樊曉東

摘 要：磁浮子液位計在核電廠工藝系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，本文介紹了1E級磁浮子液位計的工作原理及性能要求，歸納總結(jié)了儀表設(shè)計制造的相關(guān)要求以及難點，并分享了AP1000項目設(shè)備采購相關(guān)經(jīng)驗反饋。

關(guān)鍵詞：1E級;磁浮子液位計;旁通管;設(shè)備鑒定

中圖分類號：TH816 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0179-02

磁浮子液位計作為浮力式液體測量儀表一類，由于其結(jié)構(gòu)堅固、測量精度較高、長期工作穩(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，在核電廠工藝系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。在AP1000系列核電廠設(shè)計中，磁浮子液位計主要有兩種應(yīng)用，分別為1E級堆芯補水箱液位測量（CMT液位計）以及1E級安全殼水淹液位測量（CFU液位計）。其中CMT液位計包含核一級旁通管且處于殼內(nèi)嚴酷工況環(huán)境下，因此較于普通工業(yè)級浮子液位計技術(shù)特性復(fù)雜、制造難度高，本文將對CMT液位計的技術(shù)特點與制造要求進行介紹。

1 儀表設(shè)計要求

1.1 儀表結(jié)構(gòu)

1E級CMT磁浮子液位計的主體結(jié)構(gòu)分為儀表部分和機械部分，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)動的常開干簧管和串聯(lián)的電阻組成，封裝在密封管內(nèi)。

機械部分的主體是核一級/ASME NB級的旁通管，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，干簧鏈組件位于旁通管外部。

1.2 儀表工作原理

磁浮子液位計是根據(jù)阿基米德定律和磁耦合原理設(shè)計而成的液位測量儀表。磁性浮子是磁浮子液位計的核心元件，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，產(chǎn)生的磁力線通過旁通管壁驅(qū)動對應(yīng)位置的干簧管接通，通過引線引出與液位高度相對應(yīng)的電阻鏈阻值，再經(jīng)電子部件轉(zhuǎn)換成標準的信號傳輸給電廠儀控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)測量液位的功能。

1.3 儀表性能要求

CMT液位計主要的性能要求以及驗證要求包括：（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，無論是在正常運行、設(shè)計基準事故（含事故后工況）下，液位計的總精度不低于儀表標定量程的 ±2.5%。對于1E級儀表，制造廠應(yīng)通過設(shè)備鑒定進行驗證。（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)廠家標準）、每個干簧管的接觸電阻（依據(jù)廠家標準）、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進行驗證。（3）輻照耐受：CMT液位計位于殼內(nèi)，需要考慮輻照對設(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，皆屬于輻照嚴酷環(huán)境條件。制造廠在選型與產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)予以充分考慮，并通過設(shè)備鑒定進行驗證。（4）響應(yīng)時間：干簧鏈組件中引起每步電阻變化的信號輸輸入到其產(chǎn)生相應(yīng)的信號輸出所需時間應(yīng)不大于0.2秒。此特性一般是在設(shè)備型式試驗中進行驗證。（5）漂移影響：標定（含開機后零點和量程）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%。對此，制造廠一般需進行型式試驗，其中至少包含6個月試驗運行，以證明穩(wěn)定性。（6）不確定性：儀表在設(shè)計基準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)計計算、統(tǒng)計分析或型型式試驗中的一種或多種方法來證明。

2 儀表設(shè)計制造難點

2.1 設(shè)備鑒定要求

1E級CMT液位計是監(jiān)管物項，適用我國核安全法規(guī)HAF102第5.5.2項的要求。為了證明CMT液位計在其整個設(shè)計壽期內(nèi)可以執(zhí)行其必要的預(yù)期功能，制造廠必須對儀表樣機進行設(shè)備鑒定。根據(jù)設(shè)計要求，CMT液位計的設(shè)備鑒定包含以下項目（按順序排列）：性能試驗（主體為型式試驗）、EMC試驗、正常和異常極端環(huán)境試驗、熱老化和熱循環(huán)、運行老化、正常輻照老化、振動老化、抗震鑒定試驗、DBA后輻照老化、DBA瞬態(tài)溫度、安全殼壓力試驗、水淹試驗、化學(xué)工況模擬、嚴重事故鑒定（氫爆試驗）以及最終性能試驗。

