摘 要: 根據(jù) HAF102-2004 的要求，核電站設(shè)計中應(yīng)考慮對于嚴(yán)重事故的預(yù)防及緩解設(shè)置，而嚴(yán)重事故用儀表的可用性是實現(xiàn)嚴(yán)重事故管理策略要求的先決條件。為滿足國內(nèi)三代核電站華龍一號堆型提出的針對嚴(yán)重事故鑒定的新要求，結(jié)合福清 5、6 號項目嚴(yán)重事故用壓力、差壓變送器的選型設(shè)計，梳理了變送器選型流程，并就嚴(yán)重事故溫度、壓力鑒定曲線的包絡(luò)性分析進(jìn)行了重點探討。經(jīng) 分析，福清 5、6 號項目所用嚴(yán)重事故用壓力、差壓變送器能夠滿足該項目嚴(yán)重事故環(huán)境條件和技術(shù)要求。
0 引言
嚴(yán)重事故即堆芯嚴(yán)重?fù)p壞事故，屬于超設(shè)計基準(zhǔn) 事故的一部分，是事故后果比設(shè)計基準(zhǔn)事故更為嚴(yán)重的事故工況。嚴(yán)重事故有可能破壞安全殼的完整性， 從而導(dǎo)致環(huán)境放射性污染及人身傷亡，造成巨大經(jīng)濟(jì) 損 失。 隨 著 我 國 核 工 業(yè) 的 不 斷 發(fā) 展，特 別 是
HAF102［1］中明確提出了核電站設(shè)計應(yīng)考慮對于嚴(yán)重事故的預(yù)防及緩解要求。對于已建和新建的核電廠， guojia核安全局已經(jīng)明確要求提交嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則。其中，嚴(yán)重事故儀表可用性分析作為導(dǎo)則重要的一部分內(nèi)容，必須進(jìn)行深入的研究。其原因在于: 儀表在嚴(yán)重事故工況下的可用性，直接關(guān)系到嚴(yán)重事故管理導(dǎo) 則中的嚴(yán)重事故管理策略在實際中是否能真正實現(xiàn)［2］。一旦嚴(yán)重事故發(fā)生，需要通過采用相應(yīng)參數(shù)的 測量儀表執(zhí)行正確的功能、監(jiān)視電站狀態(tài)，確保電站可 控并維持穩(wěn)定的堆芯狀態(tài)。
壓力差壓變送器( 以下簡稱“變送器”) ，作為廣 泛用于核電站的工藝系統(tǒng)壓力、流量、液位測量的儀 表，是安全級儀表的重要組要部分，其測量的精que性和可靠性直接影響核電廠的安全、可靠運(yùn)行［3］。例如，核 電站的事故管理導(dǎo)則就嚴(yán)重依賴于安全殼壓力、反應(yīng)堆一回路壓力等參數(shù)的準(zhǔn)確測量。我國三代核電站華 龍一號堆型中規(guī)定的嚴(yán)重事故下“必須使用”的測量/ 監(jiān)測的儀表中也包含了許多變送器。它們將在嚴(yán)重事 故時，為核電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供必要的信號，部分嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器的重要測量閾值 將作為 SAMG 規(guī)程等導(dǎo)則入口條件［4-5］，因此項目對變
送器穩(wěn)定性及可靠性等方面都有較高的要求。
1 嚴(yán)重事故變送器選型設(shè)計要求
在核電廠中，與反應(yīng)堆密切相關(guān)的壓力、差壓、液 位、流量等重要參數(shù)，都是采用變送器測量的。變送器 的選型通常根據(jù)所執(zhí)行的功能、被測工藝介質(zhì)的類型、 測量范圍、特性、安裝條件、環(huán)境條件、儀表性能等方面 來考慮，不僅要滿足高可靠性、高穩(wěn)定性、高精度的要求，還要滿足保護(hù)系統(tǒng)安全設(shè)計要求; 此外，還必須考 慮電站運(yùn)行、維護(hù)的特殊要求［6］。根據(jù) ＲCC-E［7］中的 相關(guān)要求，安全級壓力變送器需要根據(jù)不同的鑒定程序進(jìn)行質(zhì)量鑒定，以保證在面對各類工況下，能夠正確 地執(zhí)行測量，以及用于后續(xù)離散控制系統(tǒng)( distributed control system，DCS) 的控制、監(jiān)測等功能。安全級壓力 變送器要求具有耐輻照、抗地震、抗蒸汽高溫等核級性 能要求。根據(jù)鑒定要求的不同，一般要求安全級儀表 應(yīng)滿足 K1、K2 或 K3 類的鑒定要求。
