作時(shí)間：2022-02-25 來(lái)源：中國核動(dòng)力研究設計院一所 作者：陳建杞 武文超 蔣 波 陸 星 王宏業(yè) 何佳謙 張 城
摘要：通過(guò)分析某研究堆差壓變送器的性能變化和所采取的老化管理措施，討論差壓變送器防老化管理和維護保養的措施。bU0壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
差壓變送器在研究堆中的應用十分廣泛，涉及堆出入口流量、穩壓器液位及一次水流量等安全相關(guān)參數的測量，對反應堆安全運行具有重要意義。部分變送器不易更換，部分所處環(huán)境存在電離輻射，變送器內也可能存在放射性介質(zhì)，這對儀表的長(cháng)期正常使用和測量精度會(huì )帶來(lái)一定影響。筆者針對差壓變送器在研究堆這一特殊環(huán)境下的維護管理進(jìn)行討論，對相似的核電廠(chǎng)環(huán)境及其他工況下的差壓變送器管理具有借鑒意義。
1、工作原理
本研究堆采用的都是電容式差壓變送器，該類(lèi)變送器有高、低兩個(gè)腔室，通過(guò)兩個(gè)腔室不同的壓力作用于敏感元件引起其位移，造成電容變化，經(jīng)電路處理后輸出正比于差壓值的電流信號。電信號通過(guò)電壓/電流轉換器，經(jīng)運算后送至計算機與顯示儀表［1］。電容式差壓變送器測量原理如圖1所示。
目前有多參數、雙法蘭等多種新型一體式差壓變送器，其主要結構特征是將信號處理模塊內置于變送器內，使經(jīng)過(guò)處理的電信號可直接送至顯示儀表，一體式差壓變送器結構示意圖如圖2所示。
2老化與誤差分析
2.1老化影響因素
核電廠(chǎng)中的差壓變送器可能會(huì )因老化而性能下降。例如，在核電廠(chǎng)運行期間或事故發(fā)生后，變送器可能會(huì )因老化或故障而產(chǎn)生漂移、降級。因此需要對變送器進(jìn)行定期測試、校準來(lái)評估預測其老化機理，識別運行中可能出現的非預期行為或退化，來(lái)確定所需的糾正措施。
2.1.1變送器類(lèi)型
根據工作原理，差壓變送器可分為電容式、擴散硅式及
EJA型智能變送器等，其中研究堆和核電廠(chǎng)常采用
電容式差壓變送器。電容式差壓變送器利用彈性元件受壓變形來(lái)改變由可移動(dòng)測壓彈性膜片與固定極板組成的可變電容的電容值，通過(guò)測量由電容改變引起的電流值變化來(lái)測量壓差。長(cháng)期在輻照、高溫、高壓工況下運行使用可
能導致差壓變送器的膜盒性能下降，影響其測量精度［2］。
2.1.2接口與管線(xiàn)
傳感管線(xiàn)中可能存在殘留的工藝流體，部分流體長(cháng)期存在會(huì )腐蝕傳感管線(xiàn)，降低變送器的穩定性。實(shí)際應用中也存在因接口老化而導致漏液、影響測量精度的問(wèn)題。對于流量測量的差壓變送器，還存在一次元件（孔板、彎管、流量噴嘴及文丘里管等）老化帶來(lái)的測量精度影響［3］。
2.1.3環(huán)境應激源
研究堆環(huán)境中存在許多會(huì )影響變送器性能的外部因素，如溫度、濕度、電離輻射及振動(dòng)等［4］。
溫度。主要影響變送器的電子設備，長(cháng)期服役于高溫環(huán)境會(huì )導致電子設備內的芯片、二極管及晶閘管等元件性能下降甚至失效，縮短電子設備壽命。同時(shí)高溫也會(huì )加快水分子通過(guò)密封件的擴散，增加濕度影響。
濕度。影響變送器的電子設備，并可能導致內部部件腐蝕。在核電廠(chǎng)運行期間存在很多蒸汽區域，這些地方濕度可達100%。長(cháng)期工作在這種工況下會(huì )使變送器的有機聚合物密封件腐蝕失效，使水蒸氣滲透到變送器中。此外高濕度還可能導致電子電路短路，也會(huì )削弱絕緣體的絕緣性能。
輻射。研究堆、核電廠(chǎng)部分廠(chǎng)房電離輻射較大，這會(huì )使變送器的彈性體、塑料及金屬結構等材料受到損傷。輻射也會(huì )導致密封件脆化開(kāi)裂，增加填充液的粘度，影響電子設備。
瞬變壓力。差壓變送器在運行工況中經(jīng)常會(huì )受到小壓力波動(dòng)干擾，在停堆及其他突發(fā)事件下則會(huì )持續受到較大的壓力波動(dòng)。這些瞬變壓力不僅會(huì )干擾變送器的測量準確度，還可能加速機械系統中零件的磨損和松動(dòng)。
表1總結了可能導致差壓變送器響應時(shí)間變慢、測量精度降低或完全失效的老化效應實(shí)例［5］。
2.2誤差分析
差壓變送器通常每年需校準1次，以某研究堆每年的校準數據為例定量分析研究堆環(huán)境對變送器的老化影響。
