淺析華龍一號嚴重事故壓力變送器選型與鑒定

吳 萍，郭 林，劉 莉

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

0 引言

嚴重事故即堆芯嚴重損壞事故，屬于超設計基準事故的一部分，是事故后果比設計基準事故更為嚴重的事故工況。嚴重事故有可能破壞安全殼的完整性，從而導致環境放射性污染及人身傷亡，造成巨大經濟損失。隨著我國核工業的不斷發展，特別是HAF102[1]中明確提出了核電站設計應考慮對于嚴重事故的預防及緩解要求。對于已建和新建的核電廠，國家核安全局已經明確要求提交嚴重事故管理導則。其中，嚴重事故儀表可用性分析作為導則重要的一部分內容，必須進行深入的研究。其原因在于：儀表在嚴重事故工況下的可用性，直接關系到嚴重事故管理導則中的嚴重事故管理策略在實際中是否能真正實現[2]。一旦嚴重事故發生，需要通過采用相應參數的測量儀表執行正確的功能、監視電站狀態，確保電站可控并維持穩定的堆芯狀態。

壓力、差壓變送器(以下簡稱“變送器”)，作為廣泛用于核電站的工藝系統壓力、流量、液位測量的儀表，是安全級儀表的重要組要部分，其測量的精確性和可靠性直接影響核電廠的安全、可靠運行[3]。例如，核電站的事故管理導則就嚴重依賴于安全殼壓力、反應堆一回路壓力等參數的準確測量。我國三代核電站華龍一號堆型中規定的嚴重事故下“必須使用”的測量/監測的儀表中也包含了許多變送器。它們將在嚴重事故時，為核電站的安全、穩定運行提供必要的信號，部分嚴重事故下“必須使用”的變送器的重要測量閾值將作為SAMG規程等導則入口條件[4-5]，因此項目對變送器穩定性及可靠性等方面都有較高的要求。

1 嚴重事故變送器選型設計要求

在核電廠中，與反應堆密切相關的壓力、差壓、液位、流量等重要參數，都是采用變送器測量的。變送器的選型通常根據所執行的功能、被測工藝介質的類型、測量范圍、特性、安裝條件、環境條件、儀表性能等方面來考慮，不僅要滿足高可靠性、高穩定性、高精度的要求，還要滿足保護系統安全設計要求；此外，還必須考慮電站運行、維護的特殊要求[6]。根據RCC-E[7]中的相關要求，安全級壓力變送器需要根據不同的鑒定程序進行質量鑒定，以保證在面對各類工況下，能夠正確地執行測量，以及用于后續離散控制系統(distributed control system,DCS)的控制、監測等功能。安全級壓力變送器要求具有耐輻照、抗地震、抗蒸汽高溫等核級性能要求。根據鑒定要求的不同，一般要求安全級儀表應滿足K1、K2或K3類的鑒定要求。

華龍一號中把嚴重事故下使用的變送器劃分為“可能用到”和“必須使用”兩類。“可能用到”的定義是根據嚴重事故管理“能用則用”的原則以及核電廠的具體設計，預期可能會在某些嚴重事故緩解策略中用到的儀表[5]?！氨仨毷褂谩笔轻槍M入嚴重事故管理導則(各具體導則的入口條件參數)以及核電廠設計中應對嚴重事故的專設系統功能是否正常運行的參數監測、測量儀表和核電廠設計中主要(或專門)用于嚴重事故緩解的系統以及對最后一道放射性屏障(安全殼)的完整性有重要影響的系統、設備。對于嚴重事故下“必須使用”的變送器而言，除了保證在正常工況下、地震載荷下(有要求時)要有能力完成其規定的功能外，還需要根據嚴重事故環境條件下的設計要求，對儀表考慮相應的鑒定或補充分析[6-9]。RCC-E[7]中新增加了B7000章節“嚴重事故條件下的鑒定程序”。該章節起初只適用于新建核電站。但在福島核電廠事故后，要求運行核電廠和在建核電廠都要考慮“嚴重事故的預防和緩解措施”以及“嚴重事故管理策略”。

