核電廠1E級(jí)磁浮子液位計(jì)技術(shù)特點(diǎn)及制造要求

樊曉東

摘 要：磁浮子液位計(jì)在核電廠工藝系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，本文介紹了1E級(jí)磁浮子液位計(jì)的工作原理及性能要求，歸納總結(jié)了儀表設(shè)計(jì)制造的相關(guān)要求以及難點(diǎn)，并分享了AP1000項(xiàng)目設(shè)備采購(gòu)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)反饋。

關(guān)鍵詞：1E級(jí);磁浮子液位計(jì);旁通管;設(shè)備鑒定

中圖分類號(hào)：TH816 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）04-0179-02

磁浮子液位計(jì)作為浮力式液體測(cè)量?jī)x表一類，由于其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、測(cè)量精度較高、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好、基于磁感應(yīng)原理可保證一回路壓力邊界完整性等特點(diǎn)，在核電廠工藝系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。在AP1000系列核電廠設(shè)計(jì)中，磁浮子液位計(jì)主要有兩種應(yīng)用，分別為1E級(jí)堆芯補(bǔ)水箱液位測(cè)量（CMT液位計(jì)）以及1E級(jí)安全殼水淹液位測(cè)量（CFU液位計(jì)）。其中CMT液位計(jì)包含核一級(jí)旁通管且處于殼內(nèi)嚴(yán)酷工況環(huán)境下，因此較于普通工業(yè)級(jí)浮子液位計(jì)技術(shù)特性復(fù)雜、制造難度高，本文將對(duì)CMT液位計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)與制造要求進(jìn)行介紹。

1 儀表設(shè)計(jì)要求

1.1 儀表結(jié)構(gòu)

1E級(jí)CMT磁浮子液位計(jì)的主體結(jié)構(gòu)分為儀表部分和機(jī)械部分，由旁通管、干簧鏈組件、磁浮子以及變送器電子部件等組件構(gòu)成。除易損件、有限耐輻照能力的部件外，儀表主體應(yīng)能滿足核電站全壽期使用要求。

儀表部分由傳感器和變送器組成，其中傳感器包含干簧鏈、旁通管、磁浮子等部件。干簧鏈由并接的磁力驅(qū)動(dòng)的常開干簧管和串聯(lián)的電阻組成，封裝在密封管內(nèi)。

機(jī)械部分的主體是核一級(jí)/ASME NB級(jí)的旁通管，其頂部和底部分別設(shè)有排氣口和排污口，用于連接隔離閥和排氣/排液儀表管。內(nèi)置磁感線圈的浮子為串聯(lián)式的球形浮子或兩端為球形的圓柱體浮子，浮子置于一根包含浮子室的旁通管內(nèi)，浮子可在旁通管內(nèi)自由的隨液位變化上下移動(dòng)，干簧鏈組件位于旁通管外部。

1.2 儀表工作原理

磁浮子液位計(jì)是根據(jù)阿基米德定律和磁耦合原理設(shè)計(jì)而成的液位測(cè)量?jī)x表。磁性浮子是磁浮子液位計(jì)的核心元件，浮子是由特殊材料做成的薄壁圓筒/球形結(jié)構(gòu)的空心物體。浮子內(nèi)鑲嵌磁性體，磁性體隨浮子上下移動(dòng)，產(chǎn)生的磁力線通過旁通管壁驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)位置的干簧管接通，通過引線引出與液位高度相對(duì)應(yīng)的電阻鏈阻值，再經(jīng)電子部件轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳輸給電廠儀控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量液位的功能。

