氫氣點(diǎn)火器表面溫度測量替代方案可行性研究

山東核電有限公司 謝謹(jǐn) 郭艷輝 和富凱 劉立凱

1 引言

壓水堆核電站發(fā)生堆芯失水事故時(shí)，燃料棒包殼鋯合金與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，大量氫氣被釋放到安全殼中，存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，威脅安全殼結(jié)構(gòu)完整性[1]。氫氣點(diǎn)火器是第三代核電廠氫氣控制系統(tǒng)的重要設(shè)備，可以可控地引燃安全殼內(nèi)局部聚集氫氣，從而緩解爆炸風(fēng)險(xiǎn)[2]。國產(chǎn)氫氣點(diǎn)火器基于線圈加熱原理設(shè)計(jì)而成，其加熱元件的核心部件為鎳鉻合金加熱絲，加熱絲預(yù)埋在高純氧化鎂中起到絕緣防護(hù)作用，在氧化鎂外側(cè)為鎳金屬防護(hù)層。正常工作時(shí)，點(diǎn)火器加熱元件表面溫度可達(dá)927℃以上，能夠快速引燃周圍氫氣。本研究旨在確認(rèn)通過遠(yuǎn)程監(jiān)測氫氣點(diǎn)火器輸入電源參數(shù)、測量氫氣點(diǎn)火器一般電氣性能，從而得出氫氣點(diǎn)火器性能可靠結(jié)論的可行性，最終替代當(dāng)下氫氣點(diǎn)火器直接表面測溫的方法，使工作人員無須到達(dá)氫氣點(diǎn)火器所在位置，即可判斷氫氣點(diǎn)火器是否滿足要求[3]。

2 試驗(yàn)方法

依據(jù)壓水堆核電站安全分析報(bào)告，氫氣點(diǎn)火器在正常運(yùn)行工況下需要考核環(huán)境溫度、濕度、輻照、氣溶膠、多次檢修啟停等因素針對其性能的影響。因此，設(shè)計(jì)以下試驗(yàn)驗(yàn)證遠(yuǎn)程測量方法可行性。

表面溫度性能試驗(yàn)是建立氫氣點(diǎn)火器輸入電壓、電流與點(diǎn)火元件表面溫度響應(yīng)關(guān)系，分析遠(yuǎn)端電源輸入與點(diǎn)火器溫度性能是否具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，試驗(yàn)過程中控制點(diǎn)火器兩端電壓分別為201V、204V、207V、210V、213V、216V、219V、222.2V。

環(huán)境溫度影響試驗(yàn)是通過調(diào)制不同的環(huán)境溫度，控制點(diǎn)火器輸入電壓為207V，確定環(huán)境溫度針對點(diǎn)火器響應(yīng)性能的影響。輻照影響試驗(yàn)是氫氣點(diǎn)火器累計(jì)輻照劑量4.3X104Gy，輻照劑量率為1X103Gy/h，測量氫氣點(diǎn)火器在不同電壓下的響應(yīng)性能，分析輻照對氫氣點(diǎn)火器性能的影響。熱老化試驗(yàn)是考察點(diǎn)火器經(jīng)歷180℃，時(shí)長296h熱老化測試后性能的變化，并測量氫氣點(diǎn)火器在不同電壓下的響應(yīng)性能，分析熱老化對氫氣點(diǎn)火器性能的影響。通斷電試驗(yàn)是通過控制氫氣點(diǎn)火器間斷啟停，共計(jì)360 次，并測量氫氣點(diǎn)火器在不同電壓下的響應(yīng)性能，分析反復(fù)啟停對氫氣點(diǎn)火器性能的影響。

濕度影響試驗(yàn)是控制氫氣點(diǎn)火器環(huán)境濕度在10%～95%RH 之間，選擇五個(gè)濕度試驗(yàn)點(diǎn)，并測量氫氣點(diǎn)火器在不同電壓下的響應(yīng)性能，分析濕度對氫氣點(diǎn)火器性能的影響。氣溶膠試驗(yàn)是采用超細(xì)硫酸鋇與空氣預(yù)混形成1g/m3氣溶膠，氫氣點(diǎn)火器在試驗(yàn)箱內(nèi)與氣溶膠接觸12h 以上，測量氫氣點(diǎn)火器在不同電壓下的響應(yīng)性能，分析氣溶膠對氫氣點(diǎn)火器性能的影響。

