核級(jí)壓力變送器設(shè)備鑒定樣機(jī)的選型方法及實(shí)踐

李曉濤

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0 引言

核級(jí)壓力變送器是保障核電機(jī)組安全可靠運(yùn)行的控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的儀表之一，根據(jù)我國(guó)相關(guān)法規(guī)[1]及標(biāo)準(zhǔn)要求，需要通過(guò)分析、型式試驗(yàn)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等設(shè)備鑒定的方法，證明設(shè)備在規(guī)定的運(yùn)行條件和環(huán)境條件下能保持規(guī)定的準(zhǔn)確度和性能要求。

型式試驗(yàn)是設(shè)備鑒定的首選方法，但是對(duì)所有類別的核級(jí)壓力變送器均進(jìn)行型式試驗(yàn)不太現(xiàn)實(shí)，以中廣核“華龍一號(hào)”技術(shù)路線為例，全廠共計(jì)有800余臺(tái)，70余種規(guī)格型號(hào)的核級(jí)壓力變送器，且鑒定等級(jí)存在差異，受試驗(yàn)裝備條件、試驗(yàn)時(shí)間及成本等因素的制約，樣機(jī)數(shù)量不宜過(guò)多。因此，需要對(duì)核級(jí)壓力變送器設(shè)備鑒定樣機(jī)的選型方法進(jìn)行研究，選擇適宜數(shù)量的具有代表性的設(shè)備鑒定樣機(jī)，實(shí)施相應(yīng)的設(shè)備鑒定試驗(yàn)，將樣機(jī)鑒定的合格結(jié)論外推至“相似”設(shè)備，從而達(dá)到驗(yàn)證所有的核級(jí)壓力變送器能夠滿足核電廠規(guī)定的運(yùn)行條件和環(huán)境條件下完成預(yù)期功能的目的。

本文主要圍繞核級(jí)壓力變送器設(shè)備鑒定樣機(jī)選型的要求、樣機(jī)選擇方法，分析總結(jié)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)鑒定樣機(jī)代表性的論述，并進(jìn)行“華龍一號(hào)”核級(jí)壓力變送器鑒定樣機(jī)選型的實(shí)踐，指導(dǎo)設(shè)備鑒定工作。

1 設(shè)備鑒定樣機(jī)選型的要求

IEEE 323標(biāo)準(zhǔn)[2]中規(guī)定，鑒定樣機(jī)必須在設(shè)備設(shè)計(jì)、材料和制造過(guò)程方面可以代表實(shí)際安裝的設(shè)備，并給出了樣機(jī)鑒定結(jié)論外推至“相似”設(shè)備必須滿足的代表性準(zhǔn)則，包括：①結(jié)構(gòu)材料須相同或相當(dāng)，如存在差異需證明相關(guān)差異對(duì)設(shè)備的安全功能沒(méi)有不利影響；②在基礎(chǔ)配置一致的前提下，尺寸需相同或等比例相似，如存在差異需考慮不同表面區(qū)域熱影響及抗震影響，并證明相關(guān)差異對(duì)設(shè)備的安全功能沒(méi)有不利影響；③外形需相同或相似，如存在差異需證明相關(guān)差異對(duì)設(shè)備的安全功能沒(méi)有不利影響；④外推設(shè)備的運(yùn)行及環(huán)境應(yīng)力應(yīng)不大于樣機(jī)經(jīng)受的正常或異常環(huán)境條件下的應(yīng)力；⑤樣機(jī)的老化機(jī)理應(yīng)包絡(luò)擬外推設(shè)備的所有老化機(jī)理；⑥樣機(jī)和外推設(shè)備的功能必須相同。

核級(jí)壓力變送器屬于1E級(jí)電氣儀控類產(chǎn)品，NB/T 20344《核電廠安全級(jí)電子設(shè)備鑒定規(guī)程》[3]中也對(duì)鑒定試驗(yàn)樣機(jī)提出了具體建議，包括：①功能代表性，具有典型的功能輸入輸出特性；②產(chǎn)品類型代表性，選擇足夠的電子模塊覆蓋產(chǎn)品功能配置；③機(jī)械結(jié)構(gòu)代表性，安裝方式、產(chǎn)品尺寸、重量等具有相似的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性；④應(yīng)用配置代表性，電氣連接、接口應(yīng)相同或相似；⑤軟件代表性，如產(chǎn)品內(nèi)置軟件，樣機(jī)應(yīng)使用具有代表性的軟件和診斷程序。