2 嚴重事故變送器的鑒定條件概述

2.1 溫度、壓力鑒定條件

嚴重事故“必須使用”的變送器要求按照事故環境條件進行鑒定，按照執行的具體功能，包含以下幾類。

①殼內僅用于嚴重事故的變送器，鑒定等級為KS。

②殼內同時應用于嚴重事故和設計基準事故的變送器，其鑒定等級為K1，且同時應滿足KS鑒定要求。

③殼外嚴重事故用變送器，首先應按照是否應用于設計基準事故下，確定其鑒定等級為K3+/NO+。

在“華龍一號”三代核電站的嚴重事故鑒定設備、儀表清單中，“必須使用”的設備儀表中包含的部分典型應用的嚴重事故變送器用清單如表1所示。

表1 嚴重事故用變送器清單Tab.1 The list of SA transmitters

注：+表示需要滿足該儀表相應的嚴重事故鑒定條件

嚴重事故下“必須使用”的變送器，不僅要求準確反映事故前、事故中和事故后需要監測、測量的壓力、差壓參數，而且是DCS邏輯選擇、判斷和動作的重要依據。為了確保嚴重事故下使用的儀表在事故環境條件下能夠執行其特定功能，一般推薦使用型式試驗法或組合方法進行設備質量鑒定。鑒定的方法和流程與K1類鑒定程序類似，但對應事故下的熱力、化學方面的嚴重性、方法、誤差要求不同[10]。我國自主研發的華龍一號三代核電技術，在嚴重事故鑒定中提出了一些詳細的環境條件要求。這些要求主要包括鑒定時間條件，溫度、壓力鑒定條件及輻照鑒定條件。其中，溫度、壓力鑒定條件僅適用于殼內儀表，對于華龍一號安全殼外的嚴重事故用儀表，不考慮嚴重事故下安全殼內溫度、壓力變化的影響。

2.2 輻射鑒定條件

對于安全殼內嚴重事故后“必須使用”的變送器，根據其鑒定時間不同，可以得到對應的輻射鑒定條件?？紤]正常運行壽期內的累積輻射環境，殼內嚴重事故下“必須使用”的變送器，所需耐受的累積輻照劑量最大值可達到1 275 kGy。

上述輻照條件適用于安全殼內儀表，在具體執行中，對于安全殼外劑量引起的嚴重事故下“必須使用”設備的鑒定問題，華龍一號項目開展了殼外劑量對設備影響的專項評審工作。結合華龍一號項目安全殼外輻射環境分析結果以及幾個殼外變送器的安裝位置和輻照分區，經核算，殼外嚴重事故下“必須使用”的變送器最大輻照劑量可達到42 kGy。

2.3 特殊的嚴重事故鑒定條件

乏燃料水池液位差壓變送器為嚴重事故下“必須使用”，其鑒定另作考慮。根據乏燃料水池SAMG中儀表的使用情況(作為導則的入口)、儀表目前的量程設置，以及嚴重事故環境條件的計算結果，選取事故后188 h作為鑒定的時長，變送器安裝在KX廠房，標高為+6.1 m，在188 h之前(燃料未破損)放射性環境條件不會變化，輻射條件為正常輻射分區劑量(綠區)。所以，綜合考慮相關儀表的鑒定條件如下：鑒定等級為K3+。其對應的鑒定條件為：鑒定時間為-188 h；溫度為-108 ℃；濕度為-100%；綠區累積劑量。

3 嚴重事故變送器選型和鑒定重點

綜合考慮華龍一號對于嚴重事故變送器選型設計要求及變送器潛在供貨商的產品性能，對于表1中所列的安全殼外嚴重事故下“必須使用”的變送器，采用鑒定等級為K3加相應輻照劑量(超過42 kGy)或者K1的變送器即可滿足設計需求。

