核電站主泵監測用1E級鉑電阻溫度計研制進展

鞠華 嚴俐 吳雪瓊 蔡惟 王勝光 鄭雅文 趙彥 王華 陳潔 ＊

1.重慶材料研究院有限公司，重慶 400707；

2.國家儀表功能材料工程技術研究中心，重慶 400707；

3.上海核工程研究設計院，上海 200030

0 前言

反應堆冷卻劑泵（以下簡稱主泵）是確保核電站安全和可靠運行的最關鍵動力設備，屬于核安全一級，也是一回路的壓力邊界之一。主泵作為一回路中唯一的能動設備，為反應堆冷卻劑提供驅動壓頭，保證足夠的強迫循環流量通過堆芯，把反應堆產生的熱量送至蒸汽發生器，因而需要連續運行在高溫、高壓和帶放射性的環境中。主泵長期穩定安全的運行，對冷卻堆芯以及防止核電站事故的發生尤為重要，主泵常被喻為核電站的心臟，其穩定運行關系到整個核電運行的安全[3]。

核電站主泵一般有2種類型：一是屏蔽電機泵；二是濕繞組泵。雖然這2類泵都是立式無軸封泵，但是其設計理念和內部結構特點都存在著較大的差異，從而導致電機冷卻性能和惰轉飛輪機械特性等方面各有不同[4]。

核電站主泵監測用1E級鉑電阻溫度計用于指示、控制以及報警主泵軸承水溫，是保證主泵安全運行的關鍵儀表。任意一臺主泵的溫度通道經過四取二邏輯選擇后，如果產生反應堆冷卻劑泵軸承溫度高信號，會停止所有主泵，并觸發反應堆停堆。因此，監測主泵的運行狀態意義重大[5]。

國內核電廠中，主泵用1E級溫度傳感器全部采用進口，長期受制于國外供應商，采購及維護成本高，給電廠的運維帶來諸多不便及不利影響。隨著核電站設計的固化，主泵為重新設計研發設備，國外也難以直接采購到與主泵完全匹配的1E級溫度計，而且，對于不同類型主泵，監測儀表的機械套管設計、套管內環境和電氣接口等參數均有不同程度的差異。

針對國內主流核電技術功能需求，結合“屏蔽主泵”和“濕繞組主泵”2種主泵結構設計要求，參照ASME、IEEE、IEC 等國際標準，我們開展了“核電站主泵監測用1E級鉑電阻溫度計”研制工作。首先參照ASME、IEEE、IEC 等國際標準要求，開始了“屏蔽主泵”和“濕繞組主泵”2種主泵溫度監測功能需求研究，進而突破關鍵材料遴選及制備、高可靠結構設計及安裝設計、制備工藝、核級質量鑒定等關鍵技術瓶頸，開展核環境條件下質量鑒定性能評價技術研究，解決分析檢測與試驗驗證等產業化關鍵評價技術，研制了“屏蔽主泵”和“濕繞組主泵”監測用1E級鉑電阻溫度計2種型號的產品，開展應用試驗，考核質量，鑒定試驗驗證。試驗結果達到國外同類產品先進水平，可以滿足核電機組關鍵傳感器與儀表國產化需求。

1 鉑電阻溫度計的研制重點

1.1 感溫元件

鉑電阻元件作為溫度計的感溫元件，直接決定溫度計的基本性能。常見的有云母鉑熱電阻元件、陶瓷鉑熱電阻元件、玻璃鉑熱電阻元件，如今，厚膜鉑熱電阻元件和薄膜鉑熱電阻元件也漸漸發展起來，厚膜電阻頻響速度快，也得到了廣泛的應用[6]。

國內現用于核級RTD的鉑電阻元件全部依賴進口，且沒有公開在核場應用相關技術性能資料。國內主要生產鉑電阻元件廠家均執行國標，沒有通過輻照、抗震、溫度循環分析、高溫穩定性分析考核。國內曾經對進口鉑電阻元件進行設計壽命40年、B級允差要求的加速壽命試驗，但缺少溫度循環分析、高溫穩定性等研究。

1.2 溫度計結構設計

針對濕繞組主泵、屏蔽主泵不同的溫度監測功能要求，分別研制了2種型號的1E級鉑電阻溫度計。1E級鉑電阻溫度計由溫度計（鎧裝體）、保護套管、安裝螺絲、接插件及信號電纜等組成。其通過保護管M22螺紋與主泵法蘭裝配在一起，并通過固定支架固定溫度計體及接插件。

屏蔽主泵用溫度計（見圖1）要求響應時間τ0.632≤7 s。響應時間τ主要由3個因素決定：一是感溫元件自身物理特性，影響因素有導熱系數、自加熱效應、熱容及熱滯后等；二是陶瓷鉑電阻敏感元件在封裝成鉑電阻溫度計時引入附加的響應時間，因封裝結構及封裝材料的不同會產生很大的差異[3]；三是制成溫度計后，τ主要取決于溫度計保護管結構設計，與保護管壁厚呈反比。實際工況中，測量流體對保護管產生彎曲應力、受迫振動的簡諧力，以及靜壓力，其中，受迫振動的簡諧力影響力最大。由于這種高速流質將產生較大無阻尼受迫振動，因此，保護管的套管設計需平衡強度與快速響應的要求。

