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0 引言
在核電廠中，為了使核島和常規(guī)島的各種設(shè)備安全經(jīng)濟地運行，必須對壓力加以監(jiān)視和控制． 壓力變送器廣泛應(yīng)用于核電廠壓力、液位、流速等工藝參數(shù)的測量． 特別是應(yīng)用于核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)壓力參數(shù)、穩(wěn)壓器及蒸汽發(fā)生器液位、一回路冷卻劑流速等測量的壓力/壓差變送器，還參與核電廠保護系統(tǒng)所需工藝參數(shù)的監(jiān)測，對核電廠的安全起到非常重要的作用．目前安裝在安全殼內(nèi)的壓力變送器大多經(jīng)過了核級鑒定，具備在正常工況及設(shè)計基準事故( DBA，Design Basis Accident) 下正常工作的能力．
但在超設(shè)計基準事故( BDBA，Beyond Design BasisAccident) 工況下，目前無法通過型式試驗確定壓力變送器是否可以保持其可用性． 而基于IAEANS-G-1． 1 的HAD102 /14《核動力廠安全重要儀表和控制系統(tǒng)》報批稿中提到，在設(shè)備鑒定程序中不要求考慮嚴重事故工況，但是，應(yīng)以合理可信度和可能程度表明用于響應(yīng)嚴重事故的設(shè)備能夠在預(yù)計的嚴重事故工況下起作用． 而在法國核電標準ＲCC-E《壓水堆核島電氣設(shè)備設(shè)計和制造規(guī)則》2005 年版中提到，( 嚴重事故) 可能出現(xiàn)的狀況很復(fù)雜，但一切都表現(xiàn)為輻照、溫度和壓力條件的嚴重變化． 因此，有必要開展溫度對于壓力變送器的影響分析．
本文基于壓力變送器原理及特性，通過運用鑒定曲線包絡(luò)法及仿真技術(shù)對其在事故溫度環(huán)境下的影響進行分析，探討其薄弱環(huán)節(jié)，對今后的改進提供一定的思路．
1 核電廠壓力變送器特性
1.1 核電廠壓力變送器類型
核電廠壓力變送器多采用電容式和擴散硅式，其中以電容式為主． 其原理是敏感元件電容器受到壓力后，電容量產(chǎn)生的變化可以反映被測壓力的變化． 通過一定的測量線路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號并放大． 該類型壓力變送器具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、過載能力強等諸多優(yōu)點，但同時很容易受線路寄生電容、電纜電容和溫度、濕度等外界干擾．
1.2 變送器信號傳送方式
壓力變送器輸出信號與電源的傳輸方式分為兩線制、三線制、四線制三種形式． 兩線制變送器優(yōu)點很多，可大大減少裝置的安裝費用，有利于安全防爆等． 目前核電廠內(nèi)的變送器基本上都是兩線制的．
1.3 信號制及供電方式信號制是儀表的統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)信號，有氣壓信號，電信號包括模擬信號、數(shù)字信號、頻率信號和脈寬信號等． 由于其采用二線制，目前核電廠壓力變送器普遍采用的信號制是具有活零點的4 ～20 mA直流電信號．
儀表都需要電源供給能量，供電方式大致有兩種: 交流供電和直流集中供電． 同樣由于二線制，因此必須是單電源供電． 目前核電廠普遍采用24 V 直流集中供電方式．
2 運用鑒定曲線包絡(luò)法分析
2.1 壓力變送器的鑒定
