核級壓力變送器傳感器燒結(jié)技術(shù)研究

聶紹忠

(重慶四聯(lián)測控技術(shù)有限公司，重慶 401121)

0 引言

在核電廠中,為了使核島和常規(guī)島的各種設(shè)備安全、經(jīng)濟地運行,必須對壓力加以監(jiān)視和控制。壓力變送器廣泛用于核電廠壓力、液位、流速等工藝參數(shù)的測量，特別是應(yīng)用于核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)壓力參數(shù)、穩(wěn)壓器及蒸汽發(fā)生器液位、一回路冷卻劑流速等測量的壓力/ 壓差變送器,以及參與核電廠保護系統(tǒng)所需工藝參數(shù)的監(jiān)測。壓力變送器對核電廠的安全起到非常重要的作用[1-3]。

核級壓力變送器多為機械式、電感式和電容式,以電容式為主。其原理是敏感元件電容器受到壓力后,電容量產(chǎn)生的變化可以反映被測壓力的變化。通過一定的測量線路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號并放大。該類型壓力變送器具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、過載能力強等諸多優(yōu)點,但同時容易受線路寄生電容、電纜電容和溫度、濕度等外界干擾。

目前，我國核電事業(yè)已經(jīng)起步，且隨著我國經(jīng)濟高速增長，國內(nèi)和援外的核電廠項目發(fā)展很快。但我國目前還不能生產(chǎn)核級壓力變送器，所需的核級壓力變送器全部需要進口。這不但要花費大量外匯，還要受外國的制約。為了擺脫依賴進口的局面，國家支持部分企業(yè)開展核級電容原理壓力變送器研究，并已在防輻射、抗地震等方面取得了一定突破。但國產(chǎn)變送器的常規(guī)性能(如溫度漂移長期穩(wěn)定性)，仍然與國外產(chǎn)品存在著較大的差距，使得產(chǎn)品在國內(nèi)核電廠未得到使用。電容原理變送器影響長期穩(wěn)定性的因素較多。本文對電容原理壓力變送器兩種常用傳感器燒結(jié)材料進行分析，基于性能更穩(wěn)定的材料，研究了一種更合適的傳感器燒結(jié)技術(shù)。

1 電容原理壓力傳感器燒結(jié)材料選擇

電容原理壓力傳感器在形成電容的兩個極板間需要絕緣性能較好的絕緣材，通常采用玻璃燒結(jié)而成[4-6]。目前，常用的有DB-471、DB-404兩種玻璃材料。DB-471成分、物理性能分別如表1、表2所示。

表1 DB-471成分

表2 DB-471物理性能

DB-404成分、物理性能分別如表3、表4所示。

表3 DB-404成分

表4 DB-404物理性能

從表1與表3成分對比可見，玻璃DB-471的鈉(Na)、鉀(K)元素比DB-404高。由于鈉、鉀離子活動性強，玻璃表面易吸潮， DB-471型玻璃燒結(jié)的傳感器在室溫大氣中受空氣濕度影響較明顯，絕緣電阻往往小于20 MΩ甚至更低，大大降低了絕緣強度，傳感器容易產(chǎn)生漂移。由表3與表4物理性能比較可知，DB-404玻璃材料總體也優(yōu)于DB-471。因此，為了降低傳感器受溫、濕度影響，對穩(wěn)定性要求較高的壓力測量變送器應(yīng)選擇DB-404型玻璃材料燒結(jié)傳感器膜座。

2 電容原理壓力傳感器玻璃燒結(jié)應(yīng)力分析

電容變送器傳感器金屬膜座與玻璃燒結(jié)容易破裂，無論是燒結(jié)DB-471玻璃，還是DB-404玻璃，都會出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。特別是DB-404玻璃，沒有一套科學的燒結(jié)技術(shù)很難實現(xiàn)批量生產(chǎn)。這也是國內(nèi)企業(yè)普遍采用DB-471玻璃燒結(jié)傳感器膜座的主要原因[6-9]。

