郝正宏

(上海洛丁森工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司,上海 201108)

0 引言

鈉冷快堆工藝回路中,液態(tài)金屬鈉作為一種冷卻劑,具有導(dǎo)熱性好、高沸點(diǎn)等優(yōu)越性。只需兩三個(gè)大氣壓,液態(tài)金屬鈉冷卻劑的溫度即可達(dá)到500～600 ℃[1]。鈉液流經(jīng)堆芯將核反應(yīng)釋放的熱量帶出堆外,實(shí)現(xiàn)熱量傳遞與交換。鈉化學(xué)性質(zhì)非?；顫?易與氧和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。堆體回路中的鈉液泄漏,容易造成安全事故。因此,對(duì)鈉冷快堆工藝回路參數(shù)(壓力、溫度、流量等)的監(jiān)測(cè)尤為重要。其中,壓力參數(shù)的測(cè)量需要設(shè)計(jì)一款合適的鈉壓力變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)。鈉壓力變送器的精度誤差一般要求小于0.5%。由于我國(guó)鈉冷快堆技術(shù)還處在起步階段,目前國(guó)內(nèi)對(duì)鈉壓力變送器的研究還比較少。從結(jié)構(gòu)來(lái)看,鈉壓力測(cè)量?jī)x表主要分為填充液態(tài)鈉鉀合金隔膜式、波紋管壓力計(jì)式以及測(cè)力環(huán)式三種[2]。鈉壓力變送器的引壓連接均采用管道焊接的方式,可避免工藝管線鈉液泄漏的安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于鈉壓力變送器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)的一些特殊需求,目前相關(guān)研究甚少。例如鈉壓力變送器在線拆卸問(wèn)題、拆卸后二次安裝的誤差問(wèn)題,均需要結(jié)合鈉工藝回路工況的實(shí)際情況,從鈉壓力變送器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方案、以及性能測(cè)試驗(yàn)證方面進(jìn)行研究。

本文對(duì)鈉壓力變送器的結(jié)構(gòu)組成和特殊方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究與分析,并對(duì)鈉液高溫影響和拆卸后二次安裝影響誤差進(jìn)行了模擬測(cè)試驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了本文設(shè)計(jì)的有效性。鈉壓力變送器的設(shè)計(jì)方案作為特殊工況下的壓力測(cè)量技術(shù),具有一定的參考意義。

1 鈉壓力變送器的結(jié)構(gòu)

鈉壓力變送器總體設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)傳型毛細(xì)管傳壓結(jié)構(gòu),由高溫傳壓部件、常溫測(cè)壓部件組成。兩個(gè)部件之間設(shè)置由正、反法蘭組成的拆卸分離機(jī)構(gòu)。鈉壓力變送器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鈉壓力變送器結(jié)構(gòu)

鈉壓力變送器結(jié)構(gòu)包括引壓管、測(cè)壓膜片、測(cè)壓基座、毛細(xì)管、鈉鉀合金液、正法蘭、正隔離膜片、導(dǎo)向環(huán)、緊固螺釘、反法蘭、反隔離膜片、苯甲基硅油和壓力變送器。

鈉壓力變送器測(cè)量原理為:鈉工藝回路壓力依次經(jīng)過(guò)高溫傳壓部件、拆卸分離機(jī)構(gòu)、常溫測(cè)壓部件傳遞給壓力變送器本體,完成壓力測(cè)量并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。拆卸分離機(jī)構(gòu)是高溫傳壓部件和常溫測(cè)壓部件這兩個(gè)部件之間的過(guò)渡連接體,起到中繼傳壓作用。拆卸分離機(jī)構(gòu)是鈉壓力變送器拆卸方案的主體結(jié)構(gòu)。

