浅析华龙一号严重事故压力变送器选型与鉴定

吴 萍，郭 林，刘 莉

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

0 引言

严重事故即堆芯严重损坏事故，属于超设计基准事故的一部分，是事故后果比设计基准事故更为严重的事故工况。严重事故有可能破坏安全壳的完整性，从而导致环境放射性污染及人身伤亡，造成巨大经济损失。随着我国核工业的不断发展，特别是HAF102[1]中明确提出了核电站设计应考虑对于严重事故的预防及缓解要求。对于已建和新建的核电厂，国家核安全局已经明确要求提交严重事故管理导则。其中，严重事故仪表可用性分析作为导则重要的一部分内容，必须进行深入的研究。其原因在于：仪表在严重事故工况下的可用性，直接关系到严重事故管理导则中的严重事故管理策略在实际中是否能真正实现[2]。一旦严重事故发生，需要通过采用相应参数的测量仪表执行正确的功能、监视电站状态，确保电站可控并维持稳定的堆芯状态。

压力、差压变送器(以下简称“变送器”)，作为广泛用于核电站的工艺系统压力、流量、液位测量的仪表，是安全级仪表的重要组要部分，其测量的精确性和可靠性直接影响核电厂的安全、可靠运行[3]。例如，核电站的事故管理导则就严重依赖于安全壳压力、反应堆一回路压力等参数的准确测量。我国三代核电站华龙一号堆型中规定的严重事故下“必须使用”的测量/监测的仪表中也包含了许多变送器。它们将在严重事故时，为核电站的安全、稳定运行提供必要的信号，部分严重事故下“必须使用”的变送器的重要测量阈值将作为SAMG规程等导则入口条件[4-5]，因此项目对变送器稳定性及可靠性等方面都有较高的要求。

1 严重事故变送器选型设计要求

在核电厂中，与反应堆密切相关的压力、差压、液位、流量等重要参数，都是采用变送器测量的。变送器的选型通常根据所执行的功能、被测工艺介质的类型、测量范围、特性、安装条件、环境条件、仪表性能等方面来考虑，不仅要满足高可靠性、高稳定性、高精度的要求，还要满足保护系统安全设计要求；此外，还必须考虑电站运行、维护的特殊要求[6]。根据RCC-E[7]中的相关要求，安全级压力变送器需要根据不同的鉴定程序进行质量鉴定，以保证在面对各类工况下，能够正确地执行测量，以及用于后续离散控制系统(distributed control system,DCS)的控制、监测等功能。安全级压力变送器要求具有耐辐照、抗地震、抗蒸汽高温等核级性能要求。根据鉴定要求的不同，一般要求安全级仪表应满足K1、K2或K3类的鉴定要求。

华龙一号中把严重事故下使用的变送器划分为“可能用到”和“必须使用”两类。“可能用到”的定义是根据严重事故管理“能用则用”的原则以及核电厂的具体设计，预期可能会在某些严重事故缓解策略中用到的仪表[5]。“必须使用”是针对进入严重事故管理导则(各具体导则的入口条件参数)以及核电厂设计中应对严重事故的专设系统功能是否正常运行的参数监测、测量仪表和核电厂设计中主要(或专门)用于严重事故缓解的系统以及对最后一道放射性屏障(安全壳)的完整性有重要影响的系统、设备。对于严重事故下“必须使用”的变送器而言，除了保证在正常工况下、地震载荷下(有要求时)要有能力完成其规定的功能外，还需要根据严重事故环境条件下的设计要求，对仪表考虑相应的鉴定或补充分析[6-9]。RCC-E[7]中新增加了B7000章节“严重事故条件下的鉴定程序”。该章节起初只适用于新建核电站。但在福岛核电厂事故后，要求运行核电厂和在建核电厂都要考虑“严重事故的预防和缓解措施”以及“严重事故管理策略”。

2 严重事故变送器的鉴定条件概述

2.1 温度、压力鉴定条件

严重事故“必须使用”的变送器要求按照事故环境条件进行鉴定，按照执行的具体功能，包含以下几类。

①壳内仅用于严重事故的变送器，鉴定等级为KS。

②壳内同时应用于严重事故和设计基准事故的变送器，其鉴定等级为K1，且同时应满足KS鉴定要求。

③壳外严重事故用变送器，首先应按照是否应用于设计基准事故下，确定其鉴定等级为K3+/NO+。

在“华龙一号”三代核电站的严重事故鉴定设备、仪表清单中，“必须使用”的设备仪表中包含的部分典型应用的严重事故变送器用清单如表1所示。

表1 严重事故用变送器清单Tab.1 The list of SA transmitters

注：+表示需要满足该仪表相应的严重事故鉴定条件

严重事故下“必须使用”的变送器，不仅要求准确反映事故前、事故中和事故后需要监测、测量的压力、差压参数，而且是DCS逻辑选择、判断和动作的重要依据。为了确保严重事故下使用的仪表在事故环境条件下能够执行其特定功能，一般推荐使用型式试验法或组合方法进行设备质量鉴定。鉴定的方法和流程与K1类鉴定程序类似，但对应事故下的热力、化学方面的严重性、方法、误差要求不同[10]。我国自主研发的华龙一号三代核电技术，在严重事故鉴定中提出了一些详细的环境条件要求。这些要求主要包括鉴定时间条件，温度、压力鉴定条件及辐照鉴定条件。其中，温度、压力鉴定条件仅适用于壳内仪表，对于华龙一号安全壳外的严重事故用仪表，不考虑严重事故下安全壳内温度、压力变化的影响。

