差压变送器在研究堆中老化管理的应用研究

2022-02-15陈建杞武文超王宏业何佳谦

化工自动化及仪表 2022年1期

陈建杞武文超蒋波陆星王宏业何佳谦张城

（中国核动力研究设计院一所）

差压变送器在研究堆中的应用十分广泛，涉及堆出入口流量、稳压器液位及一次水流量等安全相关参数的测量，对反应堆安全运行具有重要意义。部分变送器不易更换，部分所处环境存在电离辐射，变送器内也可能存在放射性介质，这对仪表的长期正常使用和测量精度会带来一定影响。笔者针对差压变送器在研究堆这一特殊环境下的维护管理进行讨论，对相似的核电厂环境及其他工况下的差压变送器管理具有借鉴意义。

1 工作原理

本研究堆采用的都是电容式差压变送器，该类变送器有高、低两个腔室，通过两个腔室不同的压力作用于敏感元件引起其位移，造成电容变化，经电路处理后输出正比于差压值的电流信号。电信号通过电压/电流转换器，经运算后送至计算机与显示仪表［1］。电容式差压变送器测量原理如图1所示。

图1 电容式差压变送器测量原理

目前有多参数、双法兰等多种新型一体式差压变送器，其主要结构特征是将信号处理模块内置于变送器内，使经过处理的电信号可直接送至显示仪表，一体式差压变送器结构示意图如图2所示。

图2 一体式差压变送器结构示意图

2 老化与误差分析

2.1 老化影响因素

核电厂中的差压变送器可能会因老化而性能下降。例如，在核电厂运行期间或事故发生后，变送器可能会因老化或故障而产生漂移、降级。因此需要对变送器进行定期测试、校准来评估预测其老化机理，识别运行中可能出现的非预期行为或退化，来确定所需的纠正措施。

2.1.1 变送器类型

根据工作原理，差压变送器可分为电容式、扩散硅式及EJA型智能变送器等，其中研究堆和核电厂常采用电容式差压变送器。电容式差压变送器利用弹性元件受压变形来改变由可移动测压弹性膜片与固定极板组成的可变电容的电容值，通过测量由电容改变引起的电流值变化来测量压差。

长期在辐照、高温、高压工况下运行使用可能导致差压变送器的膜盒性能下降，影响其测量精度［2］。

2.1.2 接口与管线

传感管线中可能存在残留的工艺流体，部分流体长期存在会腐蚀传感管线，降低变送器的稳定性。实际应用中也存在因接口老化而导致漏液、影响测量精度的问题。对于流量测量的差压变送器，还存在一次元件（孔板、弯管、流量喷嘴及文丘里管等）老化带来的测量精度影响［3］。

2.1.3 环境应激源

研究堆环境中存在许多会影响变送器性能的外部因素，如温度、湿度、电离辐射及振动等［4］。

温度。主要影响变送器的电子设备，长期服役于高温环境会导致电子设备内的芯片、二极管及晶闸管等元件性能下降甚至失效，缩短电子设备寿命。同时高温也会加快水分子通过密封件的扩散，增加湿度影响。

湿度。影响变送器的电子设备，并可能导致内部部件腐蚀。在核电厂运行期间存在很多蒸汽区域，这些地方湿度可达100%。长期工作在这种工况下会使变送器的有机聚合物密封件腐蚀失效，使水蒸气渗透到变送器中。此外高湿度还可能导致电子电路短路，也会削弱绝缘体的绝缘性能。

辐射。研究堆、核电厂部分厂房电离辐射较大，这会使变送器的弹性体、塑料及金属结构等材料受到损伤。辐射也会导致密封件脆化开裂，增加填充液的粘度，影响电子设备。

瞬变压力。差压变送器在运行工况中经常会受到小压力波动干扰，在停堆及其他突发事件下则会持续受到较大的压力波动。这些瞬变压力不仅会干扰变送器的测量准确度，还可能加速机械系统中零件的磨损和松动。

表1总结了可能导致差压变送器响应时间变慢、测量精度降低或完全失效的老化效应实例［5］。

表1 导致差压变送器性能下降的老化效应

（续表1）

2.2 误差分析

差压变送器通常每年需校准1次，以某研究堆每年的校准数据为例定量分析研究堆环境对变送器的老化影响。

2.2.1 测量不确定度u1（p）

该研究堆采用的是电容式差压变送器，该变送器自1998年启用，每年都校准合格。早期校准采用平均测量误差的方式，数据见表2。由于未计算测量工具等引入的不确定度，因此根据测量误差进行不确定度分量换算。

