核安全級（1E）鉑電阻溫度計(jì)及組件自主化研制

黃美良，陳蜀志，鞠　華，陳　潔，鄭雅文，趙安中，王　華

核安全級（1E）鉑電阻溫度計(jì)及組件自主化研制

黃美良1，陳蜀志1，鞠華2,3，陳潔2,3，鄭雅文2,3，趙安中2,4，王華2,3

（1. 中廣核工程有限公司 廣東 深圳 518172，2. 重慶材料研究院有限公司 重慶 400707，3. 國家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400707，4. 國機(jī)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100050）

依托自主三代核電“華龍一號”技術(shù)需求，中廣核工程有限公司聯(lián)合重慶材料研究院有限公司成功開發(fā)了主回路直接測溫儀表及組件工程樣機(jī)，通過了三代核電環(huán)境條件的質(zhì)量鑒定試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品供貨。研制過程中解決了關(guān)鍵材料、總體結(jié)構(gòu)、加工工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證及性能評價(jià)等技術(shù)難題。

核安全級（1E）；鉑電阻溫度計(jì)；自主化

核安全級（1E）鉑電阻溫度計(jì)用于反應(yīng)堆主回路冷卻劑溫度測量，監(jiān)測流出/流入反應(yīng)堆壓力容器的冷卻劑溫度，以評估反應(yīng)堆熱量導(dǎo)出狀況，對核電站的安全運(yùn)行和發(fā)電效率起著至關(guān)重要的作用。該溫度計(jì)長期承受高溫、高壓、高輻照和高速冷卻劑的沖擊，并要求承受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震考驗(yàn)，因此對產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、完整性等有極高的要求。我國已建成的核電機(jī)組大多屬于二代和二代加堆型，采用旁路方式測量主回路冷卻劑溫度（堆芯出口）。三代核電如AP1000、EPR、VVER等都采用主回路直接測溫方式，測量一回路冷卻劑溫度。同傳統(tǒng)旁路測溫技術(shù)相比，減少了旁路管道帶來的風(fēng)險(xiǎn)，提高了機(jī)組的安全性。

依托自主三代核電“華龍一號”技術(shù)需求，中廣核工程有限公司聯(lián)合重慶材料研究院有限公司成功開發(fā)了主回路測溫儀表及組件工程樣機(jī)，并通過了三代核電環(huán)境條件的質(zhì)量鑒定試驗(yàn)。研制過程中解決了關(guān)鍵材料、總體結(jié)構(gòu)、加工工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證及性能評價(jià)等技術(shù)難題。

重慶材料研究院有限公司因該產(chǎn)品的成功研制取得了“民用核安全電氣設(shè)備設(shè)計(jì)、制造許可證”，具備為民用核設(shè)施供貨的準(zhǔn)入資格。

1　鉑電阻溫度計(jì)原理及組成

由于精度高、體積小、響應(yīng)速度快、耐輻照等特點(diǎn)，鉑電阻溫度計(jì)廣泛應(yīng)用于核設(shè)施的溫度測量。核安全級（1E）鉑電阻溫度計(jì)由鎧裝體、取樣管、外保護(hù)套管、信號輸出組件等組成。

鉑電阻（Pt100）作為常用的溫度計(jì)內(nèi)部敏感元件，其阻值與溫度之間的關(guān)系接近于線性[1]。在-200～0 ℃范圍內(nèi)為：

在0～850 ℃范圍內(nèi)為：

式中：0——0 ℃時(shí)鉑電阻的電阻值；

R——℃時(shí)鉑電阻的電阻值；

、、——為常數(shù)。

=3.908 3×10-3/℃-1，=-5.775×10-7/（℃）-2，=-4.183×10-12/（℃）-4。

由于絲繞元件具有穩(wěn)定性高、使用壽命長的特點(diǎn)，通常核安全級鎧裝鉑電阻選用絲繞元件結(jié)構(gòu)。

2　1E級鉑電阻溫度計(jì)工程樣機(jī)研制

2.1　關(guān)鍵材料研制

2.1.1鉑絲材料研制

高性能微細(xì)鉑絲是核安全級鉑電阻溫度計(jì)關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，然而原有工業(yè)的工藝流程熔煉的鉑錠、鍛造、軋制、拉制等加工獲得的微細(xì)鉑絲成分存在均勻性差、有害微量元素超標(biāo)、力學(xué)性能差、尺寸精度不易控制、產(chǎn)品一致性差等問題。

