真空室內(nèi)溫度測量與貫穿方案的設(shè)計

李明釗 李傳霞

0 概述

參數(shù)測量系統(tǒng)是反應(yīng)堆的一個重要組成部分，是獲取反應(yīng)堆運行狀態(tài)信息、采取適當(dāng)?shù)陌踩嚓P(guān)行動、保證反應(yīng)堆能夠安全、可靠地啟動、運行和關(guān)閉的重要條件。

溫度作為反應(yīng)堆的重要熱工參數(shù)，在運行的各個階段，都需要可靠、準(zhǔn)確地測量，因此，通過溫度傳感器類型選取和溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)適合反應(yīng)堆應(yīng)用的溫度傳感器的研制工作，是參數(shù)測量系統(tǒng)構(gòu)成、參數(shù)測量方案制定的最基本前提。

在某些反應(yīng)堆堆型的設(shè)計中，反應(yīng)堆需要在真空環(huán)境中運行，這就對溫度測量與貫穿都有著較為苛刻的要求。以我院某堆型為例，反應(yīng)堆需在真空室內(nèi)運行，管道中液態(tài)合金冷卻劑溫度為500～600℃，測量要求I 級精度，耐輻照要求γ 射線累積輻照劑量1×108Gy，并要求響應(yīng)時間在4 秒以內(nèi)，這些要求對于測量與貫穿方案的設(shè)計都有一定的挑戰(zhàn)。

針對核反應(yīng)堆內(nèi)的測溫元件，國外在20 世紀(jì)六七十年代曾經(jīng)進(jìn)行過大量的試驗和研究，認(rèn)為K 型（鎳鉻-鎳鋁）鎧裝熱電偶在核反應(yīng)堆內(nèi)使用，其抗輻射性能滿足使用要求，并已經(jīng)成功應(yīng)用于核反應(yīng)堆中進(jìn)行溫度測量，已有數(shù)十年的運行經(jīng)歷。對于反應(yīng)堆的高溫高真空、強輻射等一系列特殊測量要求，鎳鉻-鎳鋁K 型熱電偶溫度計能在很大程度上滿足要求，而且其具有測溫范圍適合、耐輻照、抗振動、熱響應(yīng)快、測溫精度高、使用壽命長、安裝使用方便等優(yōu)點。故在我院反應(yīng)堆的溫度測量方案中，選擇基于K 型熱電偶的測量方案設(shè)計，并在此方案基礎(chǔ)上，確定熱電偶的貫穿設(shè)計方案。

1 測量方案設(shè)計

1.1 材料選擇

熱電偶套管材料：套管是為了使熱電極免受化學(xué)和機械作用，對熱電偶起保護(hù)和支撐作用的，因此不僅要考慮使用溫度，更重要的是要依據(jù)使用環(huán)境氛圍以及測溫的響應(yīng)時間等條件來加以選擇：一般在600℃以下的采用碳綱、銅、鋁；在1 000℃以下使用的中溫?zé)犭娕汲Ｓ媚蜔峥垢g的奧氏體不銹鋼；在1000℃以上時可選用鈷基高溫合金、鐵鉻鈷合金或其他材料。在反應(yīng)堆上的溫度計工作在1 000℃以下的輻射環(huán)境下，鎧裝熱電偶的外套管材料可采用316 H（00Cr17Ni14Mo2）奧式體不銹鋼管。316 H 不銹鋼具有優(yōu)良的耐輻照性能，在高劑量的輻照條件下，其性能無明顯的劣化，如：在3.5×1022n/cm2（E＞0.1 Mev）的輻照條件下，其屈服強度可達(dá)146 MPa，抗拉強度可達(dá)479 MPa（見[美]唐納德.皮克納主編《不銹鋼手冊》1315 頁，機械工業(yè)出版社）。