2.2 辐射鉴定条件

对于安全壳内严重事故后“必须使用”的变送器，根据其鉴定时间不同，可以得到对应的辐射鉴定条件。考虑正常运行寿期内的累积辐射环境，壳内严重事故下“必须使用”的变送器，所需耐受的累积辐照剂量最大值可达到1 275 kGy。

上述辐照条件适用于安全壳内仪表，在具体执行中，对于安全壳外剂量引起的严重事故下“必须使用”设备的鉴定问题，华龙一号项目开展了壳外剂量对设备影响的专项评审工作。结合华龙一号项目安全壳外辐射环境分析结果以及几个壳外变送器的安装位置和辐照分区，经核算，壳外严重事故下“必须使用”的变送器最大辐照剂量可达到42 kGy。

2.3 特殊的严重事故鉴定条件

乏燃料水池液位差压变送器为严重事故下“必须使用”，其鉴定另作考虑。根据乏燃料水池SAMG中仪表的使用情况(作为导则的入口)、仪表目前的量程设置，以及严重事故环境条件的计算结果，选取事故后188 h作为鉴定的时长，变送器安装在KX厂房，标高为+6.1 m，在188 h之前(燃料未破损)放射性环境条件不会变化，辐射条件为正常辐射分区剂量(绿区)。所以，综合考虑相关仪表的鉴定条件如下：鉴定等级为K3+。其对应的鉴定条件为：鉴定时间为-188 h；温度为-108 ℃；湿度为-100%；绿区累积剂量。

3 严重事故变送器选型和鉴定重点

综合考虑华龙一号对于严重事故变送器选型设计要求及变送器潜在供货商的产品性能，对于表1中所列的安全壳外严重事故下“必须使用”的变送器，采用鉴定等级为K3加相应辐照剂量(超过42 kGy)或者K1的变送器即可满足设计需求。

针对其余安全壳内的严重事故用压力变送器，目前国际上能够满足相关要求的厂家有美国罗斯蒙特和法国罗尔斯罗伊斯公司，分别为3155N系列和Bibloc系列。这两个系列的变送器均采用全焊接密封结构，具有更好的耐辐照和耐高温、高压的性能。3155N系列的辐照总剂量率为1 670 kGy，Bibloc系列的辐照总剂量率为2 250 kGy，相较于华龙一号严重事故辐射鉴定的最大要求，均具有较大裕度。但是在温度、压力鉴定条件上，华龙一号提出了新的严重事故要求，而两个系列的变送器曾经根据AP1000电站和EPR电站的相关鉴定要求得到的鉴定曲线尚不能够完全包络华龙一号的要求曲线。根据GB/T 12727[11]，设备的质量鉴定除了试验法包络外，也可采用组合法(即型式试验加分析法)外推其质量鉴定结果。因此，针对温度、压力鉴定曲线的包络性这一重点问题，在设备已完成的鉴定试验基础上，进一步开展分析工作。下文就3155N系列和Bibloc系列的鉴定包络性分析进行介绍。

3.1 3155N系列变送器鉴定曲线覆盖性分析

对于表1中的压力变送器，蒸汽发生器宽量程水位，热管段水位和乏燃料水池液位等测量，采用了3155N系列变送器。以上位号均为基型表，无需远传装置。

首先，考虑温度鉴定曲线的覆盖性。3155N系列鉴定的温度曲线峰值约215 ℃，高出华龙一号严重事故的温度鉴定曲线峰值约65 ℃。其温度鉴定曲线和华龙一号壳内仪表严重事故鉴定条件的覆盖性分析主要包括四个部分。

①在1～3 h和20～66.5 h内，3155N系列的鉴定试验温度曲线可以包络华龙一号的曲线，满足要求。

②在1～20 h内，3155N系列的鉴定曲线低于华龙一号严重事故温度鉴定曲线约10 ℃。

③在66.5 h～15 d，3155N系列的严重事故鉴定温度曲线从137 ℃逐渐降低至100 ℃，低于该阶段华龙一号严重事故温度鉴定曲线均满足稳定在137 ℃的要求。