針對上述問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用經(jīng)提純處理的高純鉑粉（純度≥99.998%）作為原料，添加Rh、Ir、Pd等有益元素和Hf、La、Ce、Gd、Yb等稀土元素（0.02%～0.08%），控制影響耐輻照性能的有害元素（Co、Cu、B、Si、Cd等含量＜30×10-6）。經(jīng)熔煉、熱鍛壓、拉絲、熱處理、清洗等加工工藝流程后，精確調(diào)控材料組分及組織均勻性、有效控制晶粒尺寸并消除內(nèi)部空位等微觀缺陷，獲得高均勻性、高精度、高穩(wěn)定性、長壽命、耐輻照等高性能微細(xì)鉑絲，制備出滿足核安全級鉑電阻溫度計(jì)所需溫度系數(shù)值為（0.003 851±0.000 004）℃-1，直徑為（0.02～0.04）mm的微細(xì)鉑絲[2]。鉑絲的化學(xué)成分及機(jī)械性能如表1所示。

表1　核安全級鉑絲化學(xué)及機(jī)械性能簡表

2.1.2耐輻照、耐腐蝕、抗沖刷保護(hù)管、取樣管材料研制

根據(jù)RCCM-M3301-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，用于制造外保護(hù)套管的Z2 CND17-12（316L）和取樣管的Z2 CN19-10控氮（304N）等奧氏體合金材料的微量元素含量的控制，將主要微量元素的含量控制到Co≤0.026%（指標(biāo)要求：≤0.10%）、S≤0.011%（指標(biāo)要求：≤0.015%）、P≤0.004 7%（指標(biāo)要求：≤0.03%），滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

2.2　關(guān)鍵工藝研究

2.2.1鉑電阻溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間提高工藝研究

鉑電阻溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間0.632（s）是溫度計(jì)性能重要的關(guān)鍵指標(biāo)之一，由于原有工藝制作出的鉑電阻溫度計(jì)內(nèi)部充滿了導(dǎo)熱系數(shù)/（m?℃）為0.023 3的空氣，熱響應(yīng)時(shí)間較長。不能較好的滿足三代核電“華龍一號”的指標(biāo)需求。

溫度計(jì)在加工制作過程中，不可避免的混雜有含水分的空氣，導(dǎo)致溫度計(jì)的性能和熱響應(yīng)時(shí)間下降。由于惰性氣體氦具備易擴(kuò)散和滲透、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高的特性，相同情況下（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，0 ℃），氦氣的導(dǎo)熱系數(shù)/（m?℃）為0.144，是空氣6倍多，常被用作導(dǎo)熱氣體。

為提高鉑電阻溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)結(jié)合鉑電阻溫度計(jì)的制作工藝開發(fā)了一套真空除濕工藝與裝置，并申請了發(fā)明專利。如圖1，在鉑電阻感溫元件鎧裝體封裝之前，將其溫度提升到最高400 ℃±20 ℃，并抽真空至10-1Pa，保溫一段時(shí)間進(jìn)行除濕后再充氦，反復(fù)操作幾次后，在溫度降低至約100 ℃或以下完成封裝操作工藝，最終達(dá)到溫度計(jì)內(nèi)部除濕充氦的效果[4,5]。

圖1　感溫元件及鎧裝體結(jié)構(gòu)

經(jīng)過測試與驗(yàn)證，采用新工藝后鉑電阻溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間得到了顯著的提高（見表2）。

表2　熱響應(yīng)時(shí)間對比表

2.2.2外保護(hù)管強(qiáng)度工藝匹配研究

主回路測溫儀表及組件測量的參數(shù)用于核反應(yīng)堆保護(hù)，該類儀表屬于核安全級（1E）設(shè)備。主回路測溫儀表及組件在主回路冷卻劑設(shè)計(jì)壓力：17.23 MPa和設(shè)計(jì)流速：18.9 m/s條件下，滿足溫度計(jì)功能與熱響應(yīng)時(shí)間0.632≤3.5 s的指標(biāo)及機(jī)械強(qiáng)度要求。為此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開展了總體結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面的研究，達(dá)到了熱響應(yīng)時(shí)間和外保護(hù)管的強(qiáng)度很好匹配，形成如圖2所示保護(hù)管感溫段結(jié)構(gòu)，滿足了指標(biāo)要求。