1.1 高溫傳壓部件

高溫傳壓部件用于高溫鈉液壓力的測(cè)量與傳遞,由引壓管、測(cè)壓膜片、測(cè)壓基座、毛細(xì)管、正法蘭、正隔離膜片以及內(nèi)部填充的鈉鉀合金液組成。引壓管用于過(guò)程連接,與鈉回路工藝管道和測(cè)壓基座都采用焊接式連接。測(cè)壓膜片是測(cè)壓的敏感元件,和測(cè)壓基座組合形成鈉液測(cè)量膜盒。正法蘭密封端面上設(shè)置正隔離膜片,形成正向分離膜盒。毛細(xì)管連接鈉液測(cè)量膜盒和正向分離膜盒,形成密封腔體。腔體內(nèi)部填充的鈉鉀合金液可以耐高溫,并傳遞鈉液管道壓力。

1.2 常溫測(cè)壓部件

常溫測(cè)壓部件由壓力變送器、毛細(xì)管、反法蘭、反隔離膜片以及內(nèi)部充灌的苯甲基硅油組成。壓力變送器本體選用成熟的核安全級(jí)壓力變送器,并且經(jīng)過(guò)核安全級(jí)設(shè)備鑒定試驗(yàn),可以用于核電廠輻照、地震等特殊工況。反法蘭密封端面上設(shè)置反隔離膜片,形成反分離膜盒。毛細(xì)管連接壓力變送器和反分離膜盒,形成密封腔體。腔體內(nèi)部填充的苯甲基硅油,可將壓力傳遞至壓力變送器本體。苯甲基硅油可以耐γ射線輻照,累計(jì)輻照劑量可達(dá)2×106Gy,適用于核電工況[3]。

1.3 拆卸分離機(jī)構(gòu)

拆卸分離機(jī)構(gòu)采用法蘭配對(duì)方式連接。兩個(gè)法蘭密封端面上分別設(shè)置正、反隔離膜片。隔離膜片無(wú)縫貼合后,可以以一張整體膜片的形式作為壓力傳遞的載體。

2 鈉壓力變送器耐高溫、防泄漏方案

2.1 鈉壓力變送器耐高溫主要涉及材料的選擇問(wèn)題

鈉冷快堆系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),鈉工藝回路中的溫度高達(dá)550 ℃以上。高溫下,鈉液容易與金屬材料發(fā)生腐蝕反應(yīng)。鈉壓力變送器設(shè)計(jì)過(guò)程中,耐高溫和材料相容性是材料選擇的主要考慮因素。

鈉壓力變送器的引壓管和測(cè)壓基座屬于接液部件,材料可選用奧氏體耐熱不銹鋼316H。316H在1 200 ℃以上時(shí)具有良好的高溫強(qiáng)度、塑韌性、耐腐蝕性以及焊接特性,已被大量應(yīng)用于核電關(guān)鍵裝備[4]。測(cè)壓膜片屬于測(cè)壓敏感元件,厚度僅為0.08 mm,目前還沒(méi)有合適的316H選用,暫用不銹鋼316L代替。后期試驗(yàn)結(jié)果表明,316L的性能也可以滿足應(yīng)用需求。

鈉壓力變送器高溫傳壓部件的填充液選用鈉鉀合金液。鈉鉀合金是鈉與鉀形成的低共熔混合物。其比例組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為22.8%的鈉和77.2%的鉀。在101.325 kPa氣壓下,其熔點(diǎn)為-12.6 ℃,沸點(diǎn)為785 ℃。其能夠在通常的低溫、高溫及高低溫溫差較大的環(huán)境下保持液態(tài)[5]。毛細(xì)管中充灌鈉鉀合金液,能夠大幅提高鈉壓力變送器在高溫環(huán)境中的適用性。鈉鉀合金液與測(cè)量介質(zhì)鈉液為同族類元素,即使泄漏也不會(huì)對(duì)鈉回路系統(tǒng)造成污染。

2.2 鈉壓力變送器防泄漏問(wèn)題

液態(tài)金屬鈉屬于易燃易爆物品,在空氣中極易燃燒,會(huì)造成安全事故。鈉壓力變送器過(guò)程連接尤為重要,不允許鈉工藝管線中的鈉液有任何泄漏。因此,鈉壓力變送器的引壓管與鈉液管線的連通不應(yīng)采用法蘭連接,而應(yīng)改為導(dǎo)管焊接連接方式,從而避免泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