在執(zhí)行CMT液位計設(shè)備鑒定工作的過程中需注意以下要點：（1）在制定鑒定程序時必須考慮到液位計預(yù)期壽期內(nèi)由各種環(huán)境因素（如振動、輻照、濕度、溫度）引起的老化效應(yīng)。由于CMT液位計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）液位計需進行EMC試驗和環(huán)境試驗，這兩項試驗屬于性能試驗，無強制的試驗順序要求，也可以不同的樣機上進行。（3）液位計的正常輻照老化和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酷。（4）運行老化、振動老化、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)試驗條件合理安排。（5）CMT液位計在核電廠事故后的一段時間內(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。水淹試驗是無法通過提高試驗參數(shù)進行加速的，因此在制定設(shè)備鑒定計劃時需要合理的安排。（6）CMT液位計需進行的安全殼壓力試驗。在試驗過程中，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儀表性能的影響。

2.2 機械部件制造要求

根據(jù)AP1000核電廠設(shè)計，CMT液位計的旁通管歸類為機械A(chǔ)級的壓力容器，需要遵照ASME BPVC第III卷壓力容器I級部件、核安全1級設(shè)備的要求進行設(shè)計和制造，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)的無損檢測都有專屬的制造要求，稍有偏差就有可能導(dǎo)致整個旁通管組件的報廢，因此廠家應(yīng)編制相應(yīng)的制造流轉(zhuǎn)卡對全過程進行嚴格的管控。

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)，制造過程中對缺陷及不符合項報告的處理應(yīng)遵循HAD 003/03的要求。由于CMT液位計制造的質(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立完成整個儀表包的供貨，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HAF601資質(zhì)時需要將分包方案向我國核安全監(jiān)管單位申報并獲得許可。

2.3 測量元件制造要求

在磁浮子液位計制造過程中，由于產(chǎn)品設(shè)計考慮不周以及加工質(zhì)量控制不善往往會給儀表功能實現(xiàn)帶來負面影響，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

磁浮子形狀常見有球形、圓柱形、串聯(lián)球形等。在磁浮子選型時需要注意平衡重量、承壓特性、動作特性等因素，需要考慮的問題包括被測介質(zhì)密度因溫度變化變化會導(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類壓力容器對焊縫提出了較高的檢測要求，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，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，以便于對焊縫進行檢測。這種制造方案會增加旁通管線性度、尺寸控制的難度，而線性度與尺寸會影響到磁浮子在旁通管內(nèi)的順暢移動與零點位置，因此在制造過程中需進行嚴格的控制。

2.3.3 電子部件抗干擾設(shè)計

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

2.4 儀表工廠試驗要求

CMT液位計的出廠驗收試驗是其制造質(zhì)量控制實踐中最重要的一環(huán)，一般需包含以下項目：（1）標定試驗（參考精度驗證試驗）：在液位上升和下降時，儀表標定精度都應(yīng)滿足要求。標定試驗應(yīng)當在環(huán)境溫度21°C至27°C的條件下進行，每一個液位計都需要進行覆蓋至少兩個上升下降循環(huán)的“九點標定”，即在0%、25%、50%、75%、100%的量程處進行出廠標定，以評估精度、滯環(huán)、線性度和和重復(fù)性。標定試驗驗證的是參考精度，即在參考環(huán)境下指示液位與實際液位之間的偏差的最大值，它是總精度的計算要素。需要注意的是在進行標定時儀表標定時的安裝方式應(yīng)與實際工程安裝方式一致。（2）溫漂試驗：殼內(nèi)安裝的傳感器應(yīng)在49℃到149℃的范圍內(nèi)進行溫漂試驗，而殼外安裝的分體式電子部件應(yīng)在4℃到49℃間進行試驗。溫漂試驗通過的判據(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)當是線性關(guān)系。（3）干簧鏈總電阻測定：用精度為1歐姆的歐姆表對處于全旁路狀態(tài)下的電路直流電阻進行測定。（4）接觸電阻測定：使用永久磁鐵使單個干簧管閉合，測量對應(yīng)干簧管的接觸電阻。每個干簧管的接觸電阻都需要進行測定。（5）絕緣電阻測量：使用5000VDC的兆歐表對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行測定，測量結(jié)果應(yīng)大于10兆歐。（6）靜壓泄漏試驗：對液位計所有承壓部件進行1.25倍設(shè)計壓力的靜壓泄漏試驗，持續(xù)時間10分鐘。

3 結(jié)語

本文介紹了AP1000核電廠1E級磁浮子液位計的技術(shù)特點以及制造要求，希望對該類儀表的設(shè)備國產(chǎn)化工作有所助益。