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核电站反应堆堆芯温度测量K型热电偶的国产化研制

高鹏

高鹏. 核电站反应堆堆芯温度测量K型热电偶的国产化研制[J]. 南方能源建设, 2017, 4(2): 132-136. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024
引用本文: 高鹏. 核电站反应堆堆芯温度测量K型热电偶的国产化研制[J]. 南方能源建设, 2017, 4(2): 132-136. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024
Peng GAO. Localization of Type K Thermocouples of In-core Temperature Measurement for Nuclear Power Plant Reactor[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2017, 4(2): 132-136. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024
Citation: Peng GAO. Localization of Type K Thermocouples of In-core Temperature Measurement for Nuclear Power Plant Reactor[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2017, 4(2): 132-136. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024

核电站反应堆堆芯温度测量K型热电偶的国产化研制

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024
详细信息
    作者简介:

    高鹏(1986),男,湖北洪湖人,工程师,硕士,主要从事核电站热工仪表采购管理工作(e-mail)gaopeng@czec.com.cn。

  • 中图分类号: TH811

Localization of Type K Thermocouples of In-core Temperature Measurement for Nuclear Power Plant Reactor

  • 摘要: 用于测量核电站反应堆堆芯出口温度的K型热电偶是重要的1E级设备,但该设备一直依赖进口;巴基斯坦恰希玛核电站3、4号机组为我国向巴基斯坦出口的第三、四座核电站,考虑到重要设备国产化对我国核电走出去的积极意义,这两座核电站所用堆芯温度测量K型热电偶由国内相关单位进行研制。通过对运行环境和安装要求的详细研究,在K型热电偶结构上采用了全铠装、分段式及新型热电偶接插件进行连接的创新设计,充分考虑了各部件材料选择对于K型热电偶性能及安全的影响,对传统铠装热电偶的制作工艺进行了优化与改进,最终研制的样件通过了性能试验及1E级鉴定试验,实际产品也顺利安装于巴基斯坦恰希玛核电站3、4号机组,核电站堆芯温度测量K型热电偶的研制取得了阶段性的成功。
  • 图  1  赛贝克效应原理图

    Fig.  1  Schematic of SEEBECK effect

    图  2  电偶在安全壳内的结构布置图

    Fig.  2  Layout of TC in the containment

    图  3  密封卡套结构图

    Fig.  3  Structure of seal union

    图  4  热电偶接插件结构图

    Fig.  4  Structure of TC connector

    图  5  密封卡套结构图

    Fig.  5  Structure of seal union

    图  6  铠装热电偶制作工艺流程图

    Fig.  6  Fabrication flow chart of sheathed TC

    图  7  样件精度数据

    Fig.  7  Accuracy data of samples

    图  8  样件长期稳定性数据

    Fig.  8  Long term stability test data of samples

    图  9  试验前后样件精度对比

    Fig.  9  Accuracy data comparison of samples

    表  1  环境条件

    Tab.  1.   Environment condition

    安全壳内正常环境 压力容器内正常工况
    温度≤49 ℃ 设计温度:350 ℃
    压力:常压(微负压) 设计压力:17.16 MPa
    辐照剂量:2×105 Gy(40 a) 正常运行温度:315.5 ℃
    / 正常运行压力:15.2 MPa
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    表  2  铠装热电偶I截面尺寸要求

    Tab.  2.   Dimension requirements of sheathed TC    mm

    外径 外壳最小值 绝缘层最小值 热电极最小直径
    标称尺寸 最小值 最大值
    3.175 3.150 3.213 0.30 0.30 0.51
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    表  3  K型热电偶热电极材料名义成分

    Tab.  3.   Nominal composition of type K TC elements

    热电极材料 Ni Cr Mo Co Si Al Mn Fe Mg
    镍铬(wt%) 余量 9.5 / / 0.5 / / 0.5 /
    镍铝(wt%) 余量 / / 1.0 0.4 1.6 2.0 / /
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    表  4  杂质含量表

    Tab.  4.   Inclusion requirements

    杂质类型 B + Cd S C 总杂质含量
    含量要求 ≤30×10-6 ≤50×10-6 ≤300×10-6 ≤500×10-6
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    表  5  样件绝缘电阻值及响应时间