熱電偶絲：鎧裝熱電偶采用K 型熱電偶，偶絲的分度值、偏差和分散度應(yīng)符合技術(shù)指標(biāo)的要求。K 型熱電偶的NiCr/NiAl偶絲，已經(jīng)在世界各國的核反應(yīng)堆中應(yīng)用了數(shù)十年，完全能滿足核輻照條件下的使用要求。NiCr/NiAl 熱電偶絲需經(jīng)化學(xué)成分和分度檢驗，應(yīng)符合使用要求和EJ660 之規(guī)定。

絕緣材料：絕緣材料用于保證偶絲和套管之間的電氣絕緣。選擇絕緣材料要考慮電氣性能及對偶絲的化學(xué)作用，一般常用的絕緣材料為氧化鎂、氧化鋁、氧化鋯和氧化釷等。由于這些材料都具有吸濕性，因此要求采用電熔產(chǎn)品以降低吸濕性，選用氧化鎂或氧化鋁作為絕緣材料。

焊絲：用來焊接鎧裝熱電偶套管封頭的焊絲材料，應(yīng)滿足相應(yīng)套管材料的焊接要求。溫度計與工藝系統(tǒng)的接口連接部分材料還要考慮與工藝系統(tǒng)材料的焊接相容性。

1.2 安裝要求與整體結(jié)構(gòu)

熱電偶需要固定在液態(tài)合金回路管道上，需要對熱電偶與液態(tài)合金管道的連接、固定等安裝形式進(jìn)行設(shè)計，并保證結(jié)構(gòu)的可行性與可靠性。熱電偶整體結(jié)構(gòu)由管嘴1、固定卡套2、彈簧3、墊片4、壓緊螺母5、簡易帽6、補償電纜7、鎧裝熱電偶8、保護(hù)管9 組成，如圖1 所示。

圖1 熱電偶整體結(jié)構(gòu)示意圖

管嘴1 采用氬弧焊事先焊接在液態(tài)合金工藝管道上。鎧裝熱電偶8 測量端插入保護(hù)管9 時，通過固定卡套2 卡住鎧裝熱電偶8，當(dāng)壓緊螺母5 旋緊時，墊片4 推動彈簧3 往固定卡套2處壓，使鎧裝熱電偶8 測量端緊貼保護(hù)管9 底部，確保鎧裝熱電偶8 測量端能更準(zhǔn)確地感應(yīng)到受熱表面的溫度，有利于提高熱電偶的響應(yīng)時間，同時確保了鎧裝熱電偶8 的拆裝。簡易帽6實現(xiàn)了鎧裝熱電偶8 冷端密封和冷端偶絲與補償電纜7 的連接，確保連接處牢固可靠。

采用此結(jié)構(gòu)設(shè)計的熱電偶，經(jīng)過樣件制造與試驗，其測量精度、響應(yīng)時間等指標(biāo)均可滿足測量要求。

2 貫穿方案設(shè)計

用于測量的熱電偶是處于真空室的真空環(huán)境中，信號需要送出真空室進(jìn)行處理，需要考慮熱電偶的貫穿。

熱電偶貫穿件可采用直接貫穿或利用插頭轉(zhuǎn)接兩種。其中，較為常用的是利用航空插頭貫穿，航空插頭密封性好，方便又經(jīng)濟，但由于引入了第三種介質(zhì)，且兩端溫度有差異，故精度低，誤差可達(dá)±5℃。采用熱電偶直接貫穿可確保熱電偶在真空室內(nèi)無轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，從而進(jìn)一步保證了測量的可靠性和測量精度。由于熱電偶的測量原理以及所要求的測量精度所限，對于本文中所述的熱電偶測量方案，主要考慮直接貫穿，亦可考慮特殊形式的轉(zhuǎn)接。