圖2　保護(hù)管感溫段

（1）理論計(jì)算分析

利用有限元分析軟件建立了溫度計(jì)套管在壓力管道中的流體動(dòng)力學(xué)模型和結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，并運(yùn)用流固耦合（FSI）分析方法在液固界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。以“華龍一號”主管道流體特性和材料安裝在試驗(yàn)管道上，管道內(nèi)介質(zhì)流速為18.9 m/s開展沖刷試驗(yàn)。圖3為1E級鎧裝鉑電阻為奧氏體不銹鋼外保護(hù)管在350 ℃的材料性能為模型輸入，進(jìn)行了應(yīng)力分析，通過Mises等效應(yīng)力失效準(zhǔn)則進(jìn)行判斷[3]：

式中：r——徑向應(yīng)力；

t——切向壓應(yīng)力；

——最大許用應(yīng)力114 MPa；

其中，LHS=1（壓應(yīng)變最大應(yīng)力處）＜1.5，才能滿足安全使用要求。

密封面處等效應(yīng)力為：

LHS=32.5 MPa＜1.5×114；

縮徑處等效應(yīng)力為：

LHS=34.5 MPa＜1.5×114；

綜上分析，溫度計(jì)感溫段的機(jī)械性能強(qiáng)度滿足要求。

（2）沖刷試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證保護(hù)套管強(qiáng)度及帶保護(hù)套管的鉑電阻溫度計(jì)基本測溫功能，根據(jù)EJ/T 1210—2006《壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件模型流致振動(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，及“華龍一號”核電主管道直接測溫組件的技術(shù)要求，將兩套1E級鎧裝鉑電阻溫度阻包括取樣管抗沖刷試驗(yàn)安裝圖。圖4為1E級鎧裝鉑電阻抗沖刷試驗(yàn)實(shí)時(shí)顯示（其中一支只接了一組）。整個(gè)試驗(yàn)過程中溫度顯示正常，無異常情況發(fā)生。

圖3　流體沖刷試驗(yàn)

圖4　流體沖刷試驗(yàn)實(shí)時(shí)溫度顯示

2.3　工程樣機(jī)方案

考慮應(yīng)用場景不同，對信號輸出組件電纜密封連接方式采用不同方案，分別配套了以接線盒式1E級鎧裝鉑電阻（見圖5）、和接插件式1E級鎧裝鉑電阻（見圖6）兩種電氣接口的工程樣機(jī)方案。供用戶根據(jù)現(xiàn)場需求進(jìn)行選配。

圖5　1E級鉑電阻接線盒方案

圖6　1E級鉑電阻接插件方案

3　試驗(yàn)驗(yàn)證及性能評價(jià)

對于新開發(fā)的核電裝備，根據(jù)功能和使用地點(diǎn)的不同，在應(yīng)用到核電工程上以前，都必須在鑒定試驗(yàn)裝置上，按照鑒定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行一系列事故鑒定或標(biāo)準(zhǔn)鑒定，以驗(yàn)證其在核電站事故期間和事故后，在高溫、輻照、腐蝕等惡劣環(huán)境中經(jīng)過長時(shí)間考驗(yàn)后儀表的檢測能力。

該產(chǎn)品的開發(fā)嚴(yán)格按照《核電廠物項(xiàng)設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量保證大綱》和管理程序進(jìn)行控制，對先決條件、模擬件的開工、出廠等環(huán)節(jié)進(jìn)行了嚴(yán)格檢查。此外，根據(jù)HAF 003《核電廠質(zhì)量保證法規(guī)導(dǎo)則》規(guī)定及“華龍一號”技術(shù)規(guī)格書的要求編制了產(chǎn)品的鑒定試驗(yàn)大綱，規(guī)定了工程樣機(jī)質(zhì)量鑒定所采用的試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則，以證明研發(fā)的工程樣機(jī)模擬件在正常和異常運(yùn)行條件、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故期間和事故后特定的運(yùn)行條件下能滿足規(guī)定的功能和性能要求。在參考GB/T 12727《核電廠安全級電氣設(shè)備鑒定》基礎(chǔ)上，所研發(fā)溫度儀表工程樣機(jī)的主要質(zhì)量鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目和順序整理于表3中。