    Tab.  5.   Responsible time and IR of samples

    样件编号 绝缘电阻值/(1022 Ω) 热响应时间/s
    S1 2.58 0.323
    S2 2.54 0.290
    S3 2.62 0.291
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    表  6  试验前后样件绝缘电阻值对比

    Tab.  6.   IR data comparison of the samples 1022 Ω

    试样编号 试验前绝缘电阻值 试验后绝缘电阻值
    S4 2.36 6.20
    S5 2.19 1.26
    S6 2.24 3.55
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-01
  • 刊出日期:  2020-07-18

核电站反应堆堆芯温度测量K型热电偶的国产化研制

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024
    作者简介: 高鹏(1986),男,湖北洪湖人,工程师,硕士,主要从事核电站热工仪表采购管理工作(e-mail)gaopeng@czec.com.cn。

  • 中图分类号: TH811

摘要: 用于测量核电站反应堆堆芯出口温度的K型热电偶是重要的1E级设备,但该设备一直依赖进口;巴基斯坦恰希玛核电站3、4号机组为我国向巴基斯坦出口的第三、四座核电站,考虑到重要设备国产化对我国核电走出去的积极意义,这两座核电站所用堆芯温度测量K型热电偶由国内相关单位进行研制。通过对运行环境和安装要求的详细研究,在K型热电偶结构上采用了全铠装、分段式及新型热电偶接插件进行连接的创新设计,充分考虑了各部件材料选择对于K型热电偶性能及安全的影响,对传统铠装热电偶的制作工艺进行了优化与改进,最终研制的样件通过了性能试验及1E级鉴定试验,实际产品也顺利安装于巴基斯坦恰希玛核电站3、4号机组,核电站堆芯温度测量K型热电偶的研制取得了阶段性的成功。

English Abstract

高鹏. 核电站反应堆堆芯温度测量K型热电偶的国产化研制[J]. 南方能源建设, 2017, 4(2): 132-136. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024
引用本文: 高鹏. 核电站反应堆堆芯温度测量K型热电偶的国产化研制[J]. 南方能源建设, 2017, 4(2): 132-136. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024
Peng GAO. Localization of Type K Thermocouples of In-core Temperature Measurement for Nuclear Power Plant Reactor[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2017, 4(2): 132-136. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024
Citation: Peng GAO. Localization of Type K Thermocouples of In-core Temperature Measurement for Nuclear Power Plant Reactor[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2017, 4(2): 132-136. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2017.02.024
  • 堆芯出口温度是核电站反应堆的重要热工参数,被用于堆芯液位密度补偿计算及过冷度的计算。此外,在设计基准事故和严重事故工况下,操作人员可根据堆芯出口温度确定堆芯冷却剂的温度情况。核电站反应堆堆芯温度,通常使用K型热电偶对其进行测量,其具有灵敏度高、测量精度高、高温及辐照环境下性能稳定等优点。目前我国核电处于蓬勃发展之际,第三代自主核电技术也成功出海,但用于堆芯温度测量的K型热电偶却主要依赖进口,尽管国内生产热电偶的厂家众多,但却没有国产热电偶应用于核电站堆芯温度测量。

    巴基斯坦恰希玛核电站3号、4号机组为我国向巴基斯坦出口的第三、四座核电站,采用的堆型为压水堆,功率为300 MW,研制用于堆芯温度测量的K型热电偶(以下简称为堆芯热电偶)对我国核电出口具有积极意义。

    • 热电偶的测量原理是基于赛贝克效应[1],其原理如图1所示。两种不同金属构成的回路中,如果两种金属的结点处温度不同,该回路中就会产生一个温差电动势。两种金属称为热电极(工业上通常称为热电偶丝),右端结点处两种热电极通常焊接在一起,用于感受被测环境温度,称为测量端(或称为热端),而左端结点则称为参比端(或称为冷端)。

      图  1  赛贝克效应原理图

      Figure 1.  Schematic of SEEBECK effect

      赛贝克效应产生的电动势为:

      ((1))

      式中:S1S2分别为热电极1和2的赛贝克系数,其取决于热电极材料本身的特性,当热电极材料为均质材料时,S1S2为常数;E为赛贝克效应产生的电动势,仅与两端的温差即T2-T1相关,而当温度T1(参比端)确定时,便可测得温度T2