華龍一號中把嚴(yán)重事故下使用的變送器劃分為“可能用到”和“必須使用”兩類。“可能用到”的定義 是根據(jù)嚴(yán)重事故管理“能用則用”的原則以及核電廠 的具體設(shè)計，預(yù)期可能會在某些嚴(yán)重事故緩解策略中 用到的儀表［5］。“必須使用”是針對進(jìn)入嚴(yán)重事故管 理導(dǎo)則( 各具體導(dǎo)則的入口條件參數(shù)) 以及核電廠設(shè)計中應(yīng)對嚴(yán)重事故的專設(shè)系統(tǒng)功能是否正常運(yùn)行的參 數(shù)監(jiān)測、測量儀表和核電廠設(shè)計中主要( 或?qū)ｉT) 用于嚴(yán)重事故緩解的系統(tǒng)以及對#后一道放射性屏障( 安 全殼) 的完整性有重要影響的系統(tǒng)、設(shè)備。對于嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器而言，除了保證在正常工 況下、地震載荷下( 有要求時) 要有能力完成其規(guī)定的功能外，還需要根據(jù)嚴(yán)重事故環(huán)境條件下的設(shè)計要求， 對儀表考慮相應(yīng)的鑒定或補(bǔ)充分析［6-9］。ＲCC-E［7］中 新增加了 B7000 章節(jié)“嚴(yán)重事故條件下的鑒定程序”。該章節(jié)起初只適用于新建核電站。但在福島核電廠 事故后，要求運(yùn)行核電廠和在建核電廠都要考慮“嚴(yán) 重事故的預(yù)防和緩解措施”以及“嚴(yán)重事故管理策 略”。
2 嚴(yán)重事故變送器的鑒定條件概述
2．1 溫度、壓力鑒定條件
嚴(yán)重事故“必須使用”的變送器要求按照事故環(huán) 境條件進(jìn)行鑒定，按照執(zhí)行的具體功能，包含以下幾類。
①殼 內(nèi) 僅 用 于 嚴(yán) 重 事 故 的 變 送 器，鑒 定 等 級 為 KS。
②殼內(nèi)同時應(yīng)用于嚴(yán)重事故和設(shè)計基準(zhǔn)事故的變送器，其鑒定等級為 K1，且同時應(yīng)滿足 KS 鑒定要求。
③殼外嚴(yán)重事故用變送器，shou先應(yīng)按照是否應(yīng)用于設(shè)計基準(zhǔn)事故下，確定其鑒定等級為 K3+ /NO+。
在“華龍一號”三代核電站的嚴(yán)重事故鑒定設(shè)備、 儀表清單中，“必須使用”的設(shè)備儀表中包含的部分典 型應(yīng)用的嚴(yán)重事故變送器用清單如表 1 所示。
嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器，不僅要求準(zhǔn)確 反映事故前、事故中和事故后需要監(jiān)測、測量的壓力、 差壓參數(shù)，而且是 DCS 邏輯選擇、判斷和動作的重要 依據(jù)。為了確保嚴(yán)重事故下使用的儀表在事故環(huán)境條 件下能夠執(zhí)行其特定功能，一般tuijian使用型式試驗法 或組合方法進(jìn)行設(shè)備質(zhì)量鑒定。鑒定的方法和流程與K1 類鑒定程序類似，但對應(yīng)事故下的熱力、化學(xué)方面 的嚴(yán)重性、方法、誤差要求不同［10］。我國自主研發(fā)的華龍一號三代核電技術(shù)，在嚴(yán)重事故鑒定中提出了一 些詳細(xì)的環(huán)境條件要求。這些要求主要包括鑒定時間條件，溫度、壓力鑒定條件及輻照鑒定條件。其中，溫 度、壓力鑒定條件僅適用于殼內(nèi)儀表，對于華龍一號安 全殼外的嚴(yán)重事故用儀表，不考慮嚴(yán)重事故下安全殼 內(nèi)溫度、壓力變化的影響。
