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差壓變送器
電容式液位計(jì)、投入式液位計(jì)、 微差壓變送器、 音叉開(kāi)關(guān)、 雙法蘭液位計(jì); 擴(kuò)散硅壓力變送器遠(yuǎn)傳法蘭變送器; 智能變送器;單法蘭液位計(jì); 磁致伸縮液位計(jì);料位開(kāi)關(guān)

差壓變送器在研究堆中老化管理的應(yīng)用研究

作時(shí)間:2022-02-25  來(lái)源:中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院一所  作者:陳建杞 武文超 蔣 波 陸 星 王宏業(yè) 何佳謙 張 城
   

摘要:通過(guò)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。T7p壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)測(cè)量由電容改變引起的電流值變化來(lái)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(wèn)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(lái)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(guò)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(kāi)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(jiàn)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(jué)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(guò)變送器0.5級(jí)準(zhǔn)確度等級(jí)要求的趨勢(shì)。而經(jīng)過(guò)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(lái)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(lái)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^(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)改造將原來(lái)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(yǔ)
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。通過(guò)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。
 

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