    • 根据堆内测温的结构设计要求[2],堆芯热电偶在安全壳内的结构需被分为3段,各段间通过热电偶连接器进行连接。热电偶第1段(热电偶I)从堆内构件压紧部件底部引至堆内构件测温柱;热电偶第2段(热电偶II)由测温柱处引出,穿过压力容器顶盖,直至压力容器顶盖吊具平台;热电偶第3段(热电偶III)由堆顶吊具平台至安全壳贯穿件。本次国产化研制的热电偶也正是位于安全壳内的部分。图2给出了热电偶在安全壳内的结构布置。

      图  2  电偶在安全壳内的结构布置图

      Figure 2.  Layout of TC in the containment

    • 堆芯热电偶国产化研制存在诸多难点。第一,其运行环境恶劣,位于核电站一回路水压边界,需长期处于高中子通量、高剂量辐照、高温高压的环境条件下,具体如表1所示;第二,其敷设范围大、接口众多,结构设计上相比于普通热电偶更为复杂;第三,其技术指标要求高,为1E级设备,使用寿命要求长,这也增加了制作工艺的难度。

      表 1  环境条件

      Table 1.  Environment condition

      安全壳内正常环境 压力容器内正常工况
      温度≤49 ℃ 设计温度:350 ℃
      压力:常压(微负压) 设计压力:17.16 MPa
      辐照剂量:2×105 Gy(40 a) 正常运行温度:315.5 ℃
      / 正常运行压力:15.2 MPa

      为克服这些难题,我们需从结构设计、材料选择、制作工艺及试验验证等方面进行综合考虑。

    • 热电偶I的长度约为9 m,热电偶Ⅱ的长度约为5 m,热电偶III的长度约为50 m。通常情况下,热电偶I和热电偶Ⅱ采用铠装,热电偶III采用软电缆,但软电缆与铠装结构的连接处在恶劣环境下易出现断裂,因此本设计整体上均采用铠装,其中铠装热电偶截面各部分尺寸应满足表2的要求[3]

      表 2  铠装热电偶I截面尺寸要求

      Table 2.  Dimension requirements of sheathed TC    mm

      外径 外壳最小值 绝缘层最小值 热电极最小直径
      标称尺寸 最小值 最大值
      3.175 3.150 3.213 0.30 0.30 0.51
    • 由于堆芯热电偶需接入堆芯温度测量系统,考虑到系统需接地处理,因此热端应采用不接壳型结构。而为保证热电偶的快速响应时间,测量端前段外径缩小为2.28 mm,长度为19 mm。

    • 热电偶Ⅰ的外径为ϕ3.175 ,堆内构件测温柱与热电偶的接口部分为规格φ8×2的热电偶导管,此连接处为一回路压力边界的重要组成部分,设计压力为17.16 MPa,因此需设计可靠的密封卡套进行连接。

      封卡套的结构设计如图3所示。

      图  3  密封卡套结构图

      Figure 3.  Structure of seal union

      其密封结构采用了双卡套密封,卡套连接泄漏量[4]的公式为如下。

      ((2))

      式中:Q为泄漏量;d为管路直径;δ为卡套和管路间的间隙;Δp为卡套接头内外压力降;μ为流体动力黏度;l为间隙长度。

      根据公式可知,管接头泄漏量Q与间隙大小δ3、密封截面周长d均成正比,与密封长度l成反比,因此在保证卡套和接头体的尺寸精度以及表面光洁度的前提下,可以有效控制密封程度。另双卡套结构使得密封功能和对卡套管的抓紧功能分开,可降低了扭矩力矩,进而降低装配难度。

    • 为保证热电偶信号的有效传输,采用热电偶连接器连接分段热电偶,热电偶连接器又称热电偶接插件。热电偶连接器设计为直插式,2芯类型,热电极通过焊接的方式与接插件相连,并灌充高温环氧树脂进行密封及绝缘操作。接插件之间通过插针、插孔连接,并利用半月形结构进行定位,其结构简图如图4所示。

      图  4  热电偶接插件结构图

      Figure 4.  Structure of TC connector

      在热电偶接插件外设计保护套管,其连接采用细牙螺纹进行自锁,并采用O型密封圈密封,与铠装热电偶通过双卡套结构进行密封,用以对热电偶接插件进行固定和保护。保护套管结构如图5所示。