表3　質(zhì)量鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及順序參照表

續(xù)表

工程樣機(jī)的質(zhì)量鑒定試驗(yàn)均由有資質(zhì)的第三方承擔(dān)，過程控制較好，試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均符合華龍一號核安全級（1E）鉑電阻溫度計(jì)的技術(shù)要求。主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4　核安全（1E）鉑電阻溫度計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

4　應(yīng)用與展望

核級設(shè)備開發(fā)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，而且周期較長。滿足三代核電“華龍一號”核安全（1E）級鉑電阻溫度計(jì)工程樣機(jī)，順利通過了技術(shù)規(guī)格書要求和試驗(yàn)大綱規(guī)定的環(huán)境質(zhì)量鑒定試驗(yàn)。該工程樣機(jī)的成功研制離不開設(shè)計(jì)、材料、制造、試驗(yàn)驗(yàn)證、評估、監(jiān)管機(jī)構(gòu)等諸多方面的支持和配合。研制單位因此取得了國家核安全局頒發(fā)的“民用核安全電氣設(shè)備設(shè)計(jì)、制造許可證”，具備為民用核設(shè)施供貨的準(zhǔn)入資格。

展望未來，本產(chǎn)品的成功開發(fā)將帶來以下的影響和后續(xù)工作：

（1）繼續(xù)深入研究，形成系列產(chǎn)品；

（2）延伸到其他類型的溫度儀表的自主化研究，最終實(shí)現(xiàn)全廠溫度儀表的全類型覆蓋；

（3）產(chǎn)業(yè)鏈擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)與溫度儀表配套的電纜，接插件以及接線盒的全面國產(chǎn)化；

（4）行業(yè)借鑒參考，目前關(guān)鍵儀表國產(chǎn)化率較低，此次溫度儀表的成功研發(fā)，可以為正在國內(nèi)興起的儀器儀表國產(chǎn)化和自主化提供很好的借鑒和參考。

［1］ 全國工業(yè)工程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．工業(yè)鉑熱電阻及鉑感溫元件：GB/T 30121/IEC 60751：2008［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［2］ 唐會(huì)毅. 核級鉑電阻溫度計(jì)用微細(xì)鉑絲計(jì)制備方法，中國，CN 111910099 A［P］．2020.

［3］ 馮鄰江．基于FSI分析方法的溫度計(jì)套管應(yīng)力分析［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 2015，34（11）；92-96.

［4］ 鞠華．用于提高鎧裝鉑電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間方法，中國，CN 109029755 A［P］．2018.

［5］ 鞠華．用于提高鎧裝鉑電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間的裝置，中國，CN 208270112 U［P］．2018.

Independent Development of Class 1E Platinum Resistance Temperature Detector

HUANG Meiliang1，CHEN Shuzhi1，JU Hua2,3，CHEN Jie2,3，ZHENG Yawen1,2，ZHAO Anzhong2,4，WANG Hua2,3

（1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd CGN, Shenzhen of Guangdong Prov.518 172，China；2. Chongqing Materials Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing of Sichuan Prov. 400707，China；3. National Instrument Functional Materials Engineering Technology Research Center，Chongqing 400707，China；4. Academy of Science and Technology Co.，Ltd. SINOMACH，Beijing 100050，China）

Relying on the technical requirements of the independent third-generation nuclear power HPR1000, China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., CGN, and Chongqing Materials Research Institute Co., Ltd. successfully developed the primary circuit temperature measuring detector and component engineering prototype, and passed the quality appraisal test of the third-generation nuclear power environmental conditions and realized the product supply. During the development process, technical problems such as key materials, overall structure, manufacturing technology, test verification and performance evaluation were solved.

Class 1E; Platinum resistance temperature detector; Independent development

P414.5+3

A

0258-0918（2021）06-1169-06

2021-01-11

國家科技重大專項(xiàng)課題（2017ZX06004004、2019ZX06002020）

黃美良（1972—），江西撫州人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)主要從事核電儀器儀表設(shè)計(jì)及研發(fā)方面研究