1.3 儀表性能要求

CMT液位計(jì)主要的性能要求以及驗(yàn)證要求包括：（1）總精度要求：基于參考精度，在綜合考慮漂移影響和環(huán)境條件影響導(dǎo)致的誤差，無論是在正常運(yùn)行、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（含事故后工況）下，液位計(jì)的總精度不低于儀表標(biāo)定量程的 ±2.5%。對(duì)于1E級(jí)儀表，制造廠應(yīng)通過設(shè)備鑒定進(jìn)行驗(yàn)證。（2）電氣性能：干簧鏈、接線盒、引線的電氣特性應(yīng)滿足要求，主要的電氣特性包括總電阻（依據(jù)廠家標(biāo)準(zhǔn)）、每個(gè)干簧管的接觸電阻（依據(jù)廠家標(biāo)準(zhǔn)）、端子引腳間的絕緣電阻（不低于10兆歐）。此性能要求需通過出廠試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。（3）輻照耐受：CMT液位計(jì)位于殼內(nèi)，需要考慮輻照對(duì)設(shè)備的影響。其中位于CMT上部位置的儀表60年累積劑量為10Gy，下部為526Gy，皆屬于輻照嚴(yán)酷環(huán)境條件。制造廠在選型與產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分考慮，并通過設(shè)備鑒定進(jìn)行驗(yàn)證。（4）響應(yīng)時(shí)間：干簧鏈組件中引起每步電阻變化的信號(hào)輸輸入到其產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)輸出所需時(shí)間應(yīng)不大于0.2秒。此特性一般是在設(shè)備型式試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。（5）漂移影響：標(biāo)定（含開機(jī)后零點(diǎn)和量程）在1天內(nèi)的變化率不能超過量程的0.1%，并且儀表在5年內(nèi)量程變化不超過0.25%。對(duì)此，制造廠一般需進(jìn)行型式試驗(yàn)，其中至少包含6個(gè)月試驗(yàn)運(yùn)行，以證明穩(wěn)定性。（6）不確定性：儀表在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故期期間及事故后的性能均具有高的置信度，制造廠可以基于設(shè)計(jì)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析或型型式試驗(yàn)中的一種或多種方法來證明。

2 儀表設(shè)計(jì)制造難點(diǎn)

2.1 設(shè)備鑒定要求

1E級(jí)CMT液位計(jì)是監(jiān)管物項(xiàng)，適用我國(guó)核安全法規(guī)HAF102第5.5.2項(xiàng)的要求。為了證明CMT液位計(jì)在其整個(gè)設(shè)計(jì)壽期內(nèi)可以執(zhí)行其必要的預(yù)期功能，制造廠必須對(duì)儀表樣機(jī)進(jìn)行設(shè)備鑒定。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CMT液位計(jì)的設(shè)備鑒定包含以下項(xiàng)目（按順序排列）：性能試驗(yàn)（主體為型式試驗(yàn)）、EMC試驗(yàn)、正常和異常極端環(huán)境試驗(yàn)、熱老化和熱循環(huán)、運(yùn)行老化、正常輻照老化、振動(dòng)老化、抗震鑒定試驗(yàn)、DBA后輻照老化、DBA瞬態(tài)溫度、安全殼壓力試驗(yàn)、水淹試驗(yàn)、化學(xué)工況模擬、嚴(yán)重事故鑒定（氫爆試驗(yàn)）以及最終性能試驗(yàn)。

