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(shù)研究中心，重慶 400707；

3.上海核工程研究設(shè)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(guān)鍵動力設(shè)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(shè)備，為反應堆冷卻劑提供驅(qū)動壓頭，保證足夠的強迫循環(huán)流量通過堆芯，把反應堆產(chǎn)生的熱量送至蒸汽發(fā)生器，因而需要連續(xù)運行在高溫、高壓和帶放射性的環(huán)境中。主泵長期穩(wěn)定安全的運行，對冷卻堆芯以及防止核電站事故的發(fā)生尤為重要，主泵常被喻為核電站的心臟，其穩(wěn)定運行關(guān)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(shè)計理念和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點都存在著較大的差異，從而導致電機冷卻性能和惰轉(zhuǎn)飛輪機械特性等方面各有不同[4]。

核電站主泵監(jiān)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(guān)鍵儀表。任意一臺主泵的溫度通道經(jīng)過四取二邏輯選擇后，如果產(chǎn)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(fā)反應堆停堆。因此，監(jiān)測主泵的運行狀態(tài)意義重大[5]。

國內(nèi)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(shè)計的固化，主泵為重新設(shè)計研發(fā)設(shè)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(jiān)測儀表的機械套管設(shè)計、套管內(nèi)環(huán)境和電氣接口等參數(shù)均有不同程度的差異。

針對國內(nèi)主流核電技術(shù)功能需求，結(jié)合“屏蔽主泵”和“濕繞組主泵”2種主泵結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，參照ASME、IEEE、IEC 等國際標準，我們開展了“核電站主泵監(jiān)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(jiān)測功能需求研究，進而突破關(guān)鍵材料遴選及制備、高可靠結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝設(shè)計、制備工藝、核級質(zhì)量鑒定等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開展核環(huán)境條件下質(zhì)量鑒定性能評價技術(shù)研究，解決分析檢測與試驗驗證等產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵評價技術(shù)，研制了“屏蔽主泵”和“濕繞組主泵”監(jiān)測用1E級鉑電阻溫度計2種型號的產(chǎn)品，開展應用試驗，考核質(zhì)量，鑒定試驗驗證。試驗結(jié)果達到國外同類產(chǎn)品先進水平，可以滿足核電機組關(guān)鍵傳感器與儀表國產(chǎn)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(fā)展起來，厚膜電阻頻響速度快，也得到了廣泛的應用[6]。

國內(nèi)現(xiàn)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(guān)技術(shù)性能資料。國內(nèi)主要生產(chǎn)鉑電阻元件廠家均執(zhí)行國標，沒有通過輻照、抗震、溫度循環(huán)分析、高溫穩(wěn)定性分析考核。國內(nèi)曾經(jīng)對進口鉑電阻元件進行設(shè)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(huán)分析、高溫穩(wěn)定性等研究。

1.2 溫度計結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對濕繞組主泵、屏蔽主泵不同的溫度監(jiān)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(shù)、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(jié)構(gòu)及封裝材料的不同會產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計，與保護管壁厚呈反比。實際工況中，測量流體對保護管產(chǎn)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(zhì)將產(chǎn)生較大無阻尼受迫振動，因此，保護管的套管設(shè)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(jié)構(gòu)，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(zhì)量鑒定

對于新開發(fā)的核電裝備，根據(jù)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(jīng)過高溫、輻照、腐蝕等惡劣環(huán)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(chǔ)鑒定試驗設(shè)施的發(fā)展，在核電標準和鑒定規(guī)范方面的研究也遙遙領(lǐng)先。經(jīng)過多年的發(fā)展，國外核電裝備制造業(yè)已經(jīng)建立起一套完善的制造、鑒定體系和標準，裝備設(shè)計、制造、試驗的各環(huán)節(jié)都有專業(yè)的公司或科研機構(gòu)來承擔，可以保證最終產(chǎn)品完全符合核電站的設(shè)計要求。核電站用工程樣機鑒定試驗過程是否規(guī)范，決定了以后成批生產(chǎn)的裝備質(zhì)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(shù)質(zhì)量鑒定時參考的主要標準。其中，IEEE 323規(guī)定了核電站1E級設(shè)備的質(zhì)量鑒定，涵蓋了電氣設(shè)備的一般規(guī)定、質(zhì)量保證、鑒定和認可、功能系統(tǒng)設(shè)計、安裝等方面內(nèi)容。依據(jù)該標準，鉑電阻在開展合理而適用的質(zhì)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(jiān)測用1E級鉑電阻溫度傳感器研發(fā)現(xiàn)狀

重慶材料研究院有限公司聯(lián)合上海核工程研究設(shè)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(jiān)測主泵的 1E 級溫度傳感器研制”的研究和開發(fā)任務。參照美國IEC、ASME等發(fā)達國家最新標準要求，在前期研發(fā)基礎(chǔ)上，開展并突破了系列材料和元件設(shè)計（材料成分設(shè)計、元件結(jié)構(gòu)設(shè)計）-制備工藝-分析檢測-試驗驗證等全流程關(guān)鍵技術(shù)，成功研發(fā)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(shù)功能需求，結(jié)合“屏蔽主泵”和“濕繞組主泵”2種主泵結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，采用自主開發(fā)的鉑電阻感溫元件，與同類進口元件一起制作了主泵監(jiān)測用1E 級溫度傳感器工程樣機，進行了質(zhì)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(huán)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(huán)試驗包絡了AP1000核電站壽命期內(nèi)的異常工況要求。

圖3為主泵監(jiān)測用1E級溫度傳感器抗震試驗安裝圖。

表1 為根據(jù)CAP1400核電技術(shù)要求制定的鑒定試驗驗證項目、要求及試驗結(jié)果，試驗結(jié)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(chǎn)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(chǎn)品。

表1 鑒定試驗項目及試驗結(jié)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(guī)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(nèi)設(shè)備能夠經(jīng)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(huán)境條件下各項試驗之后，仍能在測溫區(qū)間內(nèi)具有其規(guī)定的溫度測量功能。0、100、182、260、290、330、400 ℃7 個溫度點循環(huán)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(jié)束語

目前，國內(nèi)核電站主泵監(jiān)測用1E級鉑電阻溫度計均采購國外產(chǎn)品。通過本課題研究，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核電站主泵監(jiān)測用1E級鉑電阻溫度計產(chǎn)品。該成果不僅填補國內(nèi)在此領(lǐng)域的技術(shù)空白，滿足國內(nèi)核電發(fā)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(nèi)以及國際市場上的競爭力。