真空室内温度测量与贯穿方案的设计

2020-08-14李明钊李传霞

科技视界 2020年22期

李明钊李传霞

0 概述

参数测量系统是反应堆的一个重要组成部分，是获取反应堆运行状态信息、采取适当的安全相关行动、保证反应堆能够安全、可靠地启动、运行和关闭的重要条件。

温度作为反应堆的重要热工参数，在运行的各个阶段，都需要可靠、准确地测量，因此，通过温度传感器类型选取和温度传感器的结构设计，实现适合反应堆应用的温度传感器的研制工作，是参数测量系统构成、参数测量方案制定的最基本前提。

在某些反应堆堆型的设计中，反应堆需要在真空环境中运行，这就对温度测量与贯穿都有着较为苛刻的要求。以我院某堆型为例，反应堆需在真空室内运行，管道中液态合金冷却剂温度为500～600℃，测量要求I 级精度，耐辐照要求γ 射线累积辐照剂量1×108Gy，并要求响应时间在4 秒以内，这些要求对于测量与贯穿方案的设计都有一定的挑战。

针对核反应堆内的测温元件，国外在20 世纪六七十年代曾经进行过大量的试验和研究，认为K 型（镍铬-镍铝）铠装热电偶在核反应堆内使用，其抗辐射性能满足使用要求，并已经成功应用于核反应堆中进行温度测量，已有数十年的运行经历。对于反应堆的高温高真空、强辐射等一系列特殊测量要求，镍铬-镍铝K 型热电偶温度计能在很大程度上满足要求，而且其具有测温范围适合、耐辐照、抗振动、热响应快、测温精度高、使用寿命长、安装使用方便等优点。故在我院反应堆的温度测量方案中，选择基于K 型热电偶的测量方案设计，并在此方案基础上，确定热电偶的贯穿设计方案。

1 测量方案设计

1.1 材料选择

热电偶套管材料：套管是为了使热电极免受化学和机械作用，对热电偶起保护和支撑作用的，因此不仅要考虑使用温度，更重要的是要依据使用环境氛围以及测温的响应时间等条件来加以选择：一般在600℃以下的采用碳纲、铜、铝；在1 000℃以下使用的中温热电偶常用耐热抗腐蚀的奥氏体不锈钢；在1000℃以上时可选用钴基高温合金、铁铬钴合金或其他材料。在反应堆上的温度计工作在1 000℃以下的辐射环境下，铠装热电偶的外套管材料可采用316 H（00Cr17Ni14Mo2）奥式体不锈钢管。316 H 不锈钢具有优良的耐辐照性能，在高剂量的辐照条件下，其性能无明显的劣化，如：在3.5×1022n/cm2（E＞0.1 Mev）的辐照条件下，其屈服强度可达146 MPa，抗拉强度可达479 MPa（见[美]唐纳德.皮克纳主编《不锈钢手册》1315 页，机械工业出版社）。

热电偶丝：铠装热电偶采用K 型热电偶，偶丝的分度值、偏差和分散度应符合技术指标的要求。K 型热电偶的NiCr/NiAl偶丝，已经在世界各国的核反应堆中应用了数十年，完全能满足核辐照条件下的使用要求。NiCr/NiAl 热电偶丝需经化学成分和分度检验，应符合使用要求和EJ660 之规定。

绝缘材料：绝缘材料用于保证偶丝和套管之间的电气绝缘。选择绝缘材料要考虑电气性能及对偶丝的化学作用，一般常用的绝缘材料为氧化镁、氧化铝、氧化锆和氧化钍等。由于这些材料都具有吸湿性，因此要求采用电熔产品以降低吸湿性，选用氧化镁或氧化铝作为绝缘材料。

焊丝：用来焊接铠装热电偶套管封头的焊丝材料，应满足相应套管材料的焊接要求。温度计与工艺系统的接口连接部分材料还要考虑与工艺系统材料的焊接相容性。

1.2 安装要求与整体结构

热电偶需要固定在液态合金回路管道上，需要对热电偶与液态合金管道的连接、固定等安装形式进行设计，并保证结构的可行性与可靠性。热电偶整体结构由管嘴1、固定卡套2、弹簧3、垫片4、压紧螺母5、简易帽6、补偿电缆7、铠装热电偶8、保护管9 组成，如图1 所示。