在執(zhí)行CMT液位計(jì)設(shè)備鑒定工作的過程中需注意以下要點(diǎn)：（1）在制定鑒定程序時(shí)必須考慮到液位計(jì)預(yù)期壽期內(nèi)由各種環(huán)境因素（如振動(dòng)、輻照、濕度、溫度）引起的老化效應(yīng)。由于CMT液位計(jì)需要在外部自然事件以及核電廠事故后依舊執(zhí)行安全功能，因此所選取的鑒定方法必須盡可能地復(fù)現(xiàn)這些工況（如地震和高能管管道破裂、主蒸汽管道道破裂和喪失冷卻劑事事故等）。（2）液位計(jì)需進(jìn)行EMC試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)，這兩項(xiàng)試驗(yàn)屬于性能試驗(yàn)，無強(qiáng)制的試驗(yàn)順序要求，也可以不同的樣機(jī)上進(jìn)行。（3）液位計(jì)的正常輻照老化和DBA后輻照老化可以合并在一起完成，也可以分階段完成，合并的方式比分階段要嚴(yán)酷。（4）運(yùn)行老化、振動(dòng)老化、熱老化、輻照老化等老化階段的執(zhí)行沒有明確的先后順序要求，可以根據(jù)試驗(yàn)條件合理安排。（5）CMT液位計(jì)在核電廠事故后的一段時(shí)間內(nèi)均需要保持功能，且其在事故工況水淹水位以下，因此還需要進(jìn)行水淹鑒定。其電纜僅需保持其結(jié)構(gòu)完整性，儀表設(shè)備則需要保證功能可用性。水淹試驗(yàn)是無法通過提高試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行加速的，因此在制定設(shè)備鑒定計(jì)劃時(shí)需要合理的安排。（6）CMT液位計(jì)需進(jìn)行的安全殼壓力試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，儀表將經(jīng)受周圍環(huán)境壓力從-101.3kPa上升至509kPa的狀態(tài)變化，制造廠需充分考慮對(duì)儀表性能的影響。

2.2 機(jī)械部件制造要求

根據(jù)AP1000核電廠設(shè)計(jì)，CMT液位計(jì)的旁通管歸類為機(jī)械A(chǔ)級(jí)的壓力容器，需要遵照ASME BPVC第III卷壓力容器I級(jí)部件、核安全1級(jí)設(shè)備的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，制造要求極高。若設(shè)備由境外制造廠供貨，則旁通管還需蓋ASME N鋼印，制造全程接受ASME授權(quán)檢驗(yàn)師的監(jiān)督。除了核心結(jié)構(gòu)旁通管外，接口法蘭、墊圈、管道焊接、螺栓、緊固件、支撐件以及相關(guān)的無損檢測(cè)都有專屬的制造要求，稍有偏差就有可能導(dǎo)致整個(gè)旁通管組件的報(bào)廢，因此廠家應(yīng)編制相應(yīng)的制造流轉(zhuǎn)卡對(duì)全過程進(jìn)行嚴(yán)格的管控。

另一方面，旁通管屬于核安全1類壓力容器適用我國(guó)核安全法相關(guān)的監(jiān)管要求，制造廠也需要具備相應(yīng)的HAF601資質(zhì)，制造過程中對(duì)缺陷及不符合項(xiàng)報(bào)告的處理應(yīng)遵循HAD 003/03的要求。由于CMT液位計(jì)制造的質(zhì)量保證以及法規(guī)監(jiān)管要求極高，儀表廠家一般是無法獨(dú)立完成整個(gè)儀表包的供貨，通常的做法是將旁通管與設(shè)備鑒定工作分包給有資質(zhì)的單位完成，但需要注意的是總包的儀表廠家需要在申辦液位計(jì)HAF601資質(zhì)時(shí)需要將分包方案向我國(guó)核安全監(jiān)管單位申報(bào)并獲得許可。

2.3 測(cè)量元件制造要求

在磁浮子液位計(jì)制造過程中，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮不周以及加工質(zhì)量控制不善往往會(huì)給儀表功能實(shí)現(xiàn)帶來負(fù)面影響，導(dǎo)致儀表在使用的過程中較容易外部干擾，影響穩(wěn)定性與精確度。其中比較常見的問題有：

2.3.1 磁浮子設(shè)計(jì)

磁浮子形狀常見有球形、圓柱形、串聯(lián)球形等。在磁浮子選型時(shí)需要注意平衡重量、承壓特性、動(dòng)作特性等因素，需要考慮的問題包括被測(cè)介質(zhì)密度因溫度變化變化會(huì)導(dǎo)致磁浮子浮力變化、磁浮子耐受外部壓力的能力、是否需要充氣、材料選擇是否能夠耐受介質(zhì)長(zhǎng)期浸泡。

