关。与该失效模式相关的老化机理为:胶与壳体老化、安全阀老化。A.3.6安全阀失效阀控式铅酸蓄电池的安全阀主要通过阀的开闭来控制电池内部气压,若失效无法关闭,会导致蓄电池密封失效,空气大量进入电池内部,导致负极活性物质被氧化,容量衰减。若开阀失效会导致电池内气体无法排出,电池壳体破裂。安全阀失效的老化机理包含材料老化与运行老化。A.3.7显著老化机理评定蓄电池一般都布置于安全壳外,位于和缓环境,辐射剂量值<100GY,地震是唯一适用的设计基准事件(DBE)。根据IEEE6272010的准则进行显著老化机理分析,如表A.1所示,确定正极板栅腐蚀、负极汇流排腐蚀为显著老化机理,应要进行老化模拟。由于胶与壳体老化、安全阀老化在正常运行环境下导致13T/CNEA105—2022的设备性能下降程度是否显著存在一定的不确定性,无法排除其老化效应的显著性,因此可保守的纳入显著老化机理,通过人工老化试验模拟其寿期内的工况。表A.1显著老化机理筛选序号老化机理是否影响安全功能是否显著老化是否需要进行老化模拟条件1a条件2b条件3C条件4d正极板栅腐蚀是是2负极汇流排腐蚀√√√√是是3胶与壳体老化不确定不确定是4安全阀老化√√不确定不确定是a在正常工作环境下,一种老化机理与工作在异常或设计基准事件条件下具有同一故障模式。b老化机理有害于设备按其技术规格书的要求执行其安全功能的能力。由老化机理造成的性能下降不能用在役检查或某些监督活动来评价。这些活动为设备在两次监督之间按照技术规格书要求执行其功能的能力提供置信度。d在正常工作条件下,老化机理对设备在设计寿命内引起的性能下降与设计基准事件引起的性能下降相比是相当的。l4T/CNEA105—2022附录B(资料性)阿伦纽斯关系式及老化特性评定举例阿伦纽斯关系式说明化学反应速率和温度之间的函数关系,正极板栅腐蚀反应、负极汇流排腐蚀反应、壳体(包括密封胶)与安全阀的热老化均符合阿伦纽斯公式,本附录仅就正极板栅腐蚀反应和负极汇流排腐蚀反应的老化特性评定给出示例。B.1阿伦纽斯关系式以下给出的反应速率和温度关系的阿伦纽斯关系式,可作为分析求取活化能数据的基本关系式。用于计算反应速率的阿伦纽斯关系式见公式(B.1):K=Aep(ERT)……………(B.1)式中:K化学反应速率,单位为摩尔每秒(molS);E活化能(对于所考虑的温度范围,假定它是常数);R气体常数;T绝对温度,单位为开尔文(K);A'频率因子(假定为常数)。经过简单推导得到公式(B.2):lnk=常数+(1/2.303)(E/RT)…………(B.2)再将公式(B.2)改写成公式(B.3):Y=a十bx…………(B.3)式中:Y=lnk;X=1/T;a=常数;b=E/2.303R,另一个常数。根据公式(B.3)中的Y(即lnk)和X(即1/T)之间的对应关系所得到的相应的实验数据可计算出常数a和b。为此,可以把实验中测得的数据作成曲线,并直观地将通过测量点的最吻合的直线作为计算依据;或者也可用最小二乘法进行更精确的计算。后者可给出更精确的计算结果,直线和测量点之间的均方根差比其他情况下的都小。求得b即可计算得到活化能E。B.2正极板栅腐蚀活化能求取活化能需建立温度倒数(1T)与反应速率对数之间的线性关系曲线,得到曲线斜率。基于电化学反应原理,正极板栅的腐蚀电流可表征反应速率,采用正极板栅作为工作电极,选用合适的辅助电极和参比电极,恒电位充电至电流平衡后,测得的电流值可视为正极板的腐蚀电流值。根据电池特性,综合考虑腐蚀电流的影响因素(温度、电解液密度、极化电位),可基于寿期内的最高电解液密度与最低正极电位测试,保守地获得至少3个温度点的腐蚀电流值及其变化趋势曲线,从而可获得正极板腐蚀的反应速率,即活化能值(如果采用其他方式获取反应速率,应证明其有效性)。其中,保守的电解液密度应基于常温下寿期末的累积失水量确定。鉴于新电池的失水效应最为显著,可将样机置于常温下维持浮充状态半年至1年后进行失水量测定,以获得保守的年均失水率,并外推获得预计寿期末的累积失水量及其对应电解液密度保守值,进而根据浮充电压计算得到正极电位的变化范围。以下给出了一个求15T/CNEA105—2022取示例。选取的样本电池电解液密度为1.28g/cm3,通过初期失水率测试外推整个寿期内的失水量,求得寿期内的电解液密度不会超过1.33g/cm3,根据电解液密度与正负极电位关系,通过能斯特方程计算,可求得寿期内的电极电位在1.20V1.25V选取3个电解液密度值:1.28g/cm3、1.30g/cm3、1.33g/cm3,3个正极电位值:1.20V、1.23V、1.25V,对应5个温度点:25℃、35℃、45℃、55℃、60℃。采用3电位恒电位测试法求取正极板栅腐蚀电流,以正极板作为工作电极,铅板作为辅助电极,Ag/'Ag2S4作为参比电极,恒电位充电1h后测得的电流值认为是正极板栅的腐蚀电流值。分别得出9个状态点不同温度下的腐蚀电流值,建立关系曲线,获得不同状态点对应的正极板栅腐蚀的活化能值。数据统计表可参考表B.1制定,建立反应速率(lnk)与温度(1/T)的曲线可参见图B.1所示,通过斜率可求得不同状态下的正极板栅腐蚀的活化能值,选取其中最小值作为整个寿期内正极板栅腐蚀的活化能值是足够保守的。表B.1正极板栅腐蚀的活化能求取试验数据统计表温度/℃平均腐蚀电流/mA电解液密度:1.28g/cm3电解液密度:1.30g/cm3电解液密度:1.33g/cm3l.20V1.23Vl.25V1.20V1.23V1.25Vl.20V1.23V1.25V25354555注:1.20V/1.23V/1.25V为选取的代表性正极电位。T/CNEA105—2022图B.1不同电解液密度下正极板活化能拟合曲线(a:1.28g/mL;b:1.30g/m