濕繞組主泵用溫度計（見圖2）要求響應時間τ0.632≤30 s。保護套管采用柱狀直形結構，通過保護套管與主泵法蘭焊接裝配在主泵上。

1.3 1E級鉑電阻溫度計的質量鑒定

對于新開發的核電裝備，根據功能和使用地點的不同，在應用到核電工程以前，都必須按照裝備鑒定標準在裝備鑒定試驗臺上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，在經過高溫、輻照、腐蝕等惡劣環境長時間考驗后，裝備的能動性和可操作性。國外非常重視基礎鑒定試驗設施的發展，在核電標準和鑒定規范方面的研究也遙遙領先。經過多年的發展，國外核電裝備制造業已經建立起一套完善的制造、鑒定體系和標準，裝備設計、制造、試驗的各環節都有專業的公司或科研機構來承擔，可以保證最終產品完全符合核電站的設計要求。核電站用工程樣機鑒定試驗過程是否規范，決定了以后成批生產的裝備質量能否滿足核電機組的要求。

IEEE 系列標準由國際核能工程委員會主辦，是CAP1400核電技術質量鑒定時參考的主要標準。其中，IEEE 323規定了核電站1E級設備的質量鑒定，涵蓋了電氣設備的一般規定、質量保證、鑒定和認可、功能系統設計、安裝等方面內容。依據該標準，鉑電阻在開展合理而適用的質量鑒定評價時，應進行熱老化、輻照、振動老化、地震、LOCA等試驗，以證明其在正常運行及事故條件下滿足預定功能要求。

2 監測用1E級鉑電阻溫度傳感器研發現狀

重慶材料研究院有限公司聯合上海核工程研究設計院有限公司，承擔了國家科技重大專項課題“核級傳感器用特種功能材料及元件的自主化研制”、“監測主泵的 1E 級溫度傳感器研制”的研究和開發任務。參照美國IEC、ASME等發達國家最新標準要求，在前期研發基礎上，開展并突破了系列材料和元件設計（材料成分設計、元件結構設計）-制備工藝-分析檢測-試驗驗證等全流程關鍵技術，成功研發出了“核級鎧裝鉑電阻用微細鉑絲”、“核級鎧裝鉑電阻絲繞元件”。針對我國CAP1400 核電技術功能需求，結合“屏蔽主泵”和“濕繞組主泵”2種主泵結構設計要求，采用自主開發的鉑電阻感溫元件，與同類進口元件一起制作了主泵監測用1E 級溫度傳感器工程樣機，進行了質量鑒定試驗驗證、應用試驗考核，包括分度、響應時間、絕緣電阻等基本性能的試驗，及防護試驗、EMC試驗、熱老化試驗、熱循環試驗、磨損老化試驗輻照老化試驗、機械振動試驗、地震試驗、安全殼壓力試驗，其中有機材料活化能取0.5 eV，熱老化試驗時間按EJ/T 1197中的方法1阿倫紐斯公式，計算出相應等效壽命的老化時間為1,463 h，且為了應用的廣泛性，熱循環試驗包絡了AP1000核電站壽命期內的異常工況要求。

圖3為主泵監測用1E級溫度傳感器抗震試驗安裝圖。

表1 為根據CAP1400核電技術要求制定的鑒定試驗驗證項目、要求及試驗結果，試驗結果全部滿足驗收準則的要求，表明研制的鑒定試驗樣機達到了工程化產品應用的水平。圖4為提供給“國和一號”示范工程反應堆冷卻劑泵1E級溫度傳感器，即濕繞組主泵用1E級溫度傳感器工程應用產品。

表1 鑒定試驗項目及試驗結果

地震驗證試驗樣品在運行基準地震（OBE）和安全停堆地震（SSE）期間和試驗之后在規定的試驗條件下完成其安全功能的能力。室溫：≥100 MΩ（100 VDC）0 ℃、100 ℃與基準值的校準偏差，不大于±0.28 ℃。（1）室溫下，樣品絕緣電阻均大于等于4.4×1011 Ω；（2）0 ℃、100 ℃測量值與基準值的校準偏差最大為-0.144 ℃。安全殼壓力驗證位于安全殼內設備能夠經受定期的安全殼泄露率試驗。室溫：≥100 MΩ（100 VDC）（1）目測觀察電纜及接頭、保護管、鎧裝體表面無異樣；目測觀察保護管、鎧裝體焊縫處無異常；（2）室溫下，樣品絕緣電阻均大于等于4.5×1011 Ω。功能性試驗檢測驗證樣品在核環境條件下各項試驗之后，仍能在測溫區間內具有其規定的溫度測量功能。0、100、182、260、290、330、400 ℃7 個溫度點循環測試后，0 ℃、100 ℃與基準值的校準偏差，不大于±0.28℃，其他點的誤差僅供研究，不作要求。0 ℃、100 ℃測量值與基準值的校準偏差最大為-0.033 ℃，其他各溫度點的測量值與基準值的校準偏差最大0.185 ℃。

3 結束語

目前，國內核電站主泵監測用1E級鉑電阻溫度計均采購國外產品。通過本課題研究，形成了具有自主知識產權的核電站主泵監測用1E級鉑電阻溫度計產品。該成果不僅填補國內在此領域的技術空白，滿足國內核電發展的需求，同時還將打破國外壟斷的局面，形成較強的國際市場競爭力，也可降低核電廠的采購成本，提升核電站在國內以及國際市場上的競爭力。