核安全級（1E）鉑電阻溫度計及組件自主化研制

黃美良，陳蜀志，鞠　華，陳　潔，鄭雅文，趙安中，王　華

核安全級（1E）鉑電阻溫度計及組件自主化研制

黃美良1，陳蜀志1，鞠華2,3，陳潔2,3，鄭雅文2,3，趙安中2,4，王華2,3

（1. 中廣核工程有限公司 廣東 深圳 518172，2. 重慶材料研究院有限公司 重慶 400707，3. 國家儀表功能材料工程技術研究中心，重慶 400707，4. 國機集團科學技術研究院有限公司，北京 100050）

依托自主三代核電“華龍一號”技術需求，中廣核工程有限公司聯合重慶材料研究院有限公司成功開發了主回路直接測溫儀表及組件工程樣機，通過了三代核電環境條件的質量鑒定試驗，實現產品供貨。研制過程中解決了關鍵材料、總體結構、加工工藝、試驗驗證及性能評價等技術難題。

核安全級（1E）；鉑電阻溫度計；自主化

核安全級（1E）鉑電阻溫度計用于反應堆主回路冷卻劑溫度測量，監測流出/流入反應堆壓力容器的冷卻劑溫度，以評估反應堆熱量導出狀況，對核電站的安全運行和發電效率起著至關重要的作用。該溫度計長期承受高溫、高壓、高輻照和高速冷卻劑的沖擊，并要求承受設計基準地震考驗，因此對產品的可靠性、穩定性、完整性等有極高的要求。我國已建成的核電機組大多屬于二代和二代加堆型，采用旁路方式測量主回路冷卻劑溫度（堆芯出口）。三代核電如AP1000、EPR、VVER等都采用主回路直接測溫方式，測量一回路冷卻劑溫度。同傳統旁路測溫技術相比，減少了旁路管道帶來的風險，提高了機組的安全性。

依托自主三代核電“華龍一號”技術需求，中廣核工程有限公司聯合重慶材料研究院有限公司成功開發了主回路測溫儀表及組件工程樣機，并通過了三代核電環境條件的質量鑒定試驗。研制過程中解決了關鍵材料、總體結構、加工工藝、試驗驗證及性能評價等技術難題。

重慶材料研究院有限公司因該產品的成功研制取得了“民用核安全電氣設備設計、制造許可證”，具備為民用核設施供貨的準入資格。

1　鉑電阻溫度計原理及組成

由于精度高、體積小、響應速度快、耐輻照等特點，鉑電阻溫度計廣泛應用于核設施的溫度測量。核安全級（1E）鉑電阻溫度計由鎧裝體、取樣管、外保護套管、信號輸出組件等組成。

鉑電阻（Pt100）作為常用的溫度計內部敏感元件，其阻值與溫度之間的關系接近于線性[1]。在-200～0 ℃范圍內為：

在0～850 ℃范圍內為：

式中：0——0 ℃時鉑電阻的電阻值；

R——℃時鉑電阻的電阻值；

、、——為常數。

=3.908 3×10-3/℃-1，=-5.775×10-7/（℃）-2，=-4.183×10-12/（℃）-4。

由于絲繞元件具有穩定性高、使用壽命長的特點，通常核安全級鎧裝鉑電阻選用絲繞元件結構。

2　1E級鉑電阻溫度計工程樣機研制

2.1　關鍵材料研制

2.1.1鉑絲材料研制

高性能微細鉑絲是核安全級鉑電阻溫度計關鍵基礎材料，然而原有工業的工藝流程熔煉的鉑錠、鍛造、軋制、拉制等加工獲得的微細鉑絲成分存在均勻性差、有害微量元素超標、力學性能差、尺寸精度不易控制、產品一致性差等問題。

針對上述問題，研發團隊采用經提純處理的高純鉑粉（純度≥99.998%）作為原料，添加Rh、Ir、Pd等有益元素和Hf、La、Ce、Gd、Yb等稀土元素（0.02%～0.08%），控制影響耐輻照性能的有害元素（Co、Cu、B、Si、Cd等含量＜30×10-6）。經熔煉、熱鍛壓、拉絲、熱處理、清洗等加工工藝流程后，精確調控材料組分及組織均勻性、有效控制晶粒尺寸并消除內部空位等微觀缺陷，獲得高均勻性、高精度、高穩定性、長壽命、耐輻照等高性能微細鉑絲，制備出滿足核安全級鉑電阻溫度計所需溫度系數值為（0.003 851±0.000 004）℃-1，直徑為（0.02～0.04）mm的微細鉑絲[2]。鉑絲的化學成分及機械性能如表1所示。

