核安全級(jí)高容積傳感器的研制

陳 凱

（上海自動(dòng)化儀表股份有限公司，上海200233）

大型先進(jìn)壓水堆堆芯冷卻液的監(jiān)測(cè)是檢查核電站安全與否的最重要環(huán)節(jié)，為操作人員及時(shí)掌握失水事故的發(fā)生和發(fā)展提供了重要依據(jù)，是反應(yīng)堆失水事故發(fā)生和事故后監(jiān)測(cè)的主要工具，對(duì)核電站的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。從國(guó)內(nèi)的堆芯冷卻液的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)看，除秦山一期改造項(xiàng)目采用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備但由國(guó)內(nèi)集成外，秦山、廣東、江蘇等幾個(gè)核電站的堆芯冷卻液的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全部為進(jìn)口。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)役的商用核電站對(duì)壓水堆堆芯冷卻液的監(jiān)測(cè)多為差壓法測(cè)量，而高容積傳感器是差壓法測(cè)量堆芯冷卻液液位的重要傳感器。高容積傳感器為核安全級(jí)核電站設(shè)備，既要求其在正常環(huán)境條件下正常工作，還要求能在地震載荷下、事故及事故后為環(huán)境條件下仍能發(fā)揮其規(guī)定的功能，故需要具備耐輻照、抗地震和承受高溫、高濕、高壓、化學(xué)噴淋等惡劣環(huán)境的能力，產(chǎn)品的使用壽命40 a以上[1]。

1 高容積傳感器設(shè)計(jì)目標(biāo)

由于高容積傳感器直接測(cè)量核電站一回路介質(zhì)壓力，故需要具備隔離功能，以保證受污染的液體不泄露；同時(shí)，其正常工作環(huán)境要求承受20 MPa以上的靜壓，并具備抗輻照、地震、失水事故（Lost of Coolant Accident，LOCA）3項(xiàng)核級(jí)性能。依據(jù)安裝環(huán)境和功能要求設(shè)計(jì)的高容積傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，制定的設(shè)計(jì)目標(biāo)如表1所示。

圖1 高容積傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 高容積傳感器設(shè)計(jì)目標(biāo)

2 工作原理

本設(shè)計(jì)中，高容積傳感器通過(guò)過(guò)程接管與被檢測(cè)的反應(yīng)堆壓力殼一回路介質(zhì)相連，并通過(guò)充液的毛細(xì)管連接到差壓檢測(cè)儀表。為了適應(yīng)被核污染或具有腐蝕性的介質(zhì)應(yīng)用，高容積傳感器在不銹鋼材料的承壓筒體中內(nèi)置一大容量波紋管，起到隔離密封及進(jìn)行壓力傳遞的作用。當(dāng)對(duì)象液位或壓力發(fā)生變化、使加到傳感器波紋管的壓力發(fā)生變化時(shí)，傳感器波紋管或壓縮或膨脹拉長(zhǎng)，這個(gè)變化通過(guò)毛細(xì)管內(nèi)的液壓傳遞到差壓檢測(cè)儀表上，從而使被測(cè)對(duì)象的液體介質(zhì)不會(huì)接觸到差壓測(cè)量?jī)x表。對(duì)于過(guò)高溫度場(chǎng)合的應(yīng)用，可以增加傳感器過(guò)程接管的長(zhǎng)度，以盡可能地降低傳感器的溫度。同時(shí)，設(shè)有連接傳感器和差壓檢測(cè)儀表的毛細(xì)管接口，也以方便遠(yuǎn)傳測(cè)量。

2.1 液位測(cè)量

液柱產(chǎn)生的壓力取決于其高度和液體的密度，與容器的形狀或容積無(wú)關(guān)。當(dāng)介質(zhì)的密度已知時(shí)，差壓可以用來(lái)?yè)Q算指示介質(zhì)的高度。而核電站一回路介質(zhì)需要與差壓測(cè)量?jī)x表進(jìn)行隔離，高容積傳感器就起到了隔離介質(zhì)的作用。

2.2 壓力測(cè)量

當(dāng)用于壓力測(cè)量時(shí)，高容積密封傳感器作為一個(gè)壓力傳遞的設(shè)備，通過(guò)充液的毛細(xì)管系統(tǒng)將工藝過(guò)程與測(cè)量?jī)x表進(jìn)行隔離。由于高容積傳感器具有一個(gè)可擴(kuò)大容量的波紋管，可以吸收較長(zhǎng)的毛細(xì)管系統(tǒng)中因溫度升高而增加的介質(zhì)容量，以保證壓力測(cè)量的傳遞精度。

2.3 檢測(cè)維護(hù)

在承壓外殼的頂部，設(shè)有一個(gè)1／4美制管螺紋（National Pipe Thread，NPT）螺紋孔，工作時(shí)采用一密封塞（1／4 NPT）將其密封。其作用是：檢測(cè)維護(hù)時(shí)，既可用于釋放壓力，又可用于作為試驗(yàn)使用的壓力輸入端口。

3 關(guān)鍵部件的研制

根據(jù)高容積傳感器的工作特性和要求，本文設(shè)計(jì)研制的關(guān)鍵是波紋管過(guò)載保護(hù)、密封材料和筒體承壓。

3.1 波紋管過(guò)載保護(hù)

