差壓變送器在研究堆中老化管理的應(yīng)用研究

上海自動(dòng)化儀表有限公司通過分析某研究堆差壓變送器的性能變化和所采取的老化管理措施，討論差壓變送器防老化管理和維護(hù)保養(yǎng)的措施。

差壓變送器在研究堆中的應(yīng)用十分廣泛，涉及堆出入口流量、穩(wěn)壓器液位及一次水流量等安全相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，對(duì)反應(yīng)堆安全運(yùn)行具有重要意義。部分變送器不易更換，部分所處環(huán)境存在電離輻射，變送器內(nèi)也可能存在放射性介質(zhì)，這對(duì)儀表的長(zhǎng)期正常使用和測(cè)量精度會(huì)帶來一定影響。筆者針對(duì)差壓變送器在研究堆這一特殊環(huán)境下的維護(hù)管理進(jìn)行討論，對(duì)相似的核電廠環(huán)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(gè)腔室，通過兩個(gè)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(jīng)電路處理后輸出正比于差壓值的電流信號(hào)。電信號(hào)通過電壓/電流轉(zhuǎn)換器，經(jīng)運(yùn)算后送至計(jì)算機(jī)與顯示儀表［1］。電容式差壓變送器測(cè)量原理如圖1所示。

電容式差壓變送器測(cè)量原理

目前有多參數(shù)、雙法蘭等多種新型一體式差壓變送器，其主要結(jié)構(gòu)特征是將信號(hào)處理模塊內(nèi)置于變送器內(nèi)，使經(jīng)過處理的電信號(hào)可直接送至顯示儀表，一體式差壓變送器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

一體式差壓變送器結(jié)構(gòu)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(huì)因老化而性能下降。例如，在核電廠運(yùn)行期間或事故發(fā)生后，變送器可能會(huì)因老化或故障而產(chǎn)生漂移、降級(jí)。因此需要對(duì)變送器進(jìn)行定期測(cè)試、校準(zhǔn)來評(píng)估預(yù)測(cè)其老化機(jī)理，識(shí)別運(yùn)行中可能出現(xiàn)的非預(yù)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(jù)工作原理，差壓變送器可分為電容式、擴(kuò)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(dòng)測(cè)壓彈性膜片與固定極板組成的可變電容的電容值，通過測(cè)量由電容改變引起的電流值變化來測(cè)量壓差。長(zhǎng)期在輻照、高溫、高壓工況下運(yùn)行使用可

能導(dǎo)致差壓變送器的膜盒性能下降，影響其測(cè)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(zhǎng)期存在會(huì)腐蝕傳感管線，降低變送器的穩(wěn)定性。實(shí)際應(yīng)用中也存在因接口老化而導(dǎo)致漏液、影響測(cè)量精度的問題。對(duì)于流量測(cè)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(cè)量精度影響［3］。

2.1.3環(huán)境應(yīng)激源

研究堆環(huán)境中存在許多會(huì)影響變送器性能的外部因素，如溫度、濕度、電離輻射及振動(dòng)等［4］。

溫度。主要影響變送器的電子設(shè)備，長(zhǎng)期服役于高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備內(nèi)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(shè)備壽命。同時(shí)高溫也會(huì)加快水分子通過密封件的擴(kuò)散，增加濕度影響。

濕度。影響變送器的電子設(shè)備，并可能導(dǎo)致內(nèi)部部件腐蝕。在核電廠運(yùn)行期間存在很多蒸汽區(qū)域，這些地方濕度可達(dá)100%。長(zhǎng)期工作在這種工況下會(huì)使變送器的有機(jī)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(dǎo)致電子電路短路，也會(huì)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(huì)使變送器的彈性體、塑料及金屬結(jié)構(gòu)等材料受到損傷。輻射也會(huì)導(dǎo)致密封件脆化開裂，增加填充液的粘度，影響電子設(shè)備。

瞬變壓力。差壓變送器在運(yùn)行工況中經(jīng)常會(huì)受到小壓力波動(dòng)干擾，在停堆及其他突發(fā)事件下則會(huì)持續(xù)受到較大的壓力波動(dòng)。這些瞬變壓力不僅會(huì)干擾變送器的測(cè)量準(zhǔn)確度，還可能加速機(jī)械系統(tǒng)中零件的磨損和松動(dòng)。

表1總結(jié)了可能導(dǎo)致差壓變送器響應(yīng)時(shí)間變慢、測(cè)量精度降低或完全失效的老化效應(yīng)實(shí)例［5］。

導(dǎo)致差壓變送器性能下降的老化效應(yīng)導(dǎo)致差壓變送器性能下降的老化效應(yīng)

2.2誤差分析

差壓變送器通常每年需校準(zhǔn)1次，以某研究堆每年的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為例定量分析研究堆環(huán)境對(duì)變送器的老化影響。

