差壓變送器在研究堆中老化管理的應(yīng)用研究

陳建杞 武文超 蔣 波 陸 星 王宏業(yè) 何佳謙 張 城

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院一所）

差壓變送器在研究堆中的應(yīng)用十分廣泛，涉及堆出入口流量、穩(wěn)壓器液位及一次水流量等安全相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，對(duì)反應(yīng)堆安全運(yùn)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(nèi)也可能存在放射性介質(zhì)，這對(duì)儀表的長(zhǎng)期正常使用和測(cè)量精度會(huì)帶來一定影響。 筆者針對(duì)差壓變送器在研究堆這一特殊環(huán)境下的維護(hù)管理進(jìn)行討論，對(duì)相似的核電廠環(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，該類變送器有高、低兩個(gè)腔室，通過兩個(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(hào)。 電信號(hào)通過電壓/電流轉(zhuǎn)換器，經(jīng)運(yùn)算后送至計(jì)算機(jī)與顯示儀表［1］。 電容式差壓變送器測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 電容式差壓變送器測(cè)量原理

目前有多參數(shù)、雙法蘭等多種新型一體式差壓變送器，其主要結(jié)構(gòu)特征是將信號(hào)處理模塊內(nèi)置于變送器內(nèi)，使經(jīng)過處理的電信號(hào)可直接送至顯示儀表， 一體式差壓變送器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 一體式差壓變送器結(jié)構(gòu)示意圖

2 老化與誤差分析

2.1 老化影響因素

核電廠中的差壓變送器可能會(huì)因老化而性能下降。 例如，在核電廠運(yùn)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(jí)。因此需要對(duì)變送器進(jìn)行定期測(cè)試、校準(zhǔn)來評(píng)估預(yù)測(cè)其老化機(jī)理，識(shí)別運(yùn)行中可能出現(xiàn)的非預(yù)期行為或退化，來確定所需的糾正措施。

2.1.1 變送器類型

根據(jù)工作原理， 差壓變送器可分為電容式、擴(kuò)散硅式及EJA型智能變送器等， 其中研究堆和核電廠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改變由可移動(dòng)測(cè)壓彈性膜片與固定極板組成的可變電容的電容值，通過測(cè)量由電容改變引起的電流值變化來測(cè)量壓差。

長(zhǎng)期在輻照、高溫、高壓工況下運(yùn)行使用可能導(dǎo)致差壓變送器的膜盒性能下降，影響其測(cè)量精度［2］。

2.1.2 接口與管線

傳感管線中可能存在殘留的工藝流體，部分流體長(zhǎng)期存在會(huì)腐蝕傳感管線，降低變送器的穩(wěn)定性。 實(shí)際應(yīng)用中也存在因接口老化而導(dǎo)致漏液、影響測(cè)量精度的問題。 對(duì)于流量測(cè)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）老化帶來的測(cè)量精度影響［3］。

2.1.3 環(huán)境應(yīng)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(shè)備，長(zhǎng)期服役于高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備內(nèi)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(shè)備壽命。 同時(shí)高溫也會(huì)加快水分子通過密封件的擴(kuò)散，增加濕度影響。

濕度。 影響變送器的電子設(shè)備，并可能導(dǎo)致內(nèi)部部件腐蝕。 在核電廠運(yùn)行期間存在很多蒸汽區(qū)域，這些地方濕度可達(dá)100%。 長(zhǎng)期工作在這種工況下會(huì)使變送器的有機(jī)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(dǎo)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、核電廠部分廠房電離輻射較大，這會(huì)使變送器的彈性體、塑料及金屬結(jié)構(gòu)等材料受到損傷。 輻射也會(huì)導(dǎo)致密封件脆化開裂，增加填充液的粘度，影響電子設(shè)備。

瞬變壓力。 差壓變送器在運(yùn)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(xù)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(cè)量準(zhǔn)確度，還可能加速機(jī)械系統(tǒng)中零件的磨損和松動(dòng)。

表1總結(jié)了可能導(dǎo)致差壓變送器響應(yīng)時(shí)間變慢、測(cè)量精度降低或完全失效的老化效應(yīng)實(shí)例［5］。

表1 導(dǎo)致差壓變送器性能下降的老化效應(yīng)

（續(xù)表1）

2.2 誤差分析

差壓變送器通常每年需校準(zhǔn)1次， 以某研究堆每年的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為例定量分析研究堆環(huán)境對(duì)變送器的老化影響。