這里分析的玻璃熱應(yīng)力，不是指玻璃結(jié)構(gòu)中的微觀應(yīng)力。玻璃熱應(yīng)力是由于玻璃在冷卻過程中內(nèi)外溫度不一致而引起的。根據(jù)玻璃的冷卻情況不同，所產(chǎn)生的應(yīng)力有暫時應(yīng)力和永久應(yīng)力之分。

2.1 永久應(yīng)力

假設(shè)有一塊具有一定厚度d而面積無限大的玻璃平板，把它加熱到轉(zhuǎn)換溫度Tg以上，隨后冷卻(如置于空氣中自然冷卻)。由于外層玻璃的溫度下降較快，內(nèi)層的溫度下降較慢，玻璃內(nèi)外層有溫度差存在。以下分三階段分析溫度下降時玻璃內(nèi)外層收縮差別的情況。這里只考慮縱向收縮而不考慮橫向收縮。

整個玻璃內(nèi)外層的溫度都高于轉(zhuǎn)換溫度Tg。當玻璃內(nèi)外層隨溫度下降而體積收縮時，盡管玻璃內(nèi)外層存在溫度差ΔT，這時整個玻璃處于Tg之上，即處于熔融狀態(tài)，即使玻璃內(nèi)外層收縮有差異，也會由于玻璃分子的流動而消失。

當T

圖1 永久應(yīng)力變化(T

玻璃外層的溫度T外≤轉(zhuǎn)換溫度Tg，而玻璃的內(nèi)層溫度T內(nèi)>轉(zhuǎn)換溫度Tg。此時外層玻璃開始凝固，內(nèi)層仍處于熔融狀態(tài)。雖然玻璃內(nèi)外層存在溫度差，但內(nèi)層處于流動狀態(tài)，所以可依靠內(nèi)層分子的流動而不致產(chǎn)生應(yīng)力。

溫度繼續(xù)下降，如圖1(a)所示，當T外

(1)

式中：V為降溫速度；Cp為比熱；G為比重；λ為熱導(dǎo)率。

當溫度繼續(xù)下降到室溫時，玻璃內(nèi)層是以比外層高ΔT的溫差下降到室溫的，故內(nèi)層的縱向收縮量應(yīng)比外層大。此時內(nèi)外層玻璃都已固化，互相索制。如果分三層來觀察，如圖1(b)所示，則外面兩側(cè)玻璃的縱向收縮量小，而內(nèi)層收縮量大。但玻璃實際上不能分層，所以內(nèi)外都只能收縮到一個折中位置。這樣，玻璃外層受壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)層則受拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力，如圖1(c)所示。拉應(yīng)力的總和應(yīng)等于總的壓應(yīng)力。這種在冷卻后存在于玻璃內(nèi)部的應(yīng)力稱為永久應(yīng)力。

從以上分析可見，應(yīng)力的大小與ΔT有關(guān)。ΔT的增大導(dǎo)致永久應(yīng)力增大。因此，當玻璃材料一定時，其永久應(yīng)力的大小與玻璃材料降溫速度V有關(guān)：V越大，造成內(nèi)外層溫差越大，導(dǎo)致永久應(yīng)力增加。

總之，玻璃永久應(yīng)力產(chǎn)生的原因是在轉(zhuǎn)換溫度Tg時玻璃內(nèi)外層存在溫度差ΔT所引起的，其結(jié)果是玻璃表面受壓應(yīng)力，內(nèi)部受拉應(yīng)力。