2．2 輻射鑒定條件
對于安全殼內(nèi)嚴(yán)重事故后“必須使用”的變送器， 根據(jù)其鑒定時間不同，可以得到對應(yīng)的輻射鑒定條件。考慮正常運(yùn)行壽期內(nèi)的累積輻射環(huán)境，殼內(nèi)嚴(yán)重事故 下“必須使用”的變送器，所需耐受的累積輻照劑量# 大值可達(dá)到 1 275 kGy。
上述輻照條件適用于安全殼內(nèi)儀表，在具體執(zhí)行 中，對于安全殼外劑量引起的嚴(yán)重事故下“必須使用” 設(shè)備的鑒定問題，華龍一號項目開展了殼外劑量對設(shè) 備影響的專項評審工作。結(jié)合華龍一號項目安全殼外 輻射環(huán)境分析結(jié)果以及幾個殼外變送器的安裝位置和輻照分區(qū)，經(jīng)核算，殼外嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器#大輻照劑量可達(dá)到 42 kGy。
2．3 特殊的嚴(yán)重事故鑒定條件
乏燃料水池液位差壓變送器為嚴(yán)重事故下“必須使用”，其鑒定另作考慮。根據(jù)乏燃料水池 SAMG 中 儀表的使用情況( 作為導(dǎo)則的入口) 、儀表目前的量程 設(shè)置，以及嚴(yán)重事故環(huán)境條件的計算結(jié)果，選取事故后 188 h 作為鑒定的時長，變送器安裝在 KX 廠房，標(biāo)高為+6．1 m，在 188 h 之前( 燃料未破損) 放射性環(huán)境條 件不會變化，輻射條件為正常輻射分區(qū)劑量( 綠區(qū)) 。所以，綜合考慮相關(guān)儀表的鑒定條件如下: 鑒定等級為 K3+。其對應(yīng)的鑒定條件為: 鑒定時間為－188 h; 溫度 為－108 ℃ ; 濕度為－100%; 綠區(qū)累積劑量。
3 嚴(yán)重事故變送器選型和鑒定重點
綜合考慮華龍一號對于嚴(yán)重事故變送器選型設(shè)計 要求及變送器潛在供貨商的產(chǎn)品性能，對于表 1 中所 列的安全殼外嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器，采用 鑒定等級為 K3 加相應(yīng)輻照劑量( 超過 42 kGy) 或者 K1 的變送器即可滿足設(shè)計需求。
針對其余安全殼內(nèi)的嚴(yán)重事故用壓力變送器，目 前國際上能夠滿足相關(guān)要求的廠家有美國羅斯蒙特和 法國羅爾斯羅伊斯公司，分別為 3155N 系列和 Bibloc 系列。這兩個系列的變送器均采用全焊接密封結(jié)構(gòu)， 具有更好的耐輻照和耐高溫、高壓的性能。3155N 系 列的輻照總劑量率為 1 670 kGy，Bibloc 系列的輻照總 劑量率為 2 250 kGy，相較于華龍一號嚴(yán)重事故輻射鑒定的#大要求，均具有較大裕度。但是在溫度、壓力鑒 定條件上，華龍一號提出了新的嚴(yán)重事故要求，而兩個系列的變送器曾經(jīng)根據(jù) AP1000 電站和 EPＲ 電站的相 關(guān)鑒定要求得到的鑒定曲線尚不能夠完全包絡(luò)華龍一 號的要求曲線。根據(jù) GB/T 12727［11］，設(shè)備的質(zhì)量鑒定 除了試驗法包絡(luò)外，也可采用組合法( 即型式試驗加 分析法) 外推其質(zhì)量鑒定結(jié)果。因此，針對溫度、壓力 鑒定曲線的包絡(luò)性這一重點問題，在設(shè)備已完成的鑒 定試驗基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展分析工作。下文就 3155N 系列和 Bibloc 系列的鑒定包絡(luò)性分析進(jìn)行介紹。
3．1 3155N 系列變送器鑒定曲線覆蓋性分析
