差壓變送器在研究堆中老化管理的應用研究

陳建杞 武文超 蔣 波 陸 星 王宏業 何佳謙 張 城

（中國核動力研究設計院一所）

差壓變送器在研究堆中的應用十分廣泛，涉及堆出入口流量、穩壓器液位及一次水流量等安全相關參數的測量，對反應堆安全運行具有重要意義。 部分變送器不易更換，部分所處環境存在電離輻射， 變送器內也可能存在放射性介質，這對儀表的長期正常使用和測量精度會帶來一定影響。 筆者針對差壓變送器在研究堆這一特殊環境下的維護管理進行討論，對相似的核電廠環境及其他工況下的差壓變送器管理具有借鑒意義。

1 工作原理

本研究堆采用的都是電容式差壓變送器，該類變送器有高、低兩個腔室，通過兩個腔室不同的壓力作用于敏感元件引起其位移， 造成電容變化，經電路處理后輸出正比于差壓值的電流信號。 電信號通過電壓/電流轉換器，經運算后送至計算機與顯示儀表［1］。 電容式差壓變送器測量原理如圖1所示。

圖1 電容式差壓變送器測量原理

目前有多參數、雙法蘭等多種新型一體式差壓變送器，其主要結構特征是將信號處理模塊內置于變送器內，使經過處理的電信號可直接送至顯示儀表， 一體式差壓變送器結構示意圖如圖2所示。

圖2 一體式差壓變送器結構示意圖

2 老化與誤差分析

2.1 老化影響因素

核電廠中的差壓變送器可能會因老化而性能下降。 例如，在核電廠運行期間或事故發生后，變送器可能會因老化或故障而產生漂移、 降級。因此需要對變送器進行定期測試、校準來評估預測其老化機理，識別運行中可能出現的非預期行為或退化，來確定所需的糾正措施。

2.1.1 變送器類型

根據工作原理， 差壓變送器可分為電容式、擴散硅式及EJA型智能變送器等， 其中研究堆和核電廠常采用電容式差壓變送器。 電容式差壓變送器利用彈性元件受壓變形來改變由可移動測壓彈性膜片與固定極板組成的可變電容的電容值，通過測量由電容改變引起的電流值變化來測量壓差。

長期在輻照、高溫、高壓工況下運行使用可能導致差壓變送器的膜盒性能下降，影響其測量精度［2］。

2.1.2 接口與管線

傳感管線中可能存在殘留的工藝流體，部分流體長期存在會腐蝕傳感管線，降低變送器的穩定性。 實際應用中也存在因接口老化而導致漏液、影響測量精度的問題。 對于流量測量的差壓變送器，還存在一次元件（孔板、彎管、流量噴嘴及文丘里管等）老化帶來的測量精度影響［3］。

2.1.3 環境應激源

研究堆環境中存在許多會影響變送器性能的外部因素，如溫度、濕度、電離輻射及振動等［4］。

溫度。 主要影響變送器的電子設備，長期服役于高溫環境會導致電子設備內的芯片、二極管及晶閘管等元件性能下降甚至失效，縮短電子設備壽命。 同時高溫也會加快水分子通過密封件的擴散，增加濕度影響。

濕度。 影響變送器的電子設備，并可能導致內部部件腐蝕。 在核電廠運行期間存在很多蒸汽區域，這些地方濕度可達100%。 長期工作在這種工況下會使變送器的有機聚合物密封件腐蝕失效，使水蒸氣滲透到變送器中。 此外高濕度還可能導致電子電路短路，也會削弱絕緣體的絕緣性能。

輻射。 研究堆、核電廠部分廠房電離輻射較大，這會使變送器的彈性體、塑料及金屬結構等材料受到損傷。 輻射也會導致密封件脆化開裂，增加填充液的粘度，影響電子設備。

瞬變壓力。 差壓變送器在運行工況中經常會受到小壓力波動干擾，在停堆及其他突發事件下則會持續受到較大的壓力波動。 這些瞬變壓力不僅會干擾變送器的測量準確度，還可能加速機械系統中零件的磨損和松動。

表1總結了可能導致差壓變送器響應時間變慢、測量精度降低或完全失效的老化效應實例［5］。

表1 導致差壓變送器性能下降的老化效應

（續表1）

2.2 誤差分析

差壓變送器通常每年需校準1次， 以某研究堆每年的校準數據為例定量分析研究堆環境對變送器的老化影響。

2.2.1 測量不確定度u1（p）

該研究堆采用的是電容式差壓變送器，該變送器自1998年啟用，每年都校準合格。 早期校準采用平均測量誤差的方式，數據見表2。 由于未計算測量工具等引入的不確定度，因此根據測量誤差進行不確定度分量換算。