2.1 利用MPF 轉(zhuǎn)接頭貫穿

采用MPF（MPF Products Inc.）熱電偶接頭進(jìn)行轉(zhuǎn)接是一種具有一定可行性的方案。MPF 轉(zhuǎn)接頭與普通的轉(zhuǎn)接方式不同，普通的轉(zhuǎn)接方式，易引入非均質(zhì)材料，且轉(zhuǎn)接兩側(cè)溫度相差很大，與熱電偶本身測量原理相悖，會造成很大的誤差。MPF 在普通的轉(zhuǎn)接形式上進(jìn)行了改進(jìn)，轉(zhuǎn)接用端子采用與熱電偶相同的材料，比如對于K 型熱電偶，轉(zhuǎn)接用端子即分別采用鎳鉻和鎳鋁合金。MPF 轉(zhuǎn)接端子和轉(zhuǎn)接頭一體化，信號由轉(zhuǎn)接端子引出真空室，MPF 轉(zhuǎn)接頭的示意圖如圖2 所示。

圖2 MPF 轉(zhuǎn)接頭示意圖

這樣的設(shè)計可以消除轉(zhuǎn)接中引入的材料以及溫度誤差，在一定程度上是可行的方案。但是，MPF 接頭需一定成本，且其在國內(nèi)反應(yīng)堆相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)驗較少，還需要進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)研。

2.2 利用貫穿法蘭直接貫穿

熱電偶信號直接貫穿需要利用貫穿法蘭，故此時貫穿方案分為兩個部分，一部分是熱電偶與法蘭的連接形式，另一部分是法蘭本身的設(shè)計，現(xiàn)分別進(jìn)行一定說明。

對于熱電偶與法蘭的連接，經(jīng)過以往經(jīng)驗與工程實際，初步制定了以下兩種方案。

第一種方案，將熱電偶與貫穿法蘭焊接，保證整個機構(gòu)的固定與密封。由于熱電偶壁薄不宜直接焊接，故需要設(shè)計過渡管，過渡管一端與貫穿法蘭焊接，另一端與熱電偶外套管焊接，示意圖如圖3。

圖3 熱電偶焊接式貫穿方案示意圖

第二種方案，利用成熟卡套產(chǎn)品（如swagelock 系列）進(jìn)行固定，卡套的示意圖如圖4。

圖4 卡套示意圖

裝配時，前卡套被推入到接頭本體和熱電偶套管形成主密封，而后卡套向內(nèi)產(chǎn)生鉸鏈作用對熱電偶套管形成強有力的抓緊，從而實現(xiàn)固定。這種固定方式僅需要很小的裝配扭矩，是方便快捷的固定方法。

以上兩種方案都可以按要求實現(xiàn)熱電偶與貫穿法蘭的連接，經(jīng)過討論與比較，考慮到熱電偶3 mm 的直徑對焊接的要求會比較高，而且不方便拆卸；且卡套產(chǎn)品具有一定的成熟度，在實際操作更為便利，且經(jīng)濟性更好，故在設(shè)計中決定采用第二種方案，利用卡套進(jìn)行連接。采用此種設(shè)計，將貫穿件與熱電偶裝配后，經(jīng)過試驗，其密封性滿足應(yīng)用需求，且該方案并不影響熱電偶本身的測量精度與響應(yīng)時間等指標(biāo)。

3 結(jié)論

在本文所述的測量需求下，采用了如下方案：

（1）熱電偶套管采用316H 不銹鋼，絕緣材料采用氧化鎂或氧化鋁，補償電纜導(dǎo)體部分采用與熱電偶偶絲相同的材料，以滿足環(huán)境及測量要求。

（2）熱電偶安裝時采用套管式安裝，套管焊接在液態(tài)合金管道上，熱電偶底端通過螺母與彈簧結(jié)構(gòu)與套管接觸，以保證測量響應(yīng)時間，同時也方便熱電偶的拆裝。

（3）熱電偶采用直接貫穿方式，利用卡套將熱電偶與貫穿法蘭連接，操作簡便，經(jīng)濟性好，同時保證熱電偶可以拆卸。

（4）采用的測量與貫穿方案可以滿足密封性、測量精度、響應(yīng)時間等技術(shù)指標(biāo)。