試驗(yàn)過程中，點(diǎn)火器與測量及控制設(shè)備連接，輸入交流電源經(jīng)過交流穩(wěn)壓器處理，排除不同供電周期電源的不穩(wěn)定性因素。采用交流調(diào)壓器調(diào)制不同輸入電壓，通過一臺智能電量測量儀監(jiān)測氫氣點(diǎn)火器兩端電壓及輸入電流。采用兩臺ZHI-I 型氫氣點(diǎn)火器作為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)編號分別為ZHI-I-01及ZHI-I-02，采用一臺紅外測溫儀測量氫氣點(diǎn)火器點(diǎn)火元件表面溫度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

兩臺氫氣點(diǎn)火器在室溫情況下，表面溫度性能試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1A 顯示，隨著輸入電壓逐漸升高，點(diǎn)火器的達(dá)到927℃時(shí)間逐漸減小，且輸入電壓與點(diǎn)火器溫度達(dá)標(biāo)時(shí)間具有較高的線性關(guān)系。顯然，隨著點(diǎn)火器輸入電壓升高，點(diǎn)火器的加熱功率逐漸增加，發(fā)熱功率提高，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間變短。圖1B 顯示，隨著輸入電壓逐漸升高，點(diǎn)火器的輸入電流逐漸增加。圖1C 顯示，隨著輸入電壓逐漸升高，點(diǎn)火器的表面穩(wěn)定溫度逐漸增加，點(diǎn)火器表面溫度與輸入電壓呈線性關(guān)系。以上結(jié)果表明，點(diǎn)火器的響應(yīng)性能與輸入電壓具有較高的線性關(guān)聯(lián)。

圖1 表面溫度性能試驗(yàn)結(jié)果

控制兩臺氫氣點(diǎn)火器的輸入電壓為207V，通過電熱板加熱或冰塊降溫的方法調(diào)整試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度在25～57.2℃，并測量不同溫度點(diǎn)氫氣點(diǎn)火器的響應(yīng)性能。環(huán)境溫度影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖2A顯示，隨著環(huán)境溫度變化，兩臺氫氣點(diǎn)火器的溫度達(dá)標(biāo)時(shí)間波動(dòng)約為2～3s，未出現(xiàn)明顯變化。圖2B顯示，在環(huán)境溫度變化時(shí)，點(diǎn)火器的輸入電流未出現(xiàn)改變。圖2C顯示，兩臺點(diǎn)火器穩(wěn)定溫度隨著環(huán)境溫度變化，波動(dòng)不超過20℃，且都在927℃以上并有較大的裕度，說明點(diǎn)火器穩(wěn)定溫度不受環(huán)境溫度影響。綜上所述，環(huán)境溫度在25～57.2℃范圍內(nèi)變化時(shí)，不足以引起氫氣點(diǎn)火器表面溫度散熱性能的明顯變化，不會(huì)導(dǎo)致氫氣點(diǎn)火器表面穩(wěn)定溫度偏離。

圖2 環(huán)境溫度影響試驗(yàn)結(jié)果

兩臺氫氣點(diǎn)火器在接受規(guī)定劑量輻照前后，輻照性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3A顯示，在輻照之后，點(diǎn)火器ZHI-I-01的響應(yīng)時(shí)間變化不超過2s，點(diǎn)火器ZHI-I-02的響應(yīng)時(shí)間變化不超過5s，可以認(rèn)為在測試誤差范圍以內(nèi)。圖3B顯示，輻照后，氫氣點(diǎn)火器的響應(yīng)電流幾乎與輻照前一致，從測試的直流電阻可以看出，輻照前后并未發(fā)生變化。圖3C顯示，輻照前后，兩臺點(diǎn)火器在不同電壓下的穩(wěn)定溫度對比均不超過10℃，輻照試驗(yàn)并未對其表面溫度性能造成影響。所以在規(guī)定的輻照強(qiáng)度條件下，點(diǎn)火器性能不受輻照因素的影響。

圖3 輻照性能試驗(yàn)結(jié)果

兩臺氫氣點(diǎn)火器整機(jī)在經(jīng)歷熱老化測試前后熱老化性能試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4A顯示在熱老化后點(diǎn)火器ZHI-I-01 的響應(yīng)時(shí)間變化不超過2s，點(diǎn)火器ZHI-I-02 的響應(yīng)時(shí)間變化不超過5s，在測試誤差范圍內(nèi)。圖4B顯示熱老化后，點(diǎn)火器的響應(yīng)電流幾乎與熱老化前一致。圖4C顯示熱老化前后，兩臺點(diǎn)火器在不同電壓下的穩(wěn)定溫度對比均不超過10℃，在規(guī)定電壓范圍內(nèi)點(diǎn)火器表面溫度均達(dá)標(biāo)。老化試驗(yàn)未對其表面溫度性能造成影響。在規(guī)定的老化溫度范圍內(nèi)，點(diǎn)火器性能不受老化因素影響。兩臺點(diǎn)火器整機(jī)ZHI-I-01、ZHI-I-02經(jīng)過通斷電試驗(yàn)考核前后，通斷電試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖5A顯示點(diǎn)火器ZHI-I-01 的響應(yīng)時(shí)間變化不超過2s，點(diǎn)火器ZHI-I-02 響應(yīng)時(shí)間變化不超過5s，在測試誤差范圍以內(nèi)。圖5B 顯示，點(diǎn)火器的響應(yīng)電流幾乎通斷電循環(huán)前后一致，從測試的電阻看出通斷電前后未發(fā)生變化。圖5C 顯示通斷電試驗(yàn)前后，兩臺點(diǎn)火器在不同電壓下的穩(wěn)定溫度對比均不超過10℃，在規(guī)定電壓范圍內(nèi)點(diǎn)火器表面溫度均達(dá)標(biāo)。360 次通斷電循環(huán)未對其表面溫度性能造成影響。