高容積傳感器的隔離和壓力傳遞是通過(guò)內(nèi)置的波紋管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這要求波紋管在具有優(yōu)良的壓力傳遞性能的同時(shí)，在介質(zhì)過(guò)度膨脹和過(guò)壓等情況下，仍然具有防止隔離介質(zhì)泄露的能力。針對(duì)此類(lèi)異常工況，在高容積傳感器筒體頂部進(jìn)行限位設(shè)計(jì)，防止波紋管過(guò)度膨脹爆裂；在波紋管內(nèi)部設(shè)置行程桿聯(lián)動(dòng)毛細(xì)管關(guān)閉閥，防止過(guò)壓工況時(shí)波紋管內(nèi)的液體進(jìn)一步泄漏，這樣就可防止被測(cè)對(duì)象介質(zhì)的泄漏，如圖2所示。

圖2 波紋管膨脹與壓縮極限位置

3.2 適應(yīng)事故工況的密封材料

高容積傳感器必須在其壽期內(nèi)能應(yīng)對(duì)事故以及事故后環(huán)境，并仍能夠執(zhí)行其規(guī)定的功能，故其采用的非金屬材料需要具備耐輻照、抗地震和承受高溫、高濕、高壓、化學(xué)噴淋等惡劣環(huán)境的能力。

采用適當(dāng)?shù)拿芊獠牧线M(jìn)行隔離密封是高容積傳感器的另一大關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)丁基橡膠、氟橡膠、硅橡膠和三元乙丙烯橡膠（Ethylene－Propylene Terpolymerisate，EPT）相關(guān)性能的分析對(duì)比（見(jiàn)表2）[2]，在高容積傳感器的外殼密封圈O型圈和擋圈采用了EPT材料，而放棄了耐輻照性差的丁基橡膠和耐沖擊性差的氟橡膠、硅橡膠；同時(shí)，EPT在高溫條件下具有優(yōu)秀的抗壓縮永久形變性能（見(jiàn)圖3），故EPT材料適用于本文設(shè)計(jì)。

表2 橡膠相關(guān)性能比較表

3.3 筒體承壓計(jì)算

為防止一回路介質(zhì)泄漏，高容積傳感器安全工作壓力為20 MPa，設(shè)計(jì)極限壓力為45 MPa，因而連接筒體與端蓋的緊固螺絲是整個(gè)承壓設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，并由工作特性決定了緊固螺絲的受拉承載力需要滿足極限工作環(huán)境要求。緊固螺絲的材料選擇、直徑、數(shù)量以及極限壓力的關(guān)系如下[3]：

圖3 EPT壓縮永久形變能力

其中，P＝45 MPa為極限壓力；S＝12 265 mm2為端蓋承壓面積；N為緊固螺絲數(shù)量；d＝10 mm為緊固螺絲直徑；p＝1.5 mm為緊固螺絲螺紋間距；δ＝700 MPa為不銹鋼316LA4－70抗拉強(qiáng)度。

計(jì)算得N＝13.6。為充分滿足筒體承壓需求，故考慮產(chǎn)品加工制造設(shè)計(jì)N＝16個(gè)。

4 研制產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)[4－7]

4.1 正常運(yùn)行條件

海拔高度≤1 000 m；溫度≤49℃；40 a累積輻射劑量為2×105Gy；公稱工作壓力為20 MPa；差壓測(cè)量范圍上限值為0.3 MPa；X，Y，Z 3軸向地震加速度為5×9.8 m／s2；震動(dòng)頻率為0.2～33 Hz。

4.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件（Design Basis Event，DBE）環(huán)境

（1）主蒸汽管道破裂事故（Main Steam Line Break，MSLB）及LOCA工況下反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)環(huán)境條件：溫度為157.8℃；壓力為0.55 MPa；相對(duì)濕度為100%RH；事故后30 d累積輻射劑量為2.88×105Gy；噴淋水成分中，硼酸濃度為2‰；氫氧化鈉濃度的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（NaOH）＝0.6%；p H值≤10。

（2）嚴(yán)重事故環(huán)境條件：溫度為140℃；壓力為0.48 MPa；相對(duì)濕度為100%RH；事故后3 d累積輻射劑量為2.88×105Gy；事故后30 d的累積輻射劑量為6.71×105Gy；噴淋水成分中，硼酸濃度為2‰；w（NaOH）＝0.6%；p H值為≤10。

（3）地震條件：按設(shè)備安裝的樓層譜進(jìn)行5次運(yùn)行基準(zhǔn)地震（Operational Base Earthquake，OBE）試驗(yàn)和1次安全停堆地震（Safety Shutdown Earthquake，SSE）試驗(yàn)。

4.3 安全功能

經(jīng)受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件的作用，并在事件期間仍能保證安全功能的完整性。

5 結(jié) 語(yǔ)

高容積傳感器的設(shè)計(jì)方案，在承受核電站事故以及事故后環(huán)境條件下，夠確保承壓、隔離一回路介質(zhì)，并準(zhǔn)確地將反應(yīng)堆壓力殼內(nèi)的堆芯液位差壓傳遞至檢測(cè)儀表，完全符合核電站安全監(jiān)測(cè)的要求。隨著國(guó)家大力發(fā)展核電事業(yè)形勢(shì)的發(fā)展，本研制成果改變了反應(yīng)堆安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域技術(shù)完全掌握在國(guó)外手中的局面。目前，該產(chǎn)品已通過(guò)整套核級(jí)試驗(yàn)，并在巴基斯坦去恰?，旊姀S二期工程中成功運(yùn)行。本文研制的在惡劣環(huán)境下承壓、隔離和密封技術(shù)在核電站及化工、醫(yī)藥等其他領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 范正平.GB 12727—2002 核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

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