綜上標(biāo)準(zhǔn)所述，電氣儀控類產(chǎn)品樣機(jī)鑒定合格結(jié)論外推至“相似”設(shè)備的代表性原則是樣機(jī)與實(shí)際設(shè)備屬于一個(gè)設(shè)備“類別”或“系列”，要具有相同的工作原理、設(shè)備功能，相同或相似的硬件結(jié)構(gòu)、材料、接口特征[4]。樣機(jī)組合覆蓋產(chǎn)品全部功能的電子模塊，鑒定環(huán)境條件應(yīng)包絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行及環(huán)境應(yīng)力要求，鑒定樣機(jī)組合的規(guī)格型號(hào)、性能參數(shù)具備典型性。

2 設(shè)備鑒定樣機(jī)的選型方法

中廣核“華龍一號(hào)”技術(shù)路線核級(jí)壓力變送器的總數(shù)量有800余臺(tái)，根據(jù)技術(shù)規(guī)格書及數(shù)據(jù)表的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)及選型，共計(jì)70余種規(guī)格型號(hào)，且相同規(guī)格型號(hào)設(shè)備標(biāo)定量程存在差異。

基于上文對(duì)設(shè)備鑒定樣機(jī)選型要求的論述，以下將從設(shè)備工作原理、硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)備材料、內(nèi)部電路原理、外部接口等方面對(duì)中廣核與上海洛丁森聯(lián)合研發(fā)的RP1990系列核級(jí)壓力變送器的鑒定樣機(jī)選型方法進(jìn)行論述。

2.1 樣機(jī)代表性的分析要素

RP1990系列核級(jí)壓力變送器采用變極距差動(dòng)電容原理，傳感器的制作基于金屬電容技術(shù)路線。其電路功能具備零位、滿位、線性、阻尼的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整功能，其中頻次相對(duì)較高的零位、滿位調(diào)整無(wú)需打開表蓋，由專門的調(diào)整機(jī)構(gòu)在殼體外部操作實(shí)現(xiàn)，頻次較低的線性、阻尼調(diào)整需開蓋操作。樣機(jī)代表性的分析要素包括以下幾個(gè)方面：

1）基本型RP1990系列核級(jí)壓力變送器的硬件結(jié)構(gòu)主要由傳感器部件（傳感器膜盒）、電子部件、承壓部件、表殼部件（電子倉(cāng)）、電纜連接器以及安裝支架構(gòu)成。保持基本型壓力變送器其他部件不變，將承壓部件中的法蘭夾板更換為由毛細(xì)管連接遠(yuǎn)傳法蘭的夾板，并加裝遠(yuǎn)傳法蘭部件，則構(gòu)成RP1995系列遠(yuǎn)傳法蘭變送器。

2）按鑒定類別可分為RP1991（K3）、RP1992（K2）、RP1993（K1/SA）3個(gè)類別、4個(gè)鑒定等級(jí)，其中K1和SA類設(shè)計(jì)完全相同，僅鑒定要求不同[5]。

3）按壓力測(cè)量類別可分為差壓變送器（DP）、壓力/表壓變送器（GP）、絕壓變送器（AP）3個(gè)類別，3類壓力變送器原理相同，結(jié)構(gòu)類似。

4）RP1990系列產(chǎn)品共涉及8個(gè)量程規(guī)格，其代號(hào)分別為2、3、4、5、6、7、8、9，量程上限達(dá)到25MPa，覆蓋核電站測(cè)量要求。其中，差壓產(chǎn)品的靜壓等級(jí)包括：0MPa、1MPa、7MPa、14MPa、25MPa共5個(gè)等級(jí)。

5）產(chǎn)品的敏感元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)完全相同，K1類產(chǎn)品傳感器部件與表殼部件為焊接連接，以保證LOCA環(huán)境下的產(chǎn)品耐受能力；K2及K3類產(chǎn)品傳感器部件與表殼部件為螺紋連接，通過(guò)O型密封圈實(shí)現(xiàn)環(huán)境壓力密封。

6）產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)完全相同，為滿足不同鑒定條件下環(huán)境工況的使用，電子元器件選型有所差異，其中K1、K2、SA類完全相同。