3 鈉壓力變送器的在線拆卸方案

鈉壓力變送器測(cè)壓過(guò)程連接選用焊接方式。這給變送器后期維護(hù)或周期標(biāo)定帶來(lái)一定困難。為滿足在線可拆卸需求,可選用遠(yuǎn)傳毛細(xì)管中間隔離斷開,以及耦合后還能中繼傳導(dǎo)壓力的分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3.1 分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鈉壓力變送器分離機(jī)構(gòu)由正、反法蘭組成。分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

分離機(jī)構(gòu)設(shè)置在毛細(xì)管中間斷開點(diǎn),分別連接正、反法蘭。正、反法蘭的密封端面再設(shè)置金屬正、反隔離膜片。正隔離膜片與正法蘭、毛細(xì)管、測(cè)壓基座、測(cè)壓膜片以及內(nèi)部填充的鈉鉀合金液組成高溫傳壓部件機(jī)構(gòu)。反隔離膜片與反法蘭、毛細(xì)管、壓力變送器本體以及內(nèi)部填充的苯甲基硅油組成壓力變送器常溫測(cè)壓部件機(jī)構(gòu)。正、反法蘭之間通過(guò)螺栓緊固與分離。正、反隔離膜片無(wú)縫貼合,通過(guò)作用力傳遞壓力。當(dāng)正、反法蘭拆卸分離后,鈉壓力變送器本體部分與鈉工藝回路管線實(shí)現(xiàn)分離。鈉壓力變送器的維護(hù)、周期校準(zhǔn)需求也就相應(yīng)實(shí)現(xiàn)。

3.2 分離機(jī)構(gòu)中膜片中繼傳壓方法

分離機(jī)構(gòu)中膜片采用雙隔離、中繼傳壓的方式。膜片傳壓結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 膜片傳壓結(jié)構(gòu)示意圖

鈉壓力變送器分離機(jī)構(gòu)的正、反隔離膜片同屬于彈性敏感元件:材質(zhì)選用316L;厚度為0.05 mm;直徑為60 mm。膜片表面設(shè)計(jì)為圓弧波紋形狀,正、反隔離膜片的圓弧波峰和波谷相反且吻合。加工時(shí),可將兩張膜片一同放入模具加壓成型,以確保圓弧波紋無(wú)縫貼合。當(dāng)正、反法蘭配對(duì)連接在導(dǎo)向環(huán)的限位下,需確保兩張隔離膜片精準(zhǔn)無(wú)縫貼合。正、反隔離膜片之間的作用力可進(jìn)行壓力傳遞。壓力等效傳遞計(jì)算如下:設(shè)正反隔離膜片的面積為S、高溫傳壓部件受到壓力(壓強(qiáng))為P1、壓力變送器本體受到壓力(壓強(qiáng))為P2;壓力推動(dòng)正隔離膜片產(chǎn)生位移,其作用力為F1。

(1)

F1推動(dòng)反隔離膜片聯(lián)動(dòng)位移,反隔離膜片所受的反作用力為F2。F2對(duì)壓力變送器本體產(chǎn)生P2。

P2=F2×S

(2)

因?yàn)镕1與F2為作用力和反作用力,所以有:

F1=F2

(3)

由式(1)～式(3),可得:

P1=P2

(4)

由以上分析可知,正、反隔離膜片耦合后,分離機(jī)構(gòu)的壓力實(shí)現(xiàn)了等效傳遞。

3.3 分離機(jī)構(gòu)中繼傳壓失效情況的應(yīng)對(duì)措施

在壓力測(cè)量過(guò)程中,鈉壓力變送器分離機(jī)構(gòu)中膜片中繼傳壓失效需要考慮兩種情況。第一種是正、反隔離膜片之間沒(méi)有完全貼合,間隙中存在空氣,使壓力不能完全等值傳遞,從而造成測(cè)量誤差。第二種是測(cè)量壓力為負(fù)壓或真空(壓力值小于大氣壓),導(dǎo)致正隔離膜片的受壓位移為反方向,不對(duì)反隔離膜片產(chǎn)生作用力。此時(shí),壓力也不能完全等值傳遞,會(huì)造成測(cè)量誤差。以上兩種情況可以在正、反隔離膜片之間增加填充物,例如選用高溫硅脂填充間隙空間。分離機(jī)構(gòu)在大氣的作用下,使得正、反隔離膜片成為一體,可等效傳遞壓力。