表2 差壓變送器歷年校準不確定度數據

2.2.2 多功能校驗儀引入的標準不確定度u2（p）

多功能校驗儀準確度等級為0.1級，輸出電流范圍為10-10～10-3A，按均勻分布評定，置信因子kj取，則其引入的電流不確定度u2（I）為：

該變送器量程為20 MPa，將u2對應的4～20 mA電流信號換算成u2（p），即u2（p）=0.725 kPa。

2.2.3 標準壓力發生器引入的標準不確定度u3（p）

校驗所使用的標準壓力發生器最大絕對誤差a為3.36×10-6A，置信概率p按95%計算，則置信因子kj=1.96，按照正態分布評定，其引入的不確定度u3（I）為：

電流、差壓轉換公式為：

即：

式中 I0——電流輸出下限；

Id——電流輸出值；

Im——電流量程；

pm——差壓量程；

u3（p）——差壓不確定度。

將u3（I）代入式（1）得：u3（p）=0.824 kPa。

2.2.4 合成不確定度UB（p）

合成不確定度計算公式為：

將1998～2017年的校準不確定度代入式（2），得到的數據經擬合后如圖3所示。

圖3 不確定度與擬合直線

由圖3可以看出， 在該研究堆儀控系統2012年老化改造之前，差壓變送器合成不確定度隨時間呈增大趨勢，且增長速率也在增大，有超過變送器0.5級準確度等級要求的趨勢。而經過2012年的一系列老化管理措施后，差壓變送器計量性能得到了明顯改善。

3 維護措施及相關設計

針對2.1節所述的老化影響因素，某研究堆現采用如下設計來降低差壓變送器老化速率，保證變送器長期穩定可靠運行。

3.1 一次儀表間優化改造

3.1.1 恒溫系統設計

老化管理改造中，對一次儀表間進行了硬件上的優化。 增加了恒溫空調系統，維持環境溫度穩定在19～23 ℃， 避免溫度對儀表帶來的老化影響。 同時恒溫空調安裝在遠離一次儀表側，避免電磁干擾對測量精度的影響。

3.1.2 負壓系統設計

為了保持通風， 防止濕度過高和工藝房間可能泄漏的放射性氣體二次泄漏， 在一次儀表間改造中設計了負壓系統。 出于經濟性和避免過大電磁干擾的考慮， 負壓系統采用單真空泵設計。

3.1.3 輻射監測設計

一次儀表間為非工藝房間，通常不存在產生較大電離輻射的情況，因此早期沒有設計輻射監測系統。 優化改造時出于安全考慮，在儀表間東、西兩側各設置1個γ探測器。 同時反應堆儀控系統中已存在低放水監測、 低放惰性氣體β監測等系統，能保障儀表幾乎不受電離輻射的影響。

改造后的一次儀表間布置如圖4所示。

圖4 一次儀表間布置圖

3.2 接口和傳感管線優化

由于定期校準導致變送器需經常拆卸、安裝，影響接口的密封性。 因此本次改造對所有差壓變送器的接口進行了密封膠帶處理，同時重新打磨了部分磨損嚴重的螺紋，并通過了氣密性測試。 之后更換了一些由于電離輻射、腐蝕、生銹而老化的傳感管線，并統一了信號線纜使用，減小瞬態電流對輸出信號的影響。

3.3 七閥組反沖水系統

為了排出表腔和引壓管內的氣體，設立與放射性介質隔離的水墊，防止變送器被污染，在使用前需對差壓變送器進行反沖水操作。 在引壓管和一次儀表間差壓變送器之間安裝一個二閥組，并在二閥組排污管末端加裝校表專用接頭。 以此將填充液充滿變送器正負壓腔和穩壓管，排出表內殘留工藝流體和氣泡，起到保護儀表與提高測量精度的作用。

經過改造將原來的五閥組反沖水系統改造為七閥組系統，在正、負壓腔引壓管各增加了一個截止閥。 相比于改造前的反沖水系統，七閥組設計能提高系統可靠性， 簡化反沖水操作流程，同時也使反沖水操作更加安全可靠，降低人因失誤造成儀表損壞的可能性。

七閥組反沖水設計如圖5所示， 其中閥1、2、4、5、6、7、8、9、11為截止閥，閥3為平衡閥，閥13、14為排污塞，閥10為反沖水總閥，閥12為儀表反沖水閥。

圖5 差壓變送器七閥組反沖水設計示意圖

4 結束語

綜上所述，分析了差壓變送器在研究堆工況中的老化因素，并針對影響因素基于研究堆的特殊性提出了老化預防措施。 通過對實際校準數據分析證明了反沖水設計、一次儀表間改造等老化管理措施的有效性，對研究堆和類似核電廠差壓變送器的維護與管理有一定參考意義。