表1　核安全級鉑絲化學及機械性能簡表

2.1.2耐輻照、耐腐蝕、抗沖刷保護管、取樣管材料研制

根據RCCM-M3301-2007標準要求，用于制造外保護套管的Z2 CND17-12（316L）和取樣管的Z2 CN19-10控氮（304N）等奧氏體合金材料的微量元素含量的控制，將主要微量元素的含量控制到Co≤0.026%（指標要求：≤0.10%）、S≤0.011%（指標要求：≤0.015%）、P≤0.004 7%（指標要求：≤0.03%），滿足標準規定要求。

2.2　關鍵工藝研究

2.2.1鉑電阻溫度計熱響應時間提高工藝研究

鉑電阻溫度計熱響應時間0.632（s）是溫度計性能重要的關鍵指標之一，由于原有工藝制作出的鉑電阻溫度計內部充滿了導熱系數/（m?℃）為0.023 3的空氣，熱響應時間較長。不能較好的滿足三代核電“華龍一號”的指標需求。

溫度計在加工制作過程中，不可避免的混雜有含水分的空氣，導致溫度計的性能和熱響應時間下降。由于惰性氣體氦具備易擴散和滲透、化學性質穩定、導熱系數高的特性，相同情況下（標準大氣壓，0 ℃），氦氣的導熱系數/（m?℃）為0.144，是空氣6倍多，常被用作導熱氣體。

為提高鉑電阻溫度計熱響應時間，項目團隊結合鉑電阻溫度計的制作工藝開發了一套真空除濕工藝與裝置，并申請了發明專利。如圖1，在鉑電阻感溫元件鎧裝體封裝之前，將其溫度提升到最高400 ℃±20 ℃，并抽真空至10-1Pa，保溫一段時間進行除濕后再充氦，反復操作幾次后，在溫度降低至約100 ℃或以下完成封裝操作工藝，最終達到溫度計內部除濕充氦的效果[4,5]。

圖1　感溫元件及鎧裝體結構

經過測試與驗證，采用新工藝后鉑電阻溫度計熱響應時間得到了顯著的提高（見表2）。

表2　熱響應時間對比表

2.2.2外保護管強度工藝匹配研究

主回路測溫儀表及組件測量的參數用于核反應堆保護，該類儀表屬于核安全級（1E）設備。主回路測溫儀表及組件在主回路冷卻劑設計壓力：17.23 MPa和設計流速：18.9 m/s條件下，滿足溫度計功能與熱響應時間0.632≤3.5 s的指標及機械強度要求。為此項目團隊開展了總體結構、加工工藝等方面的研究，達到了熱響應時間和外保護管的強度很好匹配，形成如圖2所示保護管感溫段結構，滿足了指標要求。

圖2　保護管感溫段

（1）理論計算分析

利用有限元分析軟件建立了溫度計套管在壓力管道中的流體動力學模型和結構力學模型，并運用流固耦合（FSI）分析方法在液固界面進行數據傳遞。以“華龍一號”主管道流體特性和材料安裝在試驗管道上，管道內介質流速為18.9 m/s開展沖刷試驗。圖3為1E級鎧裝鉑電阻為奧氏體不銹鋼外保護管在350 ℃的材料性能為模型輸入，進行了應力分析，通過Mises等效應力失效準則進行判斷[3]：

式中：r——徑向應力；

t——切向壓應力；

——最大許用應力114 MPa；

其中，LHS=1（壓應變最大應力處）＜1.5，才能滿足安全使用要求。

密封面處等效應力為：

LHS=32.5 MPa＜1.5×114；

縮徑處等效應力為：

LHS=34.5 MPa＜1.5×114；

綜上分析，溫度計感溫段的機械性能強度滿足要求。

（2）沖刷試驗

為進一步驗證保護套管強度及帶保護套管的鉑電阻溫度計基本測溫功能，根據EJ/T 1210—2006《壓水堆堆內構件模型流致振動試驗》標準，及“華龍一號”核電主管道直接測溫組件的技術要求，將兩套1E級鎧裝鉑電阻溫度阻包括取樣管抗沖刷試驗安裝圖。圖4為1E級鎧裝鉑電阻抗沖刷試驗實時顯示（其中一支只接了一組）。整個試驗過程中溫度顯示正常，無異常情況發生。

圖3　流體沖刷試驗

圖4　流體沖刷試驗實時溫度顯示

2.3　工程樣機方案

考慮應用場景不同，對信號輸出組件電纜密封連接方式采用不同方案，分別配套了以接線盒式1E級鎧裝鉑電阻（見圖5）、和接插件式1E級鎧裝鉑電阻（見圖6）兩種電氣接口的工程樣機方案。供用戶根據現場需求進行選配。