2.2 暫時應(yīng)力

將玻璃材料加熱到轉(zhuǎn)換溫度Tg以上，并設(shè)法讓其緩慢冷卻。當T

圖2 暫時應(yīng)力變化(T

當溫度在Tg附近時，使其內(nèi)外層沒有溫度差，即ΔT=0，如圖2(a)所示。而低于轉(zhuǎn)換溫度Tg以后(這時玻璃已是固體)，可讓其自然冷卻。在降溫過程中，其內(nèi)外層仍會產(chǎn)生溫度差ΔT，見圖2(b)。根據(jù)固體熱膨脹冷收縮原理，玻璃外層收縮將大于內(nèi)層，見圖2(c)。因此，其外層將受內(nèi)層的拉應(yīng)力，而內(nèi)層則受外層的壓應(yīng)力，見圖2(d)。當玻璃溫度降到室溫(或0℃)時，其內(nèi)外層溫度差消失，即ΔT=0。因玻璃內(nèi)外層均由Tg、ΔT降到室溫(或0 ℃)，故內(nèi)外層收縮量一樣，應(yīng)力自行消除。

這種在玻璃冷卻過程中暫時產(chǎn)生，而在常溫下又自行消失的應(yīng)力稱為暫時應(yīng)力。

既然玻璃在降溫過程中，由于內(nèi)外層出現(xiàn)溫度差而產(chǎn)生暫時應(yīng)力，同理，在玻璃加熱較快的升溫過程中，如果其內(nèi)外層存在溫度差，同樣也會產(chǎn)生暫時應(yīng)力。不過此時外層是受壓應(yīng)力，內(nèi)層則受拉應(yīng)力。當玻璃加熱到Tg后，它處于流動狀態(tài)，則暫時應(yīng)力消除(或玻璃雖加熱到T

值得注意的是，玻璃加熱時出現(xiàn)的暫時應(yīng)力與玻璃存在的永久應(yīng)力的方向一致，因此是疊加的。而拉應(yīng)力對玻璃制品的危險性更大，故在玻璃制品加熱時，必須予以充分注意。

通過以上分析，在電容變送器膜座玻璃燒結(jié)過程中，將燒結(jié)最高溫度升高到轉(zhuǎn)換溫度Tg并保溫一定時間，使玻璃在轉(zhuǎn)換溫度處的內(nèi)外層溫度差盡可能小，同時減慢玻璃的降溫速度，以減小玻璃在降溫過程中形成的內(nèi)外層溫度差ΔT、降低玻璃內(nèi)外層的拉壓應(yīng)力。通過實踐證明，改進后電容變送器膜座玻璃燒結(jié)的破損率很小，大大提高了產(chǎn)品合格率。

3 DB-404玻璃燒結(jié)控制技術(shù)

3.1 玻璃燒結(jié)基本要求

首先要選定制造傳感器的金屬合金材料和燒結(jié)玻璃。目前常用的是根據(jù)金屬合金與玻璃的膨脹系數(shù)α的差值特征進行匹配燒結(jié)，即玻璃和金屬合金有相近的膨脹系數(shù)。其次，對燒結(jié)的金屬合金材料表面進行預(yù)氧化處理，以便在燒結(jié)過程中形成化學聯(lián)結(jié)。

為了保證傳感器的技術(shù)要求，且有利于膜座組件的燒結(jié)，在選擇材料時要求金屬合金材料和玻璃應(yīng)滿足以下要求。

(1)金屬合金材料。

①在一定的溫度范圍(室溫至玻璃的軟化點或更寬的范圍)內(nèi)，金屬合金的α應(yīng)盡量保持一致，以便形成匹配燒結(jié)。

②金屬合金材料的熔點要高于玻璃的加工溫度，蒸汽壓要足夠低，并易于加工成各種形狀的零件。

③在燒結(jié)中，合金沒有相組織的變化。

④與玻璃燒結(jié)的合金表面應(yīng)進行預(yù)氧化處理，形成一定厚度的氧化膜。

⑤合金有較高的電導(dǎo)率和一定的熱導(dǎo)性，并具有良好的焊接性能。

合金表面潔凈，無縱向拉痕(包括縱向螺旋拉痕)。

(2)玻璃材料。

燒結(jié)用玻璃材料應(yīng)滿足以下要求。

①玻璃內(nèi)部應(yīng)無砂點、裂紋及氣泡等。

②具有較高的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、電絕緣性能與加工性能。

③具有較低的析晶傾向。

④對金屬氧化物有較好的潤濕性能。

此外，為了提高玻璃與金屬合金的燒結(jié)性能，應(yīng)使金屬合金表面保持一定粗糙度。一方面，這有利于物理粘附表面形成過渡氧化膜，以利于化學粘附。另一方面，在玻璃組織中加入其他元素氧化物(如鋇、稀土元素等)，以提高玻璃對金屬的浸潤性能。

