核安全級高容積傳感器的研制

陳 凱

（上海自動化儀表股份有限公司，上海200233）

大型先進壓水堆堆芯冷卻液的監測是檢查核電站安全與否的最重要環節，為操作人員及時掌握失水事故的發生和發展提供了重要依據，是反應堆失水事故發生和事故后監測的主要工具，對核電站的安全運行起到至關重要的作用。從國內的堆芯冷卻液的監測系統來看，除秦山一期改造項目采用國外進口設備但由國內集成外，秦山、廣東、江蘇等幾個核電站的堆芯冷卻液的監測系統全部為進口。

國內現役的商用核電站對壓水堆堆芯冷卻液的監測多為差壓法測量，而高容積傳感器是差壓法測量堆芯冷卻液液位的重要傳感器。高容積傳感器為核安全級核電站設備，既要求其在正常環境條件下正常工作，還要求能在地震載荷下、事故及事故后為環境條件下仍能發揮其規定的功能，故需要具備耐輻照、抗地震和承受高溫、高濕、高壓、化學噴淋等惡劣環境的能力，產品的使用壽命40 a以上[1]。

1 高容積傳感器設計目標

由于高容積傳感器直接測量核電站一回路介質壓力，故需要具備隔離功能，以保證受污染的液體不泄露；同時，其正常工作環境要求承受20 MPa以上的靜壓，并具備抗輻照、地震、失水事故（Lost of Coolant Accident，LOCA）3項核級性能。依據安裝環境和功能要求設計的高容積傳感器結構如圖1所示，制定的設計目標如表1所示。

圖1 高容積傳感器結構示意圖

表1 高容積傳感器設計目標

2 工作原理

本設計中，高容積傳感器通過過程接管與被檢測的反應堆壓力殼一回路介質相連，并通過充液的毛細管連接到差壓檢測儀表。為了適應被核污染或具有腐蝕性的介質應用，高容積傳感器在不銹鋼材料的承壓筒體中內置一大容量波紋管，起到隔離密封及進行壓力傳遞的作用。當對象液位或壓力發生變化、使加到傳感器波紋管的壓力發生變化時，傳感器波紋管或壓縮或膨脹拉長，這個變化通過毛細管內的液壓傳遞到差壓檢測儀表上，從而使被測對象的液體介質不會接觸到差壓測量儀表。對于過高溫度場合的應用，可以增加傳感器過程接管的長度，以盡可能地降低傳感器的溫度。同時，設有連接傳感器和差壓檢測儀表的毛細管接口，也以方便遠傳測量。

2.1 液位測量

液柱產生的壓力取決于其高度和液體的密度，與容器的形狀或容積無關。當介質的密度已知時，差壓可以用來換算指示介質的高度。而核電站一回路介質需要與差壓測量儀表進行隔離，高容積傳感器就起到了隔離介質的作用。

2.2 壓力測量

當用于壓力測量時，高容積密封傳感器作為一個壓力傳遞的設備，通過充液的毛細管系統將工藝過程與測量儀表進行隔離。由于高容積傳感器具有一個可擴大容量的波紋管，可以吸收較長的毛細管系統中因溫度升高而增加的介質容量，以保證壓力測量的傳遞精度。

2.3 檢測維護

在承壓外殼的頂部，設有一個1／4美制管螺紋（National Pipe Thread，NPT）螺紋孔，工作時采用一密封塞（1／4 NPT）將其密封。其作用是：檢測維護時，既可用于釋放壓力，又可用于作為試驗使用的壓力輸入端口。

3 關鍵部件的研制

根據高容積傳感器的工作特性和要求，本文設計研制的關鍵是波紋管過載保護、密封材料和筒體承壓。

3.1 波紋管過載保護

高容積傳感器的隔離和壓力傳遞是通過內置的波紋管來實現的，這要求波紋管在具有優良的壓力傳遞性能的同時，在介質過度膨脹和過壓等情況下，仍然具有防止隔離介質泄露的能力。針對此類異常工況，在高容積傳感器筒體頂部進行限位設計，防止波紋管過度膨脹爆裂；在波紋管內部設置行程桿聯動毛細管關閉閥，防止過壓工況時波紋管內的液體進一步泄漏，這樣就可防止被測對象介質的泄漏，如圖2所示。

圖2 波紋管膨脹與壓縮極限位置

3.2 適應事故工況的密封材料

高容積傳感器必須在其壽期內能應對事故以及事故后環境，并仍能夠執行其規定的功能，故其采用的非金屬材料需要具備耐輻照、抗地震和承受高溫、高濕、高壓、化學噴淋等惡劣環境的能力。