針對其余安全殼內的嚴重事故用壓力變送器，目前國際上能夠滿足相關要求的廠家有美國羅斯蒙特和法國羅爾斯羅伊斯公司，分別為3155N系列和Bibloc系列。這兩個系列的變送器均采用全焊接密封結構，具有更好的耐輻照和耐高溫、高壓的性能。3155N系列的輻照總劑量率為1 670 kGy，Bibloc系列的輻照總劑量率為2 250 kGy，相較于華龍一號嚴重事故輻射鑒定的最大要求，均具有較大裕度。但是在溫度、壓力鑒定條件上，華龍一號提出了新的嚴重事故要求，而兩個系列的變送器曾經根據AP1000電站和EPR電站的相關鑒定要求得到的鑒定曲線尚不能夠完全包絡華龍一號的要求曲線。根據GB/T 12727[11]，設備的質量鑒定除了試驗法包絡外，也可采用組合法(即型式試驗加分析法)外推其質量鑒定結果。因此，針對溫度、壓力鑒定曲線的包絡性這一重點問題，在設備已完成的鑒定試驗基礎上，進一步開展分析工作。下文就3155N系列和Bibloc系列的鑒定包絡性分析進行介紹。

3.1 3155N系列變送器鑒定曲線覆蓋性分析

對于表1中的壓力變送器，蒸汽發生器寬量程水位，熱管段水位和乏燃料水池液位等測量，采用了3155N系列變送器。以上位號均為基型表，無需遠傳裝置。

首先，考慮溫度鑒定曲線的覆蓋性。3155N系列鑒定的溫度曲線峰值約215 ℃，高出華龍一號嚴重事故的溫度鑒定曲線峰值約65 ℃。其溫度鑒定曲線和華龍一號殼內儀表嚴重事故鑒定條件的覆蓋性分析主要包括四個部分。

①在1～3 h和20～66.5 h內，3155N系列的鑒定試驗溫度曲線可以包絡華龍一號的曲線，滿足要求。

②在1～20 h內，3155N系列的鑒定曲線低于華龍一號嚴重事故溫度鑒定曲線約10 ℃。

③在66.5 h～15 d，3155N系列的嚴重事故鑒定溫度曲線從137 ℃逐漸降低至100 ℃，低于該階段華龍一號嚴重事故溫度鑒定曲線均滿足穩定在137 ℃的要求。

④對于乏燃料水池液位的特殊鑒定要求，3155N系列的鑒定曲線完全覆蓋。

綜上，3155N系列的鑒定曲線并不能夠完整地包絡華龍一號嚴重事故鑒定要求。

進一步研究表明，羅斯蒙特3155K系列具有和3155N系列一樣的結構和設計，兩者在老化、輻照和地震等其他鑒定試驗上的要求和試驗順序相同，而不同之處僅在于事故條件下的蒸汽環境要求。3155N系列根據AP1000電站要求進行了事故環境條件鑒定，3155K系列根據EPR電站的要求進行了嚴重事故鑒定和冷卻鏈總損耗(total loss of coolant chain,TLOCC)鑒定。考慮設計、結構的一致性以及蒸汽環境鑒定試驗程序的相似性，進一步采用3155K系列的SA+TLOCC試驗的溫度、壓力曲線與華龍一號嚴重事故鑒定要求進行覆蓋性分析可知，3155K系列的SA和TLOCC鑒定的溫度曲線高于華龍一號SA鑒定的溫度曲線。因此，可認為與3155K系列類似的3155N系列也能夠耐受華龍一號嚴重事故溫度鑒定要求。

其次，就壓力鑒定曲線而言，在0～125 h(5.2 d)內，3155K的壓力鑒定曲線峰值遠超出華龍一號的要求，此后，其壓力維持在0.3 MPa直至15 d，低于華龍一號壓力鑒定曲線保持在 0.33 MPa的要求。但由于3155K系列采用全焊接密封外殼，外部壓力的微小變化對于變送器性能的影響可以忽略。且根據華龍一號的嚴重事故壓力環境條件包絡曲線[9]，在125 h之后，曲線已基本平穩保持在0.3 MPa。因此，可認為與3155K系列類似的3155N系列能夠耐受華龍一號嚴重事故溫度壓力要求。