2.2.1 測(cè)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(zhǔn)合格。 早期校準(zhǔn)采用平均測(cè)量誤差的方式，數(shù)據(jù)見表2。 由于未計(jì)算測(cè)量工具等引入的不確定度，因此根據(jù)測(cè)量誤差進(jìn)行不確定度分量換算。

表2 差壓變送器歷年校準(zhǔn)不確定度數(shù)據(jù)

2.2.2 多功能校驗(yàn)儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2（p）

多功能校驗(yàn)儀準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1級(jí)，輸出電流范圍為10-10～10-3A，按均勻分布評(píng)定，置信因子kj取，則其引入的電流不確定度u2（I）為：

該變送器量程為20 MPa，將u2對(duì)應(yīng)的4～20 mA電流信號(hào)換算成u2（p），即u2（p）=0.725 kPa。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3（p）

校驗(yàn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器最大絕對(duì)誤差a為3.36×10-6A，置信概率p按95%計(jì)算，則置信因子kj=1.96，按照正態(tài)分布評(píng)定，其引入的不確定度u3（I）為：

電流、差壓轉(zhuǎn)換公式為：

即：

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）=0.824 kPa。

2.2.4 合成不確定度UB（p）

合成不確定度計(jì)算公式為：

將1998～2017年的校準(zhǔn)不確定度代入式（2），得到的數(shù)據(jù)經(jīng)擬合后如圖3所示。

圖3 不確定度與擬合直線

由圖3可以看出， 在該研究堆儀控系統(tǒng)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(shì)，且增長(zhǎng)速率也在增大，有超過變送器0.5級(jí)準(zhǔn)確度等級(jí)要求的趨勢(shì)。而經(jīng)過2012年的一系列老化管理措施后，差壓變送器計(jì)量性能得到了明顯改善。

3 維護(hù)措施及相關(guān)設(shè)計(jì)

針對(duì)2.1節(jié)所述的老化影響因素，某研究堆現(xiàn)采用如下設(shè)計(jì)來降低差壓變送器老化速率，保證變送器長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3.1 一次儀表間優(yōu)化改造

3.1.1 恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

老化管理改造中，對(duì)一次儀表間進(jìn)行了硬件上的優(yōu)化。 增加了恒溫空調(diào)系統(tǒng)，維持環(huán)境溫度穩(wěn)定在19～23 ℃， 避免溫度對(duì)儀表帶來的老化影響。 同時(shí)恒溫空調(diào)安裝在遠(yuǎn)離一次儀表側(cè)，避免電磁干擾對(duì)測(cè)量精度的影響。

3.1.2 負(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保持通風(fēng)， 防止?jié)穸冗^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(shè)計(jì)了負(fù)壓系統(tǒng)。 出于經(jīng)濟(jì)性和避免過大電磁干擾的考慮， 負(fù)壓系統(tǒng)采用單真空泵設(shè)計(jì)。

3.1.3 輻射監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

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，因此早期沒有設(shè)計(jì)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 優(yōu)化改造時(shí)出于安全考慮，在儀表間東、西兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)γ探測(cè)器。 同時(shí)反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)中已存在低放水監(jiān)測(cè)、 低放惰性氣體β監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，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。

圖4 一次儀表間布置圖

3.2 接口和傳感管線優(yōu)化

由于定期校準(zhǔn)導(dǎo)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(duì)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(yán)重的螺紋，并通過了氣密性測(cè)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，并統(tǒng)一了信號(hào)線纜使用，減小瞬態(tài)電流對(duì)輸出信號(hào)的影響。

3.3 七閥組反沖水系統(tǒng)

為了排出表腔和引壓管內(nèi)的氣體，設(shè)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(duì)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用接頭。 以此將填充液充滿變送器正負(fù)壓腔和穩(wěn)壓管，排出表內(nèi)殘留工藝流體和氣泡，起到保護(hù)儀表與提高測(cè)量精度的作用。

經(jīng)過改造將原來的五閥組反沖水系統(tǒng)改造為七閥組系統(tǒng)，在正、負(fù)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(tǒng)，七閥組設(shè)計(jì)能提高系統(tǒng)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損壞的可能性。

七閥組反沖水設(shè)計(jì)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。

圖5 差壓變送器七閥組反沖水設(shè)計(jì)示意圖

4 結(jié)束語

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(duì)影響因素基于研究堆的特殊性提出了老化預(yù)防措施。 通過對(duì)實(shí)際校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析證明了反沖水設(shè)計(jì)、一次儀表間改造等老化管理措施的有效性，對(duì)研究堆和類似核電廠差壓變送器的維護(hù)與管理有一定參考意義。