圖4 熱老化性能試驗(yàn)結(jié)果

圖5 通斷電試驗(yàn)結(jié)果

兩臺氫氣點(diǎn)火器ZHI-I-01 （上）、ZHI-I-02（下）調(diào)制溫濕度情況下，濕度影響試驗(yàn)結(jié)果。圖6A和6D顯示，在不同濕度條件下，點(diǎn)火器ZHI-I-01 的響應(yīng)時(shí)間變化不超過3s，點(diǎn)火器ZHI-I-02 的響應(yīng)時(shí)間變化不超過3s，可以認(rèn)為在測試誤差范圍以內(nèi)。圖6B 和6E 則顯示，在不同濕度條件下，氫氣點(diǎn)火器的響應(yīng)電流幾乎一致。圖6C 和6F 顯示，不同濕度條件下，兩臺點(diǎn)火器在不同電壓下的穩(wěn)定溫度波動(dòng)約為15℃，且并未隨濕度改變出現(xiàn)規(guī)律性變化。所以濕度并未對其表面溫度性能造成影響。

圖6 濕度影響試驗(yàn)結(jié)果

兩臺氫氣點(diǎn)火器ZHI-I-01、ZHI-I-02 在抗氣溶膠試驗(yàn)前后，抗氣溶膠性能試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 抗氣溶膠性能試驗(yàn)結(jié)果

圖7A 顯示，在抗氣溶膠試驗(yàn)之后，點(diǎn)火器ZHI-I-01的響應(yīng)時(shí)間未變化，點(diǎn)火器ZHI-I-02的響應(yīng)時(shí)間變化不超過2s，可以認(rèn)為在測試誤差范圍以內(nèi)。圖7B則顯示，在抗氣溶膠試驗(yàn)之后，氫氣點(diǎn)火器的響應(yīng)電流幾乎與試驗(yàn)前一致。圖7C顯示，在抗氣溶膠試驗(yàn)之后，兩臺氫氣點(diǎn)火器在不同電壓下的穩(wěn)定溫度對比均不超過10℃，顯然，抗氣溶膠試驗(yàn)并未對其表面溫度性能造成影響。

根據(jù)測試結(jié)果，計(jì)算得出兩臺氫氣點(diǎn)火器全新狀態(tài)與經(jīng)歷過所有試驗(yàn)。老化前與老化后氫氣點(diǎn)火器功率與溫度趨勢如圖8所示。從圖8 中可以看出ZHI-I-01（上）、ZHI-I-02（下）試驗(yàn)件經(jīng)過老化后，溫度性能沒有出現(xiàn)明顯的惡化，視在功率與穩(wěn)定溫度具有極強(qiáng)的正相關(guān)性。

圖8 老化前與老化后氫氣點(diǎn)火器功率與溫度趨勢

氫氣點(diǎn)火器的表面溫度性能與其視在功率具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，該關(guān)聯(lián)性不受環(huán)境溫度、輻照、熱老化、多次通斷電試驗(yàn)、環(huán)境濕度、氣溶膠等影響。通過測量點(diǎn)火器的輸入電壓及電流得到視在功率的方法，判斷點(diǎn)火器表面溫度是否達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)語

通過考核兩臺氫氣點(diǎn)火器對調(diào)制試驗(yàn)條件的耐受性，可以得出結(jié)論,隨著電壓升高，溫度達(dá)標(biāo)時(shí)間逐漸降低、表面穩(wěn)定溫度逐漸提高，且氫氣點(diǎn)火器的表面溫度不受環(huán)境溫度、輻照、熱老化、多次通斷電試驗(yàn)、環(huán)境濕度、氣溶膠等因素影響。在核電站大修期間，可以通過遠(yuǎn)方監(jiān)測氫氣點(diǎn)火器的視在功率來判定氫氣點(diǎn)火器合格與否。