根據(jù)GB/T 12727—2002《核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定》，設(shè)備鑒定方法主要有運行經(jīng)驗法、論證分析法、型式試驗法． 對于儀表在事故工況下鑒定，相關(guān)的儀表運行經(jīng)驗極少，通過單純的論證分析也很難令人信服． 因此多采用型式試驗法．
但上述標準的制訂主要參考自IEC 60780—1998，其配套的試驗程序EJ /T 1197—2002《核電廠安全級電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定試驗方法與環(huán)境條件》只給出了DBA 工況下的鑒定試驗方法． 換言之，我國尚無BDBA 工況下儀表鑒定的相關(guān)法規(guī)和標準． 其他上的主流核電標準中，用于安全級儀表質(zhì)量鑒定的標準主要有IEEE 323、IEC 60780 及ＲCC-E，其中也沒有一個標準強制要求已建成核電廠在BDBA 工況下對儀表進行鑒定． 因此只能通過其DBA 工況鑒定曲線對儀表進行環(huán)境包絡(luò)分析．
以國內(nèi)核電廠保有量zui大的M310 機組為例，該機組zui早從法國引進，依據(jù)的標準為ＲCCE．該標準將安全級儀表鑒定分為K1、K2、K3 三級． 其中安裝在安全殼內(nèi)且需要在事故或事故后環(huán)境條件下完成其規(guī)定功能的儀表必須經(jīng)過K1 鑒定程序的鑒定． 同時該標準也給出了相應(yīng)的配套試驗程序及鑒定曲線．
2.2 鑒定曲線包絡(luò)法
鑒定曲線包絡(luò)法屬GB /T 12727—2002 給出的三個鑒定方法中的論證分析法． 其思路為將儀表鑒定時的環(huán)境條件曲線與嚴重事故的環(huán)境條件曲線進行包絡(luò)對比，結(jié)合儀表環(huán)境敏感因素的分析，評價儀表在嚴重事故條件下性能是否受到影響． 由于該方法基于型式試驗數(shù)據(jù)，具有很好的可信度和可操作性．
鑒定曲線包絡(luò)法對儀表在超設(shè)計基準條件下可用性分析的基本要素進行了歸類，主要要素包括儀表類型、儀表位置、持續(xù)可用時間以及儀表鑒定數(shù)據(jù)． 其中儀表類型決定了儀表的材料特性、不同類型儀表失效模式均不盡相同; 儀表位置可以細化用于分析的超設(shè)計基準環(huán)境條件，提高分析工作的準確性; 持續(xù)可用時間可以明確需要其完成規(guī)定功能的時間長度; 儀表鑒定數(shù)據(jù)是儀表在進行相應(yīng)基準事故試驗時的數(shù)據(jù)，是可用性分析的基礎(chǔ)．
2.3 分析實例及結(jié)果
以秦山二期核電廠1、2 號機組安全殼壓力儀表為例． 該儀表鑒定等級為K1 級，安裝位置為安全殼環(huán)廊，假設(shè)需要其執(zhí)行功能的時間為24 h．在事故序列的選取中，考慮到其可信度及涵蓋的事故現(xiàn)象，這里選取同福島核事故類似的全廠斷電( SBO，Station Black Out) 事故序列． 此事故序列中，假設(shè)全廠斷電后電源未能及時恢復(fù)，所有能動系統(tǒng)不可用，輔助給水系統(tǒng)不可用，安注箱和非能動氫氣復(fù)合器可用． 發(fā)生全廠斷電事故后，由于假設(shè)電源沒有恢復(fù)，所有能動設(shè)備及輔助給水系統(tǒng)不可用． 其事故序列見表1．
根據(jù)事故序列，可以對安全殼內(nèi)的環(huán)境溫度進行模擬計算，將計算出的事故后儀表安裝位置環(huán)境溫度曲線同鑒定溫度曲線進行包絡(luò)對比． 包絡(luò)對比圖如圖1 所示．