對于表 1 中的壓力變送器，蒸汽發(fā)生器寬量程水位， 熱管段水位和乏燃料水池液位等測量，采用了3155N 系列 變送器。以上位號均為基型表，wuxu遠(yuǎn)傳裝置。
shou先，考慮溫度鑒定曲線的覆蓋性。3155N 系列 鑒定的溫度曲線峰值約 215 ℃，高出華龍一號嚴(yán)重事 故的溫度鑒定曲線峰值約 65 ℃。其溫度鑒定曲線和華龍一號殼內(nèi)儀表嚴(yán)重事故鑒定條件的覆蓋性分析主 要包括四個部分。
①在 1 ～ 3 h 和 20 ～ 66．5 h 內(nèi)，3155N 系列的鑒定 試驗溫度曲線可以包絡(luò)華龍一號的曲線，滿足要求。
②在 1～ 20 h 內(nèi)，3155N 系列的鑒定曲線低于華龍 一號嚴(yán)重事故溫度鑒定曲線約 10 ℃。
③在 66．5 h～ 15 d，3155N 系列的嚴(yán)重事故鑒定溫 度曲線從 137 ℃逐漸降低至 100 ℃，低于該階段華龍 一號嚴(yán)重事故溫度鑒定曲線均滿足穩(wěn)定在 137 ℃ 的 要求。
④對于乏燃料水池液位的特殊鑒定要求，3155N 系列的鑒定曲線完全覆蓋。
綜上，3155N 系列的鑒定曲線并不能夠完整地包 絡(luò)華龍一號嚴(yán)重事故鑒定要求。
進(jìn)一步研究表明，羅斯蒙特 3155K 系列具有和3155N 系列一樣的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，兩者在老化、輻照和地 震等其他鑒定試驗上的要求和試驗順序相同，而不同 之處僅在于事故條件下的蒸汽環(huán)境要求。3155N 系列 根據(jù) AP1000 電站要求進(jìn)行了事故環(huán)境條件鑒定， 3155K 系列根據(jù) EPＲ 電站的要求進(jìn)行了嚴(yán)重事故鑒定和冷卻鏈總損耗( total loss of coolant chain，TLOCC) 鑒定。考慮設(shè)計、結(jié)構(gòu)的一致性以及蒸汽環(huán)境鑒定試 驗程序 的 相 似 性，進(jìn) 一 步 采 用 3155K 系 列 的 SA + TLOCC 試驗的溫度、壓力曲線與華龍一號嚴(yán)重事故鑒定要求進(jìn)行覆蓋性分析可知，3155K 系列的 SA 和 TLOCC 鑒定的溫度曲線高于華龍一號 SA 鑒定的溫度 曲線。因此，可認(rèn)為與 3155K 系列類似的 3155N 系列 也能夠耐受華龍一號嚴(yán)重事故溫度鑒定要求。
其次，就壓力鑒定曲線而言，在 0 ～ 125 h( 5．2 d) 內(nèi)，3155K 的壓力鑒定曲線峰值遠(yuǎn)超出華龍一號的要求，此后，其壓力維持在 0．3 MPa 直至 15 d，低于華龍 一號壓力鑒定曲線保持在 0．33 MPa 的要求。但由于3155K 系列采用全焊接密封外殼，外部壓力的微小變化對于變送器性能的影響可以忽略。且根據(jù)華龍一號 的嚴(yán)重事故壓力環(huán)境條件包絡(luò)曲線［9］，在 125 h 之后， 曲線已基本平穩(wěn)保持在 0． 3 MPa。因此，可認(rèn)為與 3155K 系列類似的 3155N 系列能夠耐受華龍一號嚴(yán)重事故溫度壓力要求。
3．2 Bibloc 系列變送器鑒定曲線覆蓋性分析
對于表 1 中的變送器，反應(yīng)堆一回路壓力、堆腔水 位等的測量采用了 Bibloc 系列變送器。Bibloc 系列的嚴(yán)重事故鑒定壓力曲線能夠完整地包絡(luò)華龍一號的嚴(yán) 重事故壓力鑒定要求，而 Bibloc 系列溫度鑒定曲線和華龍一號殼內(nèi)儀表嚴(yán)重事故鑒定條件的覆蓋性分析主要可分為三個時間段。
①在 0～ 20 min 內(nèi)，Bibloc 系列的 LOCA 試驗溫度 曲線可以包絡(luò)華龍一號的曲線，滿足要求。