3.4 拆卸后鈉回路管線的密封保護(hù)方案

壓力變送器本體拆卸前,膜片傳壓狀態(tài)如圖4所示。

圖4 膜片傳壓狀態(tài)示意圖

鈉壓力變送器本體部件拆卸后,高溫傳壓部件與鈉工藝回路管線形成了鈉液儲(chǔ)存腔體。腔體鈉液的密封保護(hù)方案設(shè)計(jì)需要安全、可靠。此方案借鑒了硅差壓傳感器的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。方案中,測(cè)壓膜片和正隔離膜片直徑大小一致,均為60 mm,測(cè)壓基座和正法蘭背板波紋結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)相同,可以保證正法蘭端和測(cè)壓基座端腔體體積相同,那么腔體內(nèi)填充的鈉鉀合金液體積也會(huì)相同。壓力變送器本體在拆卸前,膜片保持正常傳壓狀態(tài)。

正常測(cè)量時(shí),測(cè)壓膜片與正隔離膜片受壓力而產(chǎn)生位移,兩邊腔體的鈉鉀合金液也會(huì)隨之微移動(dòng)。由于受反隔離膜片的反向作用力,其位移量非常微小,兩邊腔體的鈉鉀合金液體積基本保持平衡狀態(tài)。壓力變送器本體拆卸后,膜片截止保護(hù)狀態(tài)如圖5所示。

圖5 膜片截止保護(hù)狀態(tài)示意圖

測(cè)壓膜片受到鈉管道壓力的作用,會(huì)向測(cè)壓基座面移動(dòng);同理,正隔離膜片也會(huì)受到毛細(xì)管內(nèi)鈉鉀合金液的移動(dòng)影響,隨之向外移動(dòng)。此時(shí),沒(méi)有反隔離膜片的反向作用力時(shí),正隔離膜片就會(huì)變形,從而增大腔體體積。直至測(cè)壓膜片完全緊貼在測(cè)壓基座端面時(shí),腔體內(nèi)的鈉鉀合金液才會(huì)停止移動(dòng),使鈉液產(chǎn)生的壓力停止傳遞。測(cè)壓膜片緊貼在測(cè)壓基座端面時(shí),和引壓管以及鈉回路管線形成密封體,以保證鈉液不會(huì)外漏。而正隔離膜片因增大體積而產(chǎn)生的彈性變形量,在有效設(shè)計(jì)和控制范圍內(nèi)不會(huì)造成損傷。壓力變送器測(cè)壓部件二次安裝后,正隔離膜片受壓恢復(fù)正常測(cè)量傳壓狀態(tài)。鈉臺(tái)架高溫測(cè)試裝置如圖6所示。

圖6 鈉臺(tái)架高溫測(cè)試裝置示意圖

4 鈉壓力變送器性能驗(yàn)證

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)際工況,鈉壓力變送器在鈉回路中的高溫影響誤差和拆卸后二次安裝的影響誤差都需要模擬分析驗(yàn)證。本文試驗(yàn)選用的鈉壓力變送器量程規(guī)格為-0.1～+2.4 MPa。

4.1 鈉液高溫影響誤差性能驗(yàn)證

鈉壓力變送器高溫試驗(yàn)在核設(shè)備廠鈉臺(tái)架進(jìn)行。鈉臺(tái)架高溫測(cè)試裝置由電加熱帶、溫度傳感器、鈉液儲(chǔ)存罐、標(biāo)準(zhǔn)壓力控制器、真空泵以及截止閥等組成。