图1 热电偶整体结构示意图

管嘴1 采用氩弧焊事先焊接在液态合金工艺管道上。铠装热电偶8 测量端插入保护管9 时，通过固定卡套2 卡住铠装热电偶8，当压紧螺母5 旋紧时，垫片4 推动弹簧3 往固定卡套2处压，使铠装热电偶8 测量端紧贴保护管9 底部，确保铠装热电偶8 测量端能更准确地感应到受热表面的温度，有利于提高热电偶的响应时间，同时确保了铠装热电偶8 的拆装。简易帽6实现了铠装热电偶8 冷端密封和冷端偶丝与补偿电缆7 的连接，确保连接处牢固可靠。

采用此结构设计的热电偶，经过样件制造与试验，其测量精度、响应时间等指标均可满足测量要求。

2 贯穿方案设计

用于测量的热电偶是处于真空室的真空环境中，信号需要送出真空室进行处理，需要考虑热电偶的贯穿。

热电偶贯穿件可采用直接贯穿或利用插头转接两种。其中，较为常用的是利用航空插头贯穿，航空插头密封性好，方便又经济，但由于引入了第三种介质，且两端温度有差异，故精度低，误差可达±5℃。采用热电偶直接贯穿可确保热电偶在真空室内无转接环节，从而进一步保证了测量的可靠性和测量精度。由于热电偶的测量原理以及所要求的测量精度所限，对于本文中所述的热电偶测量方案，主要考虑直接贯穿，亦可考虑特殊形式的转接。

2.1 利用MPF 转接头贯穿

采用MPF（MPF Products Inc.）热电偶接头进行转接是一种具有一定可行性的方案。MPF 转接头与普通的转接方式不同，普通的转接方式，易引入非均质材料，且转接两侧温度相差很大，与热电偶本身测量原理相悖，会造成很大的误差。MPF 在普通的转接形式上进行了改进，转接用端子采用与热电偶相同的材料，比如对于K 型热电偶，转接用端子即分别采用镍铬和镍铝合金。MPF 转接端子和转接头一体化，信号由转接端子引出真空室，MPF 转接头的示意图如图2 所示。

图2 MPF 转接头示意图

这样的设计可以消除转接中引入的材料以及温度误差，在一定程度上是可行的方案。但是，MPF 接头需一定成本，且其在国内反应堆相关领域应用经验较少，还需要进行进一步调研。

2.2 利用贯穿法兰直接贯穿

热电偶信号直接贯穿需要利用贯穿法兰，故此时贯穿方案分为两个部分，一部分是热电偶与法兰的连接形式，另一部分是法兰本身的设计，现分别进行一定说明。

对于热电偶与法兰的连接，经过以往经验与工程实际，初步制定了以下两种方案。

第一种方案，将热电偶与贯穿法兰焊接，保证整个机构的固定与密封。由于热电偶壁薄不宜直接焊接，故需要设计过渡管，过渡管一端与贯穿法兰焊接，另一端与热电偶外套管焊接，示意图如图3。

图3 热电偶焊接式贯穿方案示意图

第二种方案，利用成熟卡套产品（如swagelock 系列）进行固定，卡套的示意图如图4。

图4 卡套示意图

装配时，前卡套被推入到接头本体和热电偶套管形成主密封，而后卡套向内产生铰链作用对热电偶套管形成强有力的抓紧，从而实现固定。这种固定方式仅需要很小的装配扭矩，是方便快捷的固定方法。

以上两种方案都可以按要求实现热电偶与贯穿法兰的连接，经过讨论与比较，考虑到热电偶3 mm 的直径对焊接的要求会比较高，而且不方便拆卸；且卡套产品具有一定的成熟度，在实际操作更为便利，且经济性更好，故在设计中决定采用第二种方案，利用卡套进行连接。采用此种设计，将贯穿件与热电偶装配后，经过试验，其密封性满足应用需求，且该方案并不影响热电偶本身的测量精度与响应时间等指标。