圖5　1E級鉑電阻接線盒方案

圖6　1E級鉑電阻接插件方案

3　試驗驗證及性能評價

對于新開發的核電裝備，根據功能和使用地點的不同，在應用到核電工程上以前，都必須在鑒定試驗裝置上，按照鑒定標準，進行一系列事故鑒定或標準鑒定，以驗證其在核電站事故期間和事故后，在高溫、輻照、腐蝕等惡劣環境中經過長時間考驗后儀表的檢測能力。

該產品的開發嚴格按照《核電廠物項設計與制造質量保證大綱》和管理程序進行控制，對先決條件、模擬件的開工、出廠等環節進行了嚴格檢查。此外，根據HAF 003《核電廠質量保證法規導則》規定及“華龍一號”技術規格書的要求編制了產品的鑒定試驗大綱，規定了工程樣機質量鑒定所采用的試驗項目、試驗條件、試驗方法和驗收準則，以證明研發的工程樣機模擬件在正常和異常運行條件、設計基準事故期間和事故后特定的運行條件下能滿足規定的功能和性能要求。在參考GB/T 12727《核電廠安全級電氣設備鑒定》基礎上，所研發溫度儀表工程樣機的主要質量鑒定試驗項目和順序整理于表3中。

表3　質量鑒定試驗項目及順序參照表

續表

工程樣機的質量鑒定試驗均由有資質的第三方承擔，過程控制較好，試驗各項指標均符合華龍一號核安全級（1E）鉑電阻溫度計的技術要求。主要技術指標如表4所示。

表4　核安全（1E）鉑電阻溫度計主要技術指標

4　應用與展望

核級設備開發是一個非常復雜的過程，而且周期較長。滿足三代核電“華龍一號”核安全（1E）級鉑電阻溫度計工程樣機，順利通過了技術規格書要求和試驗大綱規定的環境質量鑒定試驗。該工程樣機的成功研制離不開設計、材料、制造、試驗驗證、評估、監管機構等諸多方面的支持和配合。研制單位因此取得了國家核安全局頒發的“民用核安全電氣設備設計、制造許可證”，具備為民用核設施供貨的準入資格。

展望未來，本產品的成功開發將帶來以下的影響和后續工作：

（1）繼續深入研究，形成系列產品；

（2）延伸到其他類型的溫度儀表的自主化研究，最終實現全廠溫度儀表的全類型覆蓋；

（3）產業鏈擴展，實現與溫度儀表配套的電纜，接插件以及接線盒的全面國產化；

（4）行業借鑒參考，目前關鍵儀表國產化率較低，此次溫度儀表的成功研發，可以為正在國內興起的儀器儀表國產化和自主化提供很好的借鑒和參考。

［1］ 全國工業工程測量和控制標準化技術委員會．工業鉑熱電阻及鉑感溫元件：GB/T 30121/IEC 60751：2008［S］．北京：中國標準出版社，2013.

［2］ 唐會毅. 核級鉑電阻溫度計用微細鉑絲計制備方法，中國，CN 111910099 A［P］．2020.

［3］ 馮鄰江．基于FSI分析方法的溫度計套管應力分析［J］．自動化技術與應用 2015，34（11）；92-96.

［4］ 鞠華．用于提高鎧裝鉑電阻溫度計響應時間方法，中國，CN 109029755 A［P］．2018.

［5］ 鞠華．用于提高鎧裝鉑電阻溫度計響應時間的裝置，中國，CN 208270112 U［P］．2018.

Independent Development of Class 1E Platinum Resistance Temperature Detector

HUANG Meiliang1，CHEN Shuzhi1，JU Hua2,3，CHEN Jie2,3，ZHENG Yawen1,2，ZHAO Anzhong2,4，WANG Hua2,3

（1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd CGN, Shenzhen of Guangdong Prov.518 172，China；2. Chongqing Materials Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing of Sichuan Prov. 400707，China；3. National Instrument Functional Materials Engineering Technology Research Center，Chongqing 400707，China；4. Academy of Science and Technology Co.，Ltd. SINOMACH，Beijing 100050，China）

Relying on the technical requirements of the independent third-generation nuclear power HPR1000, China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., CGN, and Chongqing Materials Research Institute Co., Ltd. successfully developed the primary circuit temperature measuring detector and component engineering prototype, and passed the quality appraisal test of the third-generation nuclear power environmental conditions and realized the product supply. During the development process, technical problems such as key materials, overall structure, manufacturing technology, test verification and performance evaluation were solved.

Class 1E; Platinum resistance temperature detector; Independent development

P414.5+3

A

0258-0918（2021）06-1169-06

2021-01-11

國家科技重大專項課題（2017ZX06004004、2019ZX06002020）

黃美良（1972—），江西撫州人，高級工程師，學士，現主要從事核電儀器儀表設計及研發方面研究