2.2.1測(cè)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(zhǔn)合格。早期校準(zhǔn)采用平均測(cè)量誤差的方式，數(shù)據(jù)見表2。由于未計(jì)算測(cè)量工具等引入的不確定度，因此根據(jù)測(cè)量誤差進(jìn)行不確定度分量換算。

差壓變送器歷年校準(zhǔn)不確定度數(shù)據(jù)

2.2.2多功能校驗(yàn)儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2（p）

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

其引入的電流不確定度u2（I）

該變送器量程為20MPa，將u2對(duì)應(yīng)的4~20mA電流信號(hào)換算成u2（p），即u2（p）=0.725kPa。

2.2.3標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3（p）

校驗(yàn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器#大覺對(duì)誤差a為3.36×10-6A，置信概率p按95%計(jì)算，則置信因子kj=1.96，按照正態(tài)分布評(píng)定，其引入的不確定度u3（I）為：

引入的不確 定度u3（I）

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）=0.824kPa。

2.2.4合成不確定度UB（p）

合成不確定度計(jì)算公式為：

合成不確定度計(jì)算公式

將1998~2017年的校準(zhǔn)不確定度代入式（2），得到的數(shù)據(jù)經(jīng)擬合后如圖3所示。

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(tǒng)2012年老化改造之前，差壓變送器合成不確定度隨時(shí)間呈增大趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率也在增大，有超過變送器0.5級(jí)準(zhǔn)確度等級(jí)要求的趨勢(shì)。而經(jīng)過2012年的一系列老化管理措施后，差壓變送器計(jì)量性能得到了明顯改善。

3維護(hù)措施及相關(guān)設(shè)計(jì)

針對(duì)2.1節(jié)所述的老化影響因素，某研究堆現(xiàn)采用如下設(shè)計(jì)來降低差壓變送器老化速率，保證變送器長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3.1一次儀表間優(yōu)化改造

3.1.1恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

老化管理改造中，對(duì)一次儀表間進(jìn)行了硬件上的優(yōu)化。增加了恒溫空調(diào)系統(tǒng)，維持環(huán)境溫度穩(wěn)定在19~23℃，避免溫度對(duì)儀表帶來的老化影響。同時(shí)恒溫空調(diào)安裝在院秒一次儀表側(cè)，避免電磁干擾對(duì)測(cè)量精度的影響。

3.1.2負(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保持通風(fēng)，防止?jié)穸冗^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(shè)計(jì)了負(fù)壓系統(tǒng)。出于經(jīng)濟(jì)性和避免過大電磁干擾的考慮，負(fù)壓系統(tǒng)采用單真空泵設(shè)計(jì)。

3.1.3輻射監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

一次儀表間為非工藝房間，通常不存在產(chǎn)生較大電離輻射的情況，因此早期沒有設(shè)計(jì)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。優(yōu)化改造時(shí)出于安全考慮，在儀表間東、西兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)γ探測(cè)器。同時(shí)反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)中已存在低放水監(jiān)測(cè)、低放惰性氣體β監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，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。

一次儀表間布置圖

3.2接口和傳感管線優(yōu)化

由于定期校準(zhǔn)導(dǎo)致變送器需經(jīng)常拆卸、安裝，影響接口的密封性。因此本次改造對(duì)所有差壓變送器的接口進(jìn)行了密封膠帶處理，同時(shí)重新打磨了部分磨損嚴(yán)重的螺紋，并通過了氣密性測(cè)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(tǒng)一了信號(hào)線纜使用，減小瞬態(tài)電流對(duì)輸出信號(hào)的影響。

3.3七閥組反沖水系統(tǒng)

為了排出表腔和引壓管內(nèi)的氣體，設(shè)立與放射性介質(zhì)隔離的水墊，防止變送器被污染，在使用前需對(duì)差壓變送器進(jìn)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(gè)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(fù)壓腔和穩(wěn)壓管，排出表內(nèi)殘留工藝流體和氣泡，起到保護(hù)儀表與提高測(cè)量精度的作用。

經(jīng)過改造將原來的五閥組反沖水系統(tǒng)改造為七閥組系統(tǒng)，在正、負(fù)壓腔引壓管各增加了一個(gè)截止閥。相比于改造前的反沖水系統(tǒng)，七閥組設(shè)計(jì)能提高系統(tǒng)可靠性，簡(jiǎn)化反沖水操作流程，同時(shí)也使反沖水操作更加安全可靠，降低人因失誤造成儀表?yè)p壞的可能性。

差壓變送器七閥組反沖水設(shè)計(jì)示意圖

七閥組反沖水設(shè)計(jì)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。

4結(jié)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(duì)影響因素基于研究堆的特殊性提出了老化預(yù)防措施。上海自動(dòng)化儀表有限公司通過對(duì)實(shí)際校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析證明了反沖水設(shè)計(jì)、一次儀表間改造等老化管理措施的有效性，對(duì)研究堆和類似核電廠差壓變送器的維護(hù)與管理有一定參考意義。