7）產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征及材料選項(xiàng)包括膜片材料、過(guò)程接口、泄放閥、電氣連接等選項(xiàng)。其中，膜片材料選項(xiàng)包括316L不銹鋼、HASC哈氏C合金；過(guò)程接口選項(xiàng)包括卡套接頭、1/4NPT（F）、遠(yuǎn)傳法蘭選項(xiàng)；泄放閥選項(xiàng)包括堵頭、泄放閥；電氣連接所用的快速連接器分別選用經(jīng)過(guò)相應(yīng)鑒定等級(jí)的定型產(chǎn)品，其中K1類產(chǎn)品電纜連接器包含K1電纜，K2及K3類產(chǎn)品不含電纜，SA類產(chǎn)品電纜連接器與K1類相同，另有包括直通、彎頭的選項(xiàng)。

綜上，RP1990系列核級(jí)壓力變送器的樣機(jī)代表性的分析要素至少包括鑒定類別、壓力型式、量程規(guī)格、結(jié)構(gòu)特征及材料、靜壓等級(jí)，并兼顧量程比、零點(diǎn)遷移、阻尼功能等應(yīng)用配置。

2.2 樣機(jī)代表性的選型方法

根據(jù)上述相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求，結(jié)合產(chǎn)品樣機(jī)的選型分析要素，依照覆蓋全部量程規(guī)格、不同壓力型式、不同靜壓等級(jí)、不同膜片材料、不同電纜連接器型式及泄放功能選項(xiàng)，兼顧量程比、零點(diǎn)遷移、隔膜密封、阻尼功能等應(yīng)用特點(diǎn)的樣機(jī)選型原則，參照?qǐng)D1所列流程實(shí)施選型。

圖1 樣機(jī)選型方法Fig.1 Prototype selection method

1）樣機(jī)類別代表性

樣機(jī)應(yīng)包含被鑒定設(shè)備的所有設(shè)備類型。樣機(jī)類別包括鑒定類別和壓力類別兩類，樣機(jī)應(yīng)包含全部鑒定類別和壓力類別，樣機(jī)的每個(gè)鑒定類別的樣機(jī)數(shù)量建議不少于3臺(tái)[6]。

由于壓力變送器本質(zhì)上是差壓變送器，僅因參考腔壓力不同而區(qū)分為差壓、壓力（表壓）、絕壓3個(gè)類別，差壓變送器和壓力（表壓）傳感器采用相同的結(jié)構(gòu)和原理，絕壓變送器整體結(jié)構(gòu)類似，僅在低壓側(cè)增加一個(gè)絕壓零位參考腔。由于差壓變送器的考核指標(biāo)多于其它兩個(gè)類別，因此樣機(jī)選型以差壓變送器為主。

2）樣機(jī)功能代表性

樣機(jī)應(yīng)具有被鑒定設(shè)備的典型功能，同時(shí)應(yīng)考慮系統(tǒng)功能的重要性、復(fù)雜性和全面性。

核級(jí)壓力變送器的功能為：實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓力的監(jiān)測(cè)并以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。所有樣機(jī)均需符合上述功能要求。由于部分測(cè)點(diǎn)需進(jìn)行阻尼設(shè)置，因而部分樣機(jī)選型需包含阻尼功能。

3）樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)代表性

樣機(jī)應(yīng)具有與被鑒定設(shè)備相似的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性。樣機(jī)按1:1原型尺寸制作，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如重量及其分布、重心、剛性、接口關(guān)系等與產(chǎn)品一致。

樣機(jī)的安裝方式為單一安裝方式，因此所有樣機(jī)均配套安裝支架選型。

4）樣機(jī)應(yīng)用配置代表性

樣機(jī)應(yīng)具有與被鑒定設(shè)備相似或更嚴(yán)酷的配置，包括溫升、電氣連接、機(jī)械應(yīng)力、接口、負(fù)荷等。樣機(jī)按1:1原型尺寸制作，與被鑒定設(shè)備設(shè)計(jì)相同、老化效應(yīng)相同、負(fù)荷相同。

5）樣機(jī)軟件代表性

軟件（如有）配置應(yīng)帶有實(shí)際運(yùn)行中使用的具有代表性的軟件和診斷程序，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

3 華龍一號(hào)的鑒定實(shí)踐

中廣核與上海洛丁森聯(lián)合研發(fā)的RP1990系列核級(jí)壓力變送器的鑒定樣機(jī)，依據(jù)上述樣機(jī)代表性的選型原則和選型方法產(chǎn)生。

