核电厂1E级磁浮子液位计技术特点及制造要求

樊晓东

摘 要：磁浮子液位计在核电厂工艺系统中应用广泛，本文介绍了1E级磁浮子液位计的工作原理及性能要求，归纳总结了仪表设计制造的相关要求以及难点，并分享了AP1000项目设备采购相关经验反馈。

关键词：1E级;磁浮子液位计;旁通管;设备鉴定

中图分类号：TH816 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0179-02

磁浮子液位计作为浮力式液体测量仪表一类，由于其结构坚固、测量精度较高、长期工作稳定性好、基于磁感应原理可保证一回路压力边界完整性等特点，在核电厂工艺系统中应用广泛。在AP1000系列核电厂设计中，磁浮子液位计主要有两种应用，分别为1E级堆芯补水箱液位测量（CMT液位计）以及1E级安全壳水淹液位测量（CFU液位计）。其中CMT液位计包含核一级旁通管且处于壳内严酷工况环境下，因此较于普通工业级浮子液位计技术特性复杂、制造难度高，本文将对CMT液位计的技术特点与制造要求进行介绍。

1 仪表设计要求

1.1 仪表结构

1E级CMT磁浮子液位计的主体结构分为仪表部分和机械部分，由旁通管、干簧链组件、磁浮子以及变送器电子部件等组件构成。除易损件、有限耐辐照能力的部件外，仪表主体应能满足核电站全寿期使用要求。

仪表部分由传感器和变送器组成，其中传感器包含干簧链、旁通管、磁浮子等部件。干簧链由并接的磁力驱动的常开干簧管和串联的电阻组成，封装在密封管内。

机械部分的主体是核一级/ASME NB级的旁通管，其顶部和底部分别设有排气口和排污口，用于连接隔离阀和排气/排液仪表管。内置磁感线圈的浮子为串联式的球形浮子或两端为球形的圆柱体浮子，浮子置于一根包含浮子室的旁通管内，浮子可在旁通管内自由的随液位变化上下移动，干簧链组件位于旁通管外部。

1.2 仪表工作原理

磁浮子液位计是根据阿基米德定律和磁耦合原理设计而成的液位测量仪表。磁性浮子是磁浮子液位计的核心元件，浮子是由特殊材料做成的薄壁圆筒/球形结构的空心物体。浮子内镶嵌磁性体，磁性体随浮子上下移动，产生的磁力线通过旁通管壁驱动对应位置的干簧管接通，通过引线引出与液位高度相对应的电阻链阻值，再经电子部件转换成标准的信号传输给电厂仪控系统，从而实现测量液位的功能。

1.3 仪表性能要求

CMT液位计主要的性能要求以及验证要求包括：（1）总精度要求：基于参考精度，在综合考虑漂移影响和环境条件影响导致的误差，无论是在正常运行、设计基准事故（含事故后工况）下，液位计的总精度不低于仪表标定量程的 ±2.5%。对于1E级仪表，制造厂应通过设备鉴定进行验证。（2）电气性能：干簧链、接线盒、引线的电气特性应满足要求，主要的电气特性包括总电阻（依据厂家标准）、每个干簧管的接触电阻（依据厂家标准）、端子引脚间的绝缘电阻（不低于10兆欧）。此性能要求需通过出厂试验进行验证。（3）辐照耐受：CMT液位计位于壳内，需要考虑辐照对设备的影响。其中位于CMT上部位置的仪表60年累积剂量为10Gy，下部为526Gy，皆属于辐照严酷环境条件。制造厂在选型与产品设计时应予以充分考虑，并通过设备鉴定进行验证。（4）响应时间：干簧链组件中引起每步电阻变化的信号输输入到其产生相应的信号输出所需时间应不大于0.2秒。此特性一般是在设备型式试验中进行验证。（5）漂移影响：标定（含开机后零点和量程）在1天内的变化率不能超过量程的0.1%，并且仪表在5年内量程变化不超过0.25%。对此，制造厂一般需进行型式试验，其中至少包含6个月试验运行，以证明稳定性。（6）不确定性：仪表在设计基准事故期期间及事故后的性能均具有高的置信度，制造厂可以基于设计计算、统计分析或型型式试验中的一种或多种方法来证明。

2 仪表设计制造难点

2.1 设备鉴定要求

1E级CMT液位计是监管物项，适用我国核安全法规HAF102第5.5.2项的要求。为了证明CMT液位计在其整个设计寿期内可以执行其必要的预期功能，制造厂必须对仪表样机进行设备鉴定。根据设计要求，CMT液位计的设备鉴定包含以下项目（按顺序排列）：性能试验（主体为型式试验）、EMC试验、正常和异常极端环境试验、热老化和热循环、运行老化、正常辐照老化、振动老化、抗震鉴定试验、DBA后辐照老化、DBA瞬态温度、安全壳压力试验、水淹试验、化学工况模拟、严重事故鉴定（氢爆试验）以及最终性能试验。