表2 差压变送器历年校准不确定度数据

2.2.2 多功能校验仪引入的标准不确定度u2（p）

多功能校验仪准确度等级为0.1级，输出电流范围为10-10～10-3A，按均匀分布评定，置信因子kj取，则其引入的电流不确定度u2（I）为：

该变送器量程为20 MPa，将u2对应的4～20 mA电流信号换算成u2（p），即u2（p）=0.725 kPa。

2.2.3 标准压力发生器引入的标准不确定度u3（p）

校验所使用的标准压力发生器最大绝对误差a为3.36×10-6A，置信概率p按95%计算，则置信因子kj=1.96，按照正态分布评定，其引入的不确定度u3（I）为：

电流、差压转换公式为：

即：

式中 I0——电流输出下限；

Id——电流输出值；

Im——电流量程；

pm——差压量程；

u3（p）——差压不确定度。

将u3（I）代入式（1）得：u3（p）=0.824 kPa。

2.2.4 合成不确定度UB（p）

合成不确定度计算公式为：

将1998～2017年的校准不确定度代入式（2），得到的数据经拟合后如图3所示。

图3 不确定度与拟合直线

由图3可以看出，在该研究堆仪控系统2012年老化改造之前，差压变送器合成不确定度随时间呈增大趋势，且增长速率也在增大，有超过变送器0.5级准确度等级要求的趋势。而经过2012年的一系列老化管理措施后，差压变送器计量性能得到了明显改善。

3 维护措施及相关设计

针对2.1节所述的老化影响因素，某研究堆现采用如下设计来降低差压变送器老化速率，保证变送器长期稳定可靠运行。

3.1 一次仪表间优化改造

3.1.1 恒温系统设计

老化管理改造中，对一次仪表间进行了硬件上的优化。增加了恒温空调系统，维持环境温度稳定在19～23 ℃，避免温度对仪表带来的老化影响。同时恒温空调安装在远离一次仪表侧，避免电磁干扰对测量精度的影响。

3.1.2 负压系统设计

为了保持通风，防止湿度过高和工艺房间可能泄漏的放射性气体二次泄漏，在一次仪表间改造中设计了负压系统。出于经济性和避免过大电磁干扰的考虑，负压系统采用单真空泵设计。

3.1.3 辐射监测设计

一次仪表间为非工艺房间，通常不存在产生较大电离辐射的情况，因此早期没有设计辐射监测系统。优化改造时出于安全考虑，在仪表间东、西两侧各设置1个γ探测器。同时反应堆仪控系统中已存在低放水监测、低放惰性气体β监测等系统，能保障仪表几乎不受电离辐射的影响。

改造后的一次仪表间布置如图4所示。

图4 一次仪表间布置图

3.2 接口和传感管线优化

由于定期校准导致变送器需经常拆卸、安装，影响接口的密封性。因此本次改造对所有差压变送器的接口进行了密封胶带处理，同时重新打磨了部分磨损严重的螺纹，并通过了气密性测试。之后更换了一些由于电离辐射、腐蚀、生锈而老化的传感管线，并统一了信号线缆使用，减小瞬态电流对输出信号的影响。

3.3 七阀组反冲水系统

为了排出表腔和引压管内的气体，设立与放射性介质隔离的水垫，防止变送器被污染，在使用前需对差压变送器进行反冲水操作。在引压管和一次仪表间差压变送器之间安装一个二阀组，并在二阀组排污管末端加装校表专用接头。以此将填充液充满变送器正负压腔和稳压管，排出表内残留工艺流体和气泡，起到保护仪表与提高测量精度的作用。

经过改造将原来的五阀组反冲水系统改造为七阀组系统，在正、负压腔引压管各增加了一个截止阀。相比于改造前的反冲水系统，七阀组设计能提高系统可靠性，简化反冲水操作流程，同时也使反冲水操作更加安全可靠，降低人因失误造成仪表损坏的可能性。

七阀组反冲水设计如图5所示，其中阀1、2、4、5、6、7、8、9、11为截止阀，阀3为平衡阀，阀13、14为排污塞，阀10为反冲水总阀，阀12为仪表反冲水阀。