(3)燒結(jié)爐具備的特點。

①溫度控制采用PID調(diào)節(jié)，精度高、熱惰性小，并采用分區(qū)控溫方式，爐溫均勻。

②采用爐罐結(jié)構(gòu)形式，保證了爐內(nèi)長期高度清潔。

③采用保護氣氛加熱，保證工件不氧化。

④爐體風冷并能控制風速，滿足工件的冷速需要。

3.2 燒結(jié)技術(shù)

溫度、時間、氧化膜的厚度及保護氣氛的控制是燒結(jié)的重要參數(shù)。燒結(jié)材料的選擇及相應(yīng)工藝參數(shù)控制對燒結(jié)工件的性能影響至關(guān)重要。

3.2.1 溫度參數(shù)

溫度是燒結(jié)中最關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一，它根據(jù)燒結(jié)類型及材料選擇的不同而不同。燒結(jié)溫度過高，燒結(jié)件中應(yīng)力增大。

3J53與DB-471、DB-404玻璃的線性膨脹系數(shù)曲線如圖3所示。膨脹系數(shù)曲線一致性較好，更利于燒結(jié)。

圖3 膨脹系數(shù)曲線

在圖3的A點處，玻璃DB-471的膨脹系數(shù)α出現(xiàn)拐點，這樣將導(dǎo)致燒結(jié)件質(zhì)量變差。同時，如果燒結(jié)溫度過低，燒結(jié)材料難以進行有效充分的燒結(jié)，且玻璃易開裂。

3.2.2 氧化膜參數(shù)

氧化膜的厚度對燒結(jié)件的透氣率、強度等有著至關(guān)重要的作用。當氧化膜過薄時，燒結(jié)時氧化層完全熔于玻璃，玻璃與合金基體表面的直接燒結(jié)，使燒結(jié)強度下降，氧化層過厚，造成合金基體表面殘留較厚的氧化膜，燒結(jié)工件易發(fā)生強度下降，且對氣密性有一定影響。

圖4為3J53合金氧化膜形成的氯化時間-速率曲線。

圖4 氧化時間-速率曲線

3.2.3 燒結(jié)工藝曲線

DB-471型玻璃的燒結(jié)控制技術(shù)很多壓力變送器企業(yè)都已掌握。對于DB-404型玻璃燒結(jié)，由于成分、性能不同，完全不能按照DB-471型玻璃的燒結(jié)控制技術(shù)進行燒結(jié)。根據(jù)DB-404型玻璃溫度軟化點、玻璃流動性、熱穩(wěn)定性等特性，通過大量試驗研究，得到科學的燒結(jié)方法。

DB-404玻璃與3J53合金燒結(jié)工藝曲線如圖5所示。

圖5 燒結(jié)工藝曲線

4 結(jié)束語

經(jīng)過多年的研究探索，對DB-404型玻璃與3J53合金材料的燒結(jié)制定了一套科學的燒結(jié)控制技術(shù)，解決了電容式傳感器膜座燒結(jié)的關(guān)鍵問題。經(jīng)測試，絕緣電阻達500 MΩ以上，介質(zhì)損耗角小于0.002，保證了傳感器的質(zhì)量。同時，傳感器膜座燒結(jié)合格率達到96%以上，為開發(fā)核電用高穩(wěn)定性壓力變送器奠定了堅實的基礎(chǔ)。