④对于乏燃料水池液位的特殊鉴定要求，3155N系列的鉴定曲线完全覆盖。

综上，3155N系列的鉴定曲线并不能够完整地包络华龙一号严重事故鉴定要求。

进一步研究表明，罗斯蒙特3155K系列具有和3155N系列一样的结构和设计，两者在老化、辐照和地震等其他鉴定试验上的要求和试验顺序相同，而不同之处仅在于事故条件下的蒸汽环境要求。3155N系列根据AP1000电站要求进行了事故环境条件鉴定，3155K系列根据EPR电站的要求进行了严重事故鉴定和冷却链总损耗(total loss of coolant chain,TLOCC)鉴定。考虑设计、结构的一致性以及蒸汽环境鉴定试验程序的相似性，进一步采用3155K系列的SA+TLOCC试验的温度、压力曲线与华龙一号严重事故鉴定要求进行覆盖性分析可知，3155K系列的SA和TLOCC鉴定的温度曲线高于华龙一号SA鉴定的温度曲线。因此，可认为与3155K系列类似的3155N系列也能够耐受华龙一号严重事故温度鉴定要求。

其次，就压力鉴定曲线而言，在0～125 h(5.2 d)内，3155K的压力鉴定曲线峰值远超出华龙一号的要求，此后，其压力维持在0.3 MPa直至15 d，低于华龙一号压力鉴定曲线保持在 0.33 MPa的要求。但由于3155K系列采用全焊接密封外壳，外部压力的微小变化对于变送器性能的影响可以忽略。且根据华龙一号的严重事故压力环境条件包络曲线[9]，在125 h之后，曲线已基本平稳保持在0.3 MPa。因此，可认为与3155K系列类似的3155N系列能够耐受华龙一号严重事故温度压力要求。

3.2 Bibloc系列变送器鉴定曲线覆盖性分析

对于表1中的变送器，反应堆一回路压力、堆腔水位等的测量采用了Bibloc系列变送器。Bibloc系列的严重事故鉴定压力曲线能够完整地包络华龙一号的严重事故压力鉴定要求，而Bibloc系列温度鉴定曲线和华龙一号壳内仪表严重事故鉴定条件的覆盖性分析主要可分为三个时间段。

①在0～20 min内，Bibloc系列的LOCA试验温度曲线可以包络华龙一号的曲线，满足要求。

②在20 min～12 h内，华龙一号的温度要求稳定于150 ℃。而Bibloc系列的严重事故鉴定温度曲线低于华龙一号鉴定要求约10 ℃。在该时间范围内，其鉴定试验温度约介于140～150 ℃之间。考虑到华龙一号鉴定要求曲线相较于严重事故下安全壳大气露点温度包络线仍保留了一定裕度，通过对比分析，Bibloc系列鉴定曲线在该段时间内的温度略高于反应堆一回路压力、堆腔水位测量仪表位置在此时间段内的严重事故下安全壳大气露点温度包络线[10-12]。

③在12 min～15 d内，整个Bibloc系列的严重事故鉴定温度曲线可以包络华龙一号的鉴定要求。

从上述整个过程中的分析可以看出，Bibloc系列压力变送器可以满足华龙一号最高温度的要求。

进一步分析表明，由于Bibloc系列变送器采用分体式结构，其传感器单元内磁芯上的线圈电阻在感应压力信号的同时，也会对传感器内部的温度进行实时测量，并传递至转换器单元，进行实时的温度补偿。由于温度在材料中的热传导规律，当环境温度出现热冲击式变化时，从变送器外部迅速升温，但温度传导到变送器内部具有惰性延迟。这就造成在发生热冲击后的短时间内，内部温度测量数值与环境实际温度具有差异。此时，传感器内部温度导致的材料热膨胀而叠加在变送器磁芯位移，并不能准确反映出此时的环境温度，从而向温度补偿作用引入了较大的误差，导致变送器测量输出精度变差。

通过模拟Bibloc系列变送器在热冲击影响下的精度变化发现，该系列变送器的输出精度变化与热冲击的剧烈变化程度关系密切，而与温度稳定后的温度高低关系不大。通过对比分析Bibloc系列变送器的LOCA试验曲线、Bibloc系列完成的严重事故鉴定曲线以及华龙一号严重事故鉴定曲线可知，LOCA试验曲线中的温度热冲击率最大，即温度变化曲线的斜率最大，且温度峰值最高。进一步可得出Bibloc系列变送器在华龙一号严重事故鉴定条件下的精度将小于LOCA热冲击带来的精度影响。

综上所述：①Bibloc系列变送器的温度鉴定曲线虽然低于严重事故鉴定曲线，但可以覆盖实际严重事故工况包络曲线；②Bibloc系列变送器的精度误差主要与热冲击有关，与稳定温度的高低关系不大。上述鉴定曲线不能直接覆盖的第②阶段属于温度稳定保持阶段。

经分析，Bibloc系列变送器满足华龙一号严重事故环境条件使用要求。

4 结论

华龙一号堆型要求严重事故下“必须使用”的仪表，除了保证在正常工况下、地震载荷下(有要求时)有能力完成其规定的功能外，还需要保证严重事故下的可用性。为展现严重事故变送器对于此要求的实践情况，本文完整地梳理了华龙一号严重事故用变送器的详细设计要求，同时结合福清5、6号项目的实际选型设计工作，总结了严重事故用变送器选型经验和重点内容，并根据具体的选型实例对严重事故鉴定包络性进行了重点探讨和分析。该设计对于其他项目的严重事故用变送器及其他类似仪表选型和鉴定分别工作有一定的指导意义。