3.1 樣機(jī)類別代表性

樣機(jī)類別包括鑒定類別和壓力類別兩類。

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，K1類與SA類設(shè)計(jì)完全相同，僅鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目有所差異。

所有產(chǎn)品的電路原理完全相同，為滿足不同鑒定條件下環(huán)境工況的使用，電子元器件選型有所區(qū)別。其中，K1、K2、SA類完全相同，K3類則存在個(gè)別器件的差異。

鑒定樣機(jī)總數(shù)為19臺(tái)，按產(chǎn)品類別分類。其中，差壓類別為12臺(tái)，表壓和類別為4臺(tái)，絕壓類別為3臺(tái)。按鑒定等級(jí)分類，K1類為9臺(tái)，K2類為3臺(tái)，K3類為4臺(tái)，SA類為3臺(tái)。

樣機(jī)類別分析詳見表1。

表1 樣機(jī)類別分析Table 1 Prototype category analysis

3.2 樣機(jī)功能代表性

鑒定樣機(jī)覆蓋全部量程規(guī)格，并參照依托項(xiàng)目和研發(fā)技術(shù)規(guī)格書的功能位置碼的對(duì)應(yīng)要求確定校準(zhǔn)量程和靜壓等級(jí)（僅差壓），同時(shí)體現(xiàn)量程壓縮、量程遷移的代表性，在類別代表性的基礎(chǔ)上，量程規(guī)格詳見表2。其中：量程比最大為5.5，量程遷移包括正遷和負(fù)遷，最大遷移量為最大量程的44%，靜壓等級(jí)包括1MPa、7MPa、14MPa、25MPa，覆蓋華龍一號(hào)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求；為覆蓋阻尼功能要求，K1,、K2、K3類各有1臺(tái)樣機(jī)具備阻尼功能。

表2 量程覆蓋性分析Table 2 Range coverage analysis

3.3 樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)代表性

根據(jù)核級(jí)壓力變送器技術(shù)規(guī)格書的要求，選取1臺(tái)K3類樣機(jī)，其接液膜片材質(zhì)為HASC材質(zhì)，以滿足海水介質(zhì)測(cè)量要求。

鑒定樣機(jī)的過(guò)程接口覆蓋：卡套接頭、1/4NPT(F)，并包含遠(yuǎn)傳法蘭結(jié)構(gòu)型式，泄放選項(xiàng)覆蓋：堵頭和泄放閥兩種型式。機(jī)械結(jié)構(gòu)代表性詳見表3。

表3 機(jī)械結(jié)構(gòu)代表性Table 3 Representation of mechanical structure

鑒定樣機(jī)的電氣連接包含直頭、彎頭兩種型式，其中包含有4臺(tái)彎頭型式的鑒定樣機(jī)。

3.4 樣機(jī)應(yīng)用配置代表性

樣機(jī)按1:1原型尺寸制作，包含安裝支架，不同的電氣連接、不同的接口連接方式。因此，樣機(jī)與被鑒定設(shè)備設(shè)計(jì)相同、老化效應(yīng)相同、負(fù)荷相同。

3.5 樣機(jī)軟件代表性

RP1990核級(jí)壓力變送器采用純模擬電路進(jìn)行信號(hào)變送，無(wú)可編程部件及內(nèi)置軟件，因此不涉及軟件代表性的分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

核級(jí)壓力變送器在“華龍一號(hào)”核電站中應(yīng)用廣泛，數(shù)量及規(guī)格型號(hào)多樣，在研發(fā)及供貨過(guò)程中對(duì)所有的型號(hào)進(jìn)行設(shè)備鑒定是不現(xiàn)實(shí)的，因此必須選取具有代表性的產(chǎn)品樣機(jī)完成設(shè)備鑒定，而樣機(jī)的代表性分析是樣機(jī)選取的重點(diǎn)工作之一，也是鑒定合格結(jié)論能否成功外推的關(guān)鍵因素。

本文圍繞設(shè)備鑒定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鑒定樣機(jī)代表性的準(zhǔn)則進(jìn)行分析，結(jié)合核級(jí)壓力變送器的研發(fā)及鑒定的實(shí)踐需要，對(duì)這一類產(chǎn)品的樣機(jī)代表性的選型方法進(jìn)行研究，并合理確定樣機(jī)數(shù)量及類別、功能、結(jié)構(gòu)等方面的代表性，用于指導(dǎo)產(chǎn)品的鑒定試驗(yàn)工作。