鈉臺(tái)架高溫測(cè)試裝置中:真空泵和標(biāo)準(zhǔn)壓力控制器為試驗(yàn)提供標(biāo)準(zhǔn)壓力源;電加熱帶和溫度傳感器屬于鈉液加熱以及溫度監(jiān)測(cè)元件;鈉液儲(chǔ)存罐連接鈉壓力變送器。試驗(yàn)記錄鈉壓力變送器在三組溫度參數(shù)下的試驗(yàn)輸出數(shù)據(jù)。三組溫度參數(shù)分別為:上/下行1,溫度25 ℃;上/下行2,溫度350 ℃;上/下行3,溫度550 ℃。

鈉壓力變送器高溫測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鈉壓力變送器高溫測(cè)試數(shù)據(jù)

①基本誤差為[7]:

(5)

式中:e為基本誤差,%;ΔP為上、下行程輸出的最大差值,mA;y為滿量程輸出值,mA。

②回差為[7]:

(6)

式中:e1為回差。

綜上所述,將表1數(shù)據(jù)中行程最大差值0.076 mA、最大回差值0.030 mA分別代入式(5)、式(6),求得鈉壓力變送器在高溫影響下e為0.47%、e1為0.18%。

4.2 拆卸后二次安裝誤差性能驗(yàn)證

鈉壓力變送器拆裝試驗(yàn)在室溫環(huán)境下進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備包括24 V電源、標(biāo)準(zhǔn)壓力控制器(量程范圍為-100～+3 500 kPa,0.01級(jí))、七位半數(shù)字萬(wàn)用表等。試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱四M分析鈉壓力變送器在線受壓狀態(tài)下,拆卸和安裝前后的輸出值誤差變化。試驗(yàn)的步驟如下。

首先,連通標(biāo)準(zhǔn)壓力控制器和鈉壓力變送器傳壓管路,設(shè)置輸入壓力值為0.5 MPa。待壓力穩(wěn)定后,鈉壓力變送器電流理論輸出值I為7.840 mA,而實(shí)際輸出值I1為7.844 mA。其次,拆卸鈉壓力變送器高溫遠(yuǎn)傳部件,再進(jìn)行二次安裝,待壓力穩(wěn)定后,讀取電流實(shí)際輸出值I2為7.782 mA。拆卸和安裝前后的電流輸出差值為0.062 mA。

①鈉壓力變送器安裝影響零位誤差為:

(7)

式中:δ為安裝影響零位誤差,%。試驗(yàn)取y=16 mA,將試驗(yàn)過(guò)程中的輸出值代入式(7),即可求出鈉壓力變送器拆卸后二次安裝影響誤差為0.38%。

②鈉壓力變送器二次安裝后的基本線性誤差分析。為進(jìn)一步分析鈉壓力變送器在安裝后,測(cè)量壓力線性的準(zhǔn)確性及誤差變化,試驗(yàn)進(jìn)行多次不同壓力大小,以及上、下行程的壓力測(cè)試。鈉壓力變送器安裝后線性誤差測(cè)試數(shù)據(jù)如表2。

表2 鈉壓力變送器安裝后線性誤差測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表2,鈉壓力變送器上、下行程輸出的最大差值為0.058 mA、最大回差值為0.024 mA。將其分別代入式(4)、式(5),可求得鈉壓力變送器二次安裝后e為0.36%、e1為0.15%。

5 結(jié)論

本文對(duì)鈉壓力變送器的分析與研究包括:鈉壓力變送器的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。創(chuàng)新的解決方案可滿足鈉工藝回路中耐高溫、防泄漏、在線拆卸等特殊需求。本文對(duì)鈉壓力變送器的耐高溫性能以及拆卸后二次安裝誤差進(jìn)行了模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明,鈉壓力變送器的高溫影響誤差和拆卸后二次安裝影響誤差均小于0.5%,完全滿足使用要求。依托本方案所設(shè)計(jì)的鈉壓力變送器已經(jīng)在核電快堆示范項(xiàng)目中推廣使用。