在执行CMT液位计设备鉴定工作的过程中需注意以下要点：（1）在制定鉴定程序时必须考虑到液位计预期寿期内由各种环境因素（如振动、辐照、湿度、温度）引起的老化效应。由于CMT液位计需要在外部自然事件以及核电厂事故后依旧执行安全功能，因此所选取的鉴定方法必须尽可能地复现这些工况（如地震和高能管管道破裂、主蒸汽管道道破裂和丧失冷却剂事事故等）。（2）液位計需进行EMC试验和环境试验，这两项试验属于性能试验，无强制的试验顺序要求，也可以不同的样机上进行。（3）液位计的正常辐照老化和DBA后辐照老化可以合并在一起完成，也可以分阶段完成，合并的方式比分阶段要严酷。（4）运行老化、振动老化、热老化、辐照老化等老化阶段的执行没有明确的先后顺序要求，可以根据试验条件合理安排。（5）CMT液位计在核电厂事故后的一段时间内均需要保持功能，且其在事故工况水淹水位以下，因此还需要进行水淹鉴定。其电缆仅需保持其结构完整性，仪表设备则需要保证功能可用性。水淹试验是无法通过提高试验参数进行加速的，因此在制定设备鉴定计划时需要合理的安排。（6）CMT液位计需进行的安全壳压力试验。在试验过程中，仪表将经受周围环境压力从-101.3kPa上升至509kPa的状态变化，制造厂需充分考虑对仪表性能的影响。

2.2 机械部件制造要求

根据AP1000核电厂设计，CMT液位计的旁通管归类为机械A级的压力容器，需要遵照ASME BPVC第III卷压力容器I级部件、核安全1级设备的要求进行设计和制造，制造要求极高。若设备由境外制造厂供货，则旁通管还需盖ASME N钢印，制造全程接受ASME授权检验师的监督。除了核心结构旁通管外，接口法兰、垫圈、管道焊接、螺栓、紧固件、支撑件以及相关的无损检测都有专属的制造要求，稍有偏差就有可能导致整个旁通管组件的报废，因此厂家应编制相应的制造流转卡对全过程进行严格的管控。

另一方面，旁通管属于核安全1类压力容器适用我国核安全法相关的监管要求，制造厂也需要具备相应的HAF601资质，制造过程中对缺陷及不符合项报告的处理应遵循HAD 003/03的要求。由于CMT液位计制造的质量保证以及法规监管要求极高，仪表厂家一般是无法独立完成整个仪表包的供货，通常的做法是将旁通管与设备鉴定工作分包给有资质的单位完成，但需要注意的是总包的仪表厂家需要在申办液位计HAF601资质时需要将分包方案向我国核安全监管单位申报并获得许可。

2.3 测量元件制造要求

在磁浮子液位计制造过程中，由于产品设计考虑不周以及加工质量控制不善往往会给仪表功能实现带来负面影响，导致仪表在使用的过程中较容易外部干扰，影响稳定性与精确度。其中比较常见的问题有：

2.3.1 磁浮子设计

磁浮子形状常见有球形、圆柱形、串联球形等。在磁浮子选型时需要注意平衡重量、承压特性、动作特性等因素，需要考虑的问题包括被测介质密度因温度变化变化会导致磁浮子浮力变化、磁浮子耐受外部压力的能力、是否需要充气、材料选择是否能够耐受介质长期浸泡。

2.3.2 旁通管线性度与尺寸控制

由于ASME 1类压力容器对焊缝提出了较高的检测要求，旁通管部分接口的焊缝由于位置不佳、尺寸较小有可能无法被检测，因此部分制造厂往往选择分段制造旁通管，最终通过焊接总装成型，以便于对焊缝进行检测。这种制造方案会增加旁通管线性度、尺寸控制的难度，而线性度与尺寸会影响到磁浮子在旁通管内的顺畅移动与零点位置，因此在制造过程中需进行严格的控制。

2.3.3 电子部件抗干扰设计

从干簧链感知磁浮子磁场闭合到变送器将信号传出，整个信号传递过程容易受到电磁波或两条相邻的信号线产生互感效应还有一些其他外界干扰，影响测量精度。因此制造厂应当确保电子部件抗干扰设计有效性，对装配过程进行有效的管控。

2.4 仪表工厂试验要求

CMT液位计的出厂验收试验是其制造质量控制实践中最重要的一环，一般需包含以下项目：（1）标定试验（参考精度验证试验）：在液位上升和下降时，仪表标定精度都应满足要求。标定试验应当在环境温度21°C至27°C的条件下进行，每一个液位计都需要进行覆盖至少两个上升下降循环的“九点标定”，即在0%、25%、50%、75%、100%的量程处进行出厂标定，以评估精度、滞环、线性度和和重复性。标定试验验证的是参考精度，即在参考环境下指示液位与实际液位之间的偏差的最大值，它是总精度的计算要素。需要注意的是在进行标定时仪表标定时的安装方式应与实际工程安装方式一致。（2）温漂试验：壳内安装的传感器应在49℃到149℃的范围内进行温漂试验，而壳外安装的分体式电子部件应在4℃到49℃间进行试验。温漂试验通过的判据首先是由溫度每变化28℃引起的变送器输出变化不应超过0.5%量程，其次当回到正常温度后变送器精度应满足参考精度要求，最后在4℃到49℃间温度变化与输出偏差应当是线性关系。（3）干簧链总电阻测定：用精度为1欧姆的欧姆表对处于全旁路状态下的电路直流电阻进行测定。（4）接触电阻测定：使用永久磁铁使单个干簧管闭合，测量对应干簧管的接触电阻。每个干簧管的接触电阻都需要进行测定。（5）绝缘电阻测量：使用5000VDC的兆欧表对电气连接器引脚至引脚间，及引脚至外壳间的绝缘电阻值进行测定，测量结果应大于10兆欧。（6）静压泄漏试验：对液位计所有承压部件进行1.25倍设计压力的静压泄漏试验，持续时间10分钟。

3 结语

本文介绍了AP1000核电厂1E级磁浮子液位计的技术特点以及制造要求，希望对该类仪表的设备国产化工作有所助益。