對比圖1 中兩條曲線可以看出，事故發(fā)生后600 min 內(nèi)，儀表的鑒定溫度曲線包絡(luò)了環(huán)境溫度曲線，但此后環(huán)境溫度持續(xù)長時間超出了鑒定溫度，但超出幅度不大． 由于電容式儀表對溫度非常敏感，因此無法直接判斷儀表性能是否會受到影響． 考慮到事故初期( 前600 min) 實際環(huán)境溫度曲線原低于鑒定溫度曲線，因此可以使用IEC60780 推薦的阿倫紐斯方程來檢驗超出包絡(luò)部分對其的影響． 儀表的預(yù)計實際工作時間La可由如下公式表示:
式中Lq為鑒定壽命，Ta為加速老化溫度，K; Tq為壽命鑒定時溫度，K; E 為材料激活能，eV; Kb為波爾茲曼常數(shù)． 但在此公式的運用上，由于壓力變送器中材料的復(fù)雜性，激活能的選取是個難點． 若取其激活能zui低的元器件材料值0. 78 eV，環(huán)境溫度取該時間內(nèi)zui高值136 ℃，鑒定溫度取該時間內(nèi)zui低值129 ℃，其計算結(jié)果為La = 16． 371 h( Lq =
24 h，Tq = 403． 15 K，Ta = 409． 15 K，Kb = 8． 617 ×10 － 5 eV/K) ，因取值較為保守，計算結(jié)果無法滿足24 h 使用的要求． 因此無法判斷該變送器受在事故工況高溫環(huán)境的影響情況，同時也說明了即使壓力變送器通過了DBA 工況的溫度鑒定，無法保證其在BDBA 溫度環(huán)境下能夠正常運行．
3 運用仿真技術(shù)分析
由于壓力變送器中zui容易受溫度影響的為電路部分，而運用電路仿真軟件可以直觀地給出電路的輸出波形，同時也可以對其溫度效應(yīng)進行分析．根據(jù)這一特性，本文建立壓力變送器等效電路，分析其溫度效應(yīng)． 這*據(jù)前文中核電廠壓力變送器的結(jié)構(gòu)特點及輸出特征，建立的壓力變送器的等效電路( 信號輸出部分) 如圖2． 該變送器采用二線制24 V 直流供電，在仿真中設(shè)定其正常工作時輸出信號為I1 = 0 mA， I2 = 16 mA，TD = 10 ms，TＲ =30 ms，TF =30 ms，PW =300 ms，PEＲ =1 s．
選用PSpice 作為仿真工具． 在室溫27 ℃) 和DBDA 工況( 136 ℃) 兩種工作溫度條件下進行仿真． 在敏感元器件容差值為5% 情況下，HI-LOW 間的輸出信號對比如圖3 所示．由圖可以看出，在BDBA 溫度環(huán)境下，變送器輸出電流較室溫偏高，且即使在室溫變送器無信號輸出的情況下，變送器仍有大約1 mA 的微電流輸出，該情況可能由于高溫下變送器絕緣及屏蔽性能下降，電源中漏電流引入輸出線路所致． 另元器件在長期高溫下參數(shù)也產(chǎn)生了一定變化，導(dǎo)致輸出信號偏離正常值較多． 由此可以看出，高溫下壓力變送器精度下降，但具有規(guī)律性． 并且在一定程度上可以保持信號輸出，為操縱員對電廠狀態(tài)的判斷起到一定作用．
本文以安全殼壓力儀表為實例，通過對核電廠壓力變送器結(jié)構(gòu)及特點的分析，運用鑒定曲線包絡(luò)法及仿真分析法對其在核電廠事故高溫環(huán)境下受到的影響進行了分析． 結(jié)論如下: 在正常環(huán)境和DBA 溫度環(huán)境下，壓力變送器均經(jīng)過了型式試驗的可信鑒定，可以確定其能保持正常工作;BDBA溫度環(huán)境下，壓力變送器仍能輸出信號，但精度會受到影響，其主要是絕緣及屏蔽性能下降所致，元器件參數(shù)有一定變化但幅度不大，在一定程度上仍可以作為電廠狀態(tài)的參考．進一步改進壓力變送器在高溫下的工作性能，本文提出兩點建議: 1) 將變送器安裝在安全殼中受溫度影響更低的位置; 2) 電子元器件的性能提升有限且成本較高，因此可以將重點放在提升其防護外殼、電纜、接插件的耐高溫性能上，并且在電纜敷設(shè)時注意信號電纜和供電電纜之間的絕緣，避免漏電流的產(chǎn)生．