3.2 Bibloc系列變送器鑒定曲線覆蓋性分析

對于表1中的變送器，反應堆一回路壓力、堆腔水位等的測量采用了Bibloc系列變送器。Bibloc系列的嚴重事故鑒定壓力曲線能夠完整地包絡華龍一號的嚴重事故壓力鑒定要求，而Bibloc系列溫度鑒定曲線和華龍一號殼內儀表嚴重事故鑒定條件的覆蓋性分析主要可分為三個時間段。

①在0～20 min內，Bibloc系列的LOCA試驗溫度曲線可以包絡華龍一號的曲線，滿足要求。

②在20 min～12 h內，華龍一號的溫度要求穩定于150 ℃。而Bibloc系列的嚴重事故鑒定溫度曲線低于華龍一號鑒定要求約10 ℃。在該時間范圍內，其鑒定試驗溫度約介于140～150 ℃之間?？紤]到華龍一號鑒定要求曲線相較于嚴重事故下安全殼大氣露點溫度包絡線仍保留了一定裕度，通過對比分析，Bibloc系列鑒定曲線在該段時間內的溫度略高于反應堆一回路壓力、堆腔水位測量儀表位置在此時間段內的嚴重事故下安全殼大氣露點溫度包絡線[10-12]。

③在12 min～15 d內，整個Bibloc系列的嚴重事故鑒定溫度曲線可以包絡華龍一號的鑒定要求。

從上述整個過程中的分析可以看出，Bibloc系列壓力變送器可以滿足華龍一號最高溫度的要求。

進一步分析表明，由于Bibloc系列變送器采用分體式結構，其傳感器單元內磁芯上的線圈電阻在感應壓力信號的同時，也會對傳感器內部的溫度進行實時測量，并傳遞至轉換器單元，進行實時的溫度補償。由于溫度在材料中的熱傳導規律，當環境溫度出現熱沖擊式變化時，從變送器外部迅速升溫，但溫度傳導到變送器內部具有惰性延遲。這就造成在發生熱沖擊后的短時間內，內部溫度測量數值與環境實際溫度具有差異。此時，傳感器內部溫度導致的材料熱膨脹而疊加在變送器磁芯位移，并不能準確反映出此時的環境溫度，從而向溫度補償作用引入了較大的誤差，導致變送器測量輸出精度變差。

通過模擬Bibloc系列變送器在熱沖擊影響下的精度變化發現，該系列變送器的輸出精度變化與熱沖擊的劇烈變化程度關系密切，而與溫度穩定后的溫度高低關系不大。通過對比分析Bibloc系列變送器的LOCA試驗曲線、Bibloc系列完成的嚴重事故鑒定曲線以及華龍一號嚴重事故鑒定曲線可知，LOCA試驗曲線中的溫度熱沖擊率最大，即溫度變化曲線的斜率最大，且溫度峰值最高。進一步可得出Bibloc系列變送器在華龍一號嚴重事故鑒定條件下的精度將小于LOCA熱沖擊帶來的精度影響。

綜上所述：①Bibloc系列變送器的溫度鑒定曲線雖然低于嚴重事故鑒定曲線，但可以覆蓋實際嚴重事故工況包絡曲線；②Bibloc系列變送器的精度誤差主要與熱沖擊有關，與穩定溫度的高低關系不大。上述鑒定曲線不能直接覆蓋的第②階段屬于溫度穩定保持階段。

經分析，Bibloc系列變送器滿足華龍一號嚴重事故環境條件使用要求。

4 結論

華龍一號堆型要求嚴重事故下“必須使用”的儀表，除了保證在正常工況下、地震載荷下(有要求時)有能力完成其規定的功能外，還需要保證嚴重事故下的可用性。為展現嚴重事故變送器對于此要求的實踐情況，本文完整地梳理了華龍一號嚴重事故用變送器的詳細設計要求，同時結合福清5、6號項目的實際選型設計工作，總結了嚴重事故用變送器選型經驗和重點內容，并根據具體的選型實例對嚴重事故鑒定包絡性進行了重點探討和分析。該設計對于其他項目的嚴重事故用變送器及其他類似儀表選型和鑒定分別工作有一定的指導意義。