2.2.1測量不確定度u1（p）
該研究堆采用的是電容式差壓變送器，該變送器自1998年啟用，每年都校準合格。早期校準采用平均測量誤差的方式，數據見(jiàn)表2。由于未計算測量工具等引入的不確定度，因此根據測量誤差進(jìn)行不確定度分量換算。
2.2.2多功能校驗儀引入的標準不確定度u2（p）
多功能校驗儀準確度等級為0.1級，輸出電流范圍為10-10~10-3A，按均勻分布評定，置信因子kj取3√，則其引入的電流不確定度u2（I）為：
該變送器量程為20MPa，將u2對應的4~20mA電流信號換算成u2（p），即u2（p）=0.725kPa。
2.2.3標準壓力發(fā)生器引入的標準不確定度u3（p）
校驗所使用的標準壓力發(fā)生器#大覺(jué)對誤差a為3.36×10-6A，置信概率p按95%計算，則置信因子kj=1.96，按照正態(tài)分布評定，其引入的不確定度u3（I）為：
式中I0———電流輸出下限；Id———電流輸出值；Im———電流量程；pm———差壓量程；u3（p）———差壓不確定度。將u3（I）代入式（1）得：u3（p）=0.824kPa。
2.2.4合成不確定度UB（p）
合成不確定度計算公式為：
將1998~2017年的校準不確定度代入式（2），得到的數據經(jīng)擬合后如圖3所示。
由圖3可以看出，在該研究堆儀控系統2012年老化改造之前，差壓變送器合成不確定度隨時(shí)間呈增大趨勢，且增長(cháng)速率也在增大，有超過(guò)變送器0.5級準確度等級要求的趨勢。而經(jīng)過(guò)2012年的一系列老化管理措施后，差壓變送器計量性能得到了明顯改善。
3維護措施及相關(guān)設計
針對2.1節所述的老化影響因素，某研究堆現采用如下設計來(lái)降低差壓變送器老化速率，保證變送器長(cháng)期穩定可靠運行。
3.1一次儀表間優(yōu)化改造
3.1.1恒溫系統設計
老化管理改造中，對一次儀表間進(jìn)行了硬件上的優(yōu)化。增加了恒溫空調系統，維持環(huán)境溫度穩定在19~23℃，避免溫度對儀表帶來(lái)的老化影響。同時(shí)恒溫空調安裝在院秒一次儀表側，避免電磁干擾對測量精度的影響。
3.1.2負壓系統設計
為了保持通風(fēng)，防止濕度過(guò)高和工藝房間可能泄漏的放射性氣體二次泄漏，在一次儀表間改造中設計了負壓系統。出于經(jīng)濟性和避免過(guò)大電磁干擾的考慮，負壓系統采用單真空泵設計。
3.1.3輻射監測設計
一次儀表間為非工藝房間，通常不存在產(chǎn)生較大電離輻射的情況，因此早期沒(méi)有設計輻射監測系統。優(yōu)化改造時(shí)出于安全考慮，在儀表間東、西兩側各設置1個(gè)γ探測器。同時(shí)反應堆儀控系統中已存在低放水監測、低放惰性氣體β監測等系統，能保障儀表幾乎不受電離輻射的影響。改造后的一次儀表間布置如圖4所示。
3.2接口和傳感管線(xiàn)優(yōu)化
由于定期校準導致變送器需經(jīng)常拆卸、安裝，影響接口的密封性。因此本次改造對所有差壓變送器的接口進(jìn)行了密封膠帶處理，同時(shí)重新打磨了部分磨損嚴重的螺紋，并通過(guò)了氣密性測試。之后更換了一些由于電離輻射、腐蝕、生銹而老化的傳感管線(xiàn)，并統一了信號線(xiàn)纜使用，減小瞬態(tài)電流對輸出信號的影響。
3.3七閥組反沖水系統
為了排出表腔和引壓管內的氣體，設立與放射性介質(zhì)隔離的水墊，防止變送器被污染，在使用前需對差壓變送器進(jìn)行反沖水操作。在引壓管和一次儀表間差壓變送器之間安裝一個(gè)二閥組，并在二閥組排污管末端加裝校表專(zhuān)用接頭。以此將填充液充滿(mǎn)變送器正負壓腔和穩壓管，排出表內殘留工藝流體和氣泡，起到保護儀表與提高測量精度的作用。
經(jīng)過(guò)改造將原來(lái)的五閥組反沖水系統改造為七閥組系統，在正、負壓腔引壓管各增加了一個(gè)截止閥。相比于改造前的反沖水系統，七閥組設計能提高系統可靠性，簡(jiǎn)化反沖水操作流程，同時(shí)也使反沖水操作更加安全可靠，降低人因失誤造成儀表?yè)p壞的可能性。
七閥組反沖水設計如圖5所示，其中閥1、2、4、5、6、7、8、9、11為截止閥，閥3為平衡閥，閥13、14為排污塞，閥10為反沖水總閥，閥12為儀表反沖水閥。
4結束語(yǔ)
綜上所述，分析了差壓變送器在研究堆工況中的老化因素，并針對影響因素基于研究堆的特殊性提出了老化預防措施。通過(guò)對實(shí)際校準數據分析證明了反沖水設計、一次儀表間改造等老化管理措施的有效性，對研究堆和類(lèi)似核電廠(chǎng)差壓變送器的維護與管理有一定參考意義。