2.3.2 旁通管線性度與尺寸控制

由于ASME 1類壓力容器對(duì)焊縫提出了較高的檢測(cè)要求，旁通管部分接口的焊縫由于位置不佳、尺寸較小有可能無法被檢測(cè)，因此部分制造廠往往選擇分段制造旁通管，最終通過焊接總裝成型，以便于對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)。這種制造方案會(huì)增加旁通管線性度、尺寸控制的難度，而線性度與尺寸會(huì)影響到磁浮子在旁通管內(nèi)的順暢移動(dòng)與零點(diǎn)位置，因此在制造過程中需進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

2.3.3 電子部件抗干擾設(shè)計(jì)

從干簧鏈感知磁浮子磁場(chǎng)閉合到變送器將信號(hào)傳出，整個(gè)信號(hào)傳遞過程容易受到電磁波或兩條相鄰的信號(hào)線產(chǎn)生互感效應(yīng)還有一些其他外界干擾，影響測(cè)量精度。因此制造廠應(yīng)當(dāng)確保電子部件抗干擾設(shè)計(jì)有效性，對(duì)裝配過程進(jìn)行有效的管控。

2.4 儀表工廠試驗(yàn)要求

CMT液位計(jì)的出廠驗(yàn)收試驗(yàn)是其制造質(zhì)量控制實(shí)踐中最重要的一環(huán)，一般需包含以下項(xiàng)目：（1）標(biāo)定試驗(yàn)（參考精度驗(yàn)證試驗(yàn)）：在液位上升和下降時(shí)，儀表標(biāo)定精度都應(yīng)滿足要求。標(biāo)定試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)在環(huán)境溫度21°C至27°C的條件下進(jìn)行，每一個(gè)液位計(jì)都需要進(jìn)行覆蓋至少兩個(gè)上升下降循環(huán)的“九點(diǎn)標(biāo)定”，即在0%、25%、50%、75%、100%的量程處進(jìn)行出廠標(biāo)定，以評(píng)估精度、滯環(huán)、線性度和和重復(fù)性。標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證的是參考精度，即在參考環(huán)境下指示液位與實(shí)際液位之間的偏差的最大值，它是總精度的計(jì)算要素。需要注意的是在進(jìn)行標(biāo)定時(shí)儀表標(biāo)定時(shí)的安裝方式應(yīng)與實(shí)際工程安裝方式一致。（2）溫漂試驗(yàn)：殼內(nèi)安裝的傳感器應(yīng)在49℃到149℃的范圍內(nèi)進(jìn)行溫漂試驗(yàn)，而殼外安裝的分體式電子部件應(yīng)在4℃到49℃間進(jìn)行試驗(yàn)。溫漂試驗(yàn)通過的判據(jù)首先是由溫度每變化28℃引起的變送器輸出變化不應(yīng)超過0.5%量程，其次當(dāng)回到正常溫度后變送器精度應(yīng)滿足參考精度要求，最后在4℃到49℃間溫度變化與輸出偏差應(yīng)當(dāng)是線性關(guān)系。（3）干簧鏈總電阻測(cè)定：用精度為1歐姆的歐姆表對(duì)處于全旁路狀態(tài)下的電路直流電阻進(jìn)行測(cè)定。（4）接觸電阻測(cè)定：使用永久磁鐵使單個(gè)干簧管閉合，測(cè)量對(duì)應(yīng)干簧管的接觸電阻。每個(gè)干簧管的接觸電阻都需要進(jìn)行測(cè)定。（5）絕緣電阻測(cè)量：使用5000VDC的兆歐表對(duì)電氣連接器引腳至引腳間，及引腳至外殼間的絕緣電阻值進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量結(jié)果應(yīng)大于10兆歐。（6）靜壓泄漏試驗(yàn)：對(duì)液位計(jì)所有承壓部件進(jìn)行1.25倍設(shè)計(jì)壓力的靜壓泄漏試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間10分鐘。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了AP1000核電廠1E級(jí)磁浮子液位計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)以及制造要求，希望對(duì)該類儀表的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化工作有所助益。