采用適當的密封材料進行隔離密封是高容積傳感器的另一大關鍵。通過對丁基橡膠、氟橡膠、硅橡膠和三元乙丙烯橡膠（Ethylene－Propylene Terpolymerisate，EPT）相關性能的分析對比（見表2）[2]，在高容積傳感器的外殼密封圈O型圈和擋圈采用了EPT材料，而放棄了耐輻照性差的丁基橡膠和耐沖擊性差的氟橡膠、硅橡膠；同時，EPT在高溫條件下具有優秀的抗壓縮永久形變性能（見圖3），故EPT材料適用于本文設計。

表2 橡膠相關性能比較表

3.3 筒體承壓計算

為防止一回路介質泄漏，高容積傳感器安全工作壓力為20 MPa，設計極限壓力為45 MPa，因而連接筒體與端蓋的緊固螺絲是整個承壓設計的關鍵點，并由工作特性決定了緊固螺絲的受拉承載力需要滿足極限工作環境要求。緊固螺絲的材料選擇、直徑、數量以及極限壓力的關系如下[3]：

圖3 EPT壓縮永久形變能力

其中，P＝45 MPa為極限壓力；S＝12 265 mm2為端蓋承壓面積；N為緊固螺絲數量；d＝10 mm為緊固螺絲直徑；p＝1.5 mm為緊固螺絲螺紋間距；δ＝700 MPa為不銹鋼316LA4－70抗拉強度。

計算得N＝13.6。為充分滿足筒體承壓需求，故考慮產品加工制造設計N＝16個。

4 研制產品的主要性能指標[4－7]

4.1 正常運行條件

海拔高度≤1 000 m；溫度≤49℃；40 a累積輻射劑量為2×105Gy；公稱工作壓力為20 MPa；差壓測量范圍上限值為0.3 MPa；X，Y，Z 3軸向地震加速度為5×9.8 m／s2；震動頻率為0.2～33 Hz。

4.2 設計基準事件（Design Basis Event，DBE）環境

（1）主蒸汽管道破裂事故（Main Steam Line Break，MSLB）及LOCA工況下反應堆廠房內環境條件：溫度為157.8℃；壓力為0.55 MPa；相對濕度為100%RH；事故后30 d累積輻射劑量為2.88×105Gy；噴淋水成分中，硼酸濃度為2‰；氫氧化鈉濃度的質量分數w（NaOH）＝0.6%；p H值≤10。

（2）嚴重事故環境條件：溫度為140℃；壓力為0.48 MPa；相對濕度為100%RH；事故后3 d累積輻射劑量為2.88×105Gy；事故后30 d的累積輻射劑量為6.71×105Gy；噴淋水成分中，硼酸濃度為2‰；w（NaOH）＝0.6%；p H值為≤10。

（3）地震條件：按設備安裝的樓層譜進行5次運行基準地震（Operational Base Earthquake，OBE）試驗和1次安全停堆地震（Safety Shutdown Earthquake，SSE）試驗。

4.3 安全功能

經受設計基準事件的作用，并在事件期間仍能保證安全功能的完整性。

5 結 語

高容積傳感器的設計方案，在承受核電站事故以及事故后環境條件下，夠確保承壓、隔離一回路介質，并準確地將反應堆壓力殼內的堆芯液位差壓傳遞至檢測儀表，完全符合核電站安全監測的要求。隨著國家大力發展核電事業形勢的發展，本研制成果改變了反應堆安全監測領域技術完全掌握在國外手中的局面。目前，該產品已通過整套核級試驗，并在巴基斯坦去恰希瑪電廠二期工程中成功運行。本文研制的在惡劣環境下承壓、隔離和密封技術在核電站及化工、醫藥等其他領域也有著廣泛的應用前景。

[1] 范正平.GB 12727—2002 核電廠安全系統電氣設備質量鑒定[S].北京：中國標準出版社，2002.

[2] 傅 政.橡膠材料性能與設計應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[3] 李維榮.標準緊固件實用手冊[M].5版.北京：中國標準出版社，2009.

[4] 肖定生.HAF J0068—1998 核電廠安全重要設備老化控制的方法[S].北京：國家核安全局，1998.

[5] 方慶賢.HAF J0053—1995 核設備抗震鑒定試驗指南[S].北京：國家核安全局，1995.

[6] 陸曙東.GB 13625—92 核電廠安全系統電氣設備抗震鑒定[S].北京：中國標準出版社，1992.

[7] 范正平.ET／T 518—1998 核電廠安全級電動機控制中心質量鑒定[S].北京：中國核工業總公司，1998.