②在 20 min～ 12 h 內(nèi)，華龍一號的溫度要求穩(wěn)定 于 150 ℃。而 Bibloc 系列的嚴(yán)重事故鑒定溫度曲線低 于華龍一號鑒定要求約 10 ℃。在該時間范圍內(nèi)，其鑒 定試驗溫度約介于 140 ～ 150 ℃ 之間。考慮到華龍一 號鑒定要求曲線相較于嚴(yán)重事故下安全殼大氣露點溫 度包絡(luò)線仍保留了一定裕度，通過對比分析，Bibloc 系 列鑒定曲線在該段時間內(nèi)的溫度略高于反應(yīng)堆一回路 壓力、堆腔水位測量儀表位置在此時間段內(nèi)的嚴(yán)重事 故下安全殼大氣露點溫度包絡(luò)線［10-12］。
③在 12 min ～ 15 d 內(nèi)，整個 Bibloc 系列的嚴(yán)重事 故鑒定溫度曲線可以包絡(luò)華龍一號的鑒定要求。
從上述整個過程中的分析可以看出，Bibloc 系列 壓力變送器可以滿足華龍一號#高溫度的要求。
進(jìn)一步分析表明，由于 Bibloc 系列變送器采用分 體式結(jié)構(gòu)，其傳感器單元內(nèi)磁芯上的線圈電阻在感應(yīng) 壓力信號的同時，也會對傳感器內(nèi)部的溫度進(jìn)行實時 測量，并傳遞至轉(zhuǎn)換器單元，進(jìn)行實時的溫度補(bǔ)償。由 于溫度在材料中的熱傳導(dǎo)規(guī)律，當(dāng)環(huán)境溫度出現(xiàn)熱沖 擊式變化時，從變送器外部迅速升溫，但溫度傳導(dǎo)到變 送器內(nèi)部具有惰性延遲。這就造成在發(fā)生熱沖擊后的 短時間內(nèi)，內(nèi)部溫度測量數(shù)值與環(huán)境實際溫度具有差 異。此時，傳感器內(nèi)部溫度導(dǎo)致的材料熱膨脹而疊加 在變送器磁芯位移，并不能準(zhǔn)確反映出此時的環(huán)境溫 度，從而向溫度補(bǔ)償作用引入了較大的誤差，導(dǎo)致變送 器測量輸出精度變差。
通過模擬 Bibloc 系列變送器在熱沖擊影響下的精 度變化發(fā)現(xiàn)，該系列變送器的輸出精度變化與熱沖擊的劇烈變化程度關(guān)系密切，而與溫度穩(wěn)定后的溫度高 低關(guān)系不大。通過對比分析 Bibloc 系列 變 送 器 的LOCA 試驗曲線、Bibloc 系列完成的嚴(yán)重事故鑒定曲線以及華龍一號嚴(yán)重事故鑒定曲線可知，LOCA 試驗曲 線中的溫度熱沖擊率#大，即溫度變化曲線的斜率#大，且溫度峰值#高。進(jìn)一步可得出 Bibloc 系列變送 器在華龍一號嚴(yán)重事故鑒定條件下的精度將小于 LOCA 熱沖擊帶來的精度影響。
綜上所述: ①Bibloc 系列變送器的溫度鑒定曲線 雖然低于嚴(yán)重事故鑒定曲線，但可以覆蓋實際嚴(yán)重事故工況包絡(luò)曲線; ②Bibloc 系列變送器的精度誤差主要與熱沖擊有關(guān)，與穩(wěn)定溫度的高低關(guān)系不大。 上述鑒定曲線不能直接覆蓋的第②階段屬于溫度穩(wěn)定保持階段。 經(jīng)分析，Bibloc 系列變送器滿足華龍一號嚴(yán)重事 故環(huán)境條件使用要求。
4 結(jié)論
華龍一號堆型要求嚴(yán)重事故下“必須使用”的儀 表，除了保證在正常工況下、地震載荷下( 有要求時) 有能力完成其規(guī)定的功能外，還需要保證嚴(yán)重事故下 的可用性。為展現(xiàn)嚴(yán)重事故變送器對于此要求的實踐情況，本文完整地梳理了華龍一號嚴(yán)重事故用變送器 的詳細(xì)設(shè)計要求，同時結(jié)合福清 5、6 號項目的實際選型設(shè)計工作，總結(jié)了嚴(yán)重事故用變送器選型經(jīng)驗和重 點內(nèi)容，并根據(jù)具體的選型實例對嚴(yán)重事故鑒定包絡(luò) 性進(jìn)行了重點探討和分析。該設(shè)計對于其他項目的嚴(yán) 重事故用變送器及其他類似儀表選型和鑒定分別工作有一定的指導(dǎo)意義。
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