      图  5  密封卡套结构图

      Figure 5.  Structure of seal union

    • 堆芯热电偶为K型热电偶,其热电极的材料分别为镍铬、镍铝,其名义化学成分如表3所示[5]

      表 3  K型热电偶热电极材料名义成分

      Table 3.  Nominal composition of type K TC elements

      热电极材料 Ni Cr Mo Co Si Al Mn Fe Mg
      镍铬(wt%) 余量 9.5 / / 0.5 / / 0.5 /
      镍铝(wt%) 余量 / / 1.0 0.4 1.6 2.0 / /

      为确保设计要求,由热电极组成的热电偶精度应达到I级精度[6],即在温度为0~375 ℃时,精度为±1.5 ℃;温度大于375~400 ℃时,精度为±0.4%|t|,其中t为被测值。

    • 设计要求堆芯热电偶的常温绝缘电阻值应大于5×109 Ωm。由于热电偶的绝缘电阻在高温下会呈几何级数降低,绝缘电阻降低会导致热电偶测温回路电流分流,甚至产生虚拟端,进而导致热电偶精度的降低。绝缘层材料的选择直接决定堆芯热电偶绝缘电阻的大小,此外绝缘材料也对热电偶偶丝起到一定程度上的物理保护作用。选用高纯氧化铝作为绝缘材料。

      高纯氧化铝中Al2O3含量(质量百分比)应≥99.5%,其他杂质含量应满足表4要求[7]

      表 4  杂质含量表

      Table 4.  Inclusion requirements

      杂质类型 B + Cd S C 总杂质含量
      含量要求 ≤30×10-6 ≤50×10-6 ≤300×10-6 ≤500×10-6
    • 外壳材料又称为铠装材料,其需保证堆芯热电偶能够在高温高压及辐照环境下正常工作,参考ASTM E235—2003要求,外壳材料选择奥氏体不锈钢管,牌号为316L,且其夹杂物等级应不次于3级。

    • 密封卡套接头体、卡套材料选用奥氏体不锈钢。

      热电偶连接器的外壳材料选用黄铜镀铬,绝缘材料选用PEEK(聚醚醚酮),针芯材料和热电极材料成分保持一致,分别为镍铬、镍铝。

      热电偶连接器外保护套管材料选用奥氏体不锈钢,牌号为316L,密封垫圈选用耐辐照且密封效果好的三元乙丙橡胶EPDM。

    • 常规铠装热电偶的制作工艺流程如图6所示,而为满足堆芯热电偶的高精度、高稳定性、长寿命的综合设计要求,在常规工艺的基础上对其进行了改进。

      图  6  铠装热电偶制作工艺流程图

      Figure 6.  Fabrication flow chart of sheathed TC

    • 组装环境的不适可能将杂质引入热电偶,从而影响其性能。此外氧化铝材料较易受潮,湿度控制不当将会导致热电偶成品绝缘电阻不符合要求。将热电偶组装车间改进为洁净室,并经过反复实践,确定出符合要求的环境温湿度及洁净度。

    • 铠装热电偶拉拔减径后需在保护气氛中进行退火处理,本次研发在常规退火热处理工艺的基础上,对退火温度进行了更精确的控制,调节保护气氛的流量处于最优值,以保证热电偶的均质和力学性能。

      根据研究,NiCr10长期处于246~468 ℃的温度区间时,其内部晶格结构会由无序状态变为短程有序,从而导致热电偶测温不均匀,所导致的温度误差最高可达8 ℃[8]。而通过稳定化热处理工艺,可以有效消除NiCr10晶格间结构短程有序所带来的精度影响。

    • 为检验所研制的堆芯热电偶的性能指标,需通过一系列试验进行验证。试验包括常规性能试验和1E级鉴定试验。

    • 按前述结构、材料及工艺,制作3支编号分别为S1、S2和S3的样件,并对其进行常规性能试验。

    • 分别在100 ℃、200 ℃、300 ℃、375 ℃、400 ℃温度下对3支样件进行标定,测量其精度,结果如图7所示,样件在0~400 ℃范围内,满足设计精度的要求。

      图  7  样件精度数据

      Figure 7.  Accuracy data of samples

    • 分别测量3支样件在室温(17 ℃)下的绝缘电阻值及热响应时间,结果如表5所示。绝缘电阻值均远高于设计要求(5×109 Ω),热响应时间也均满足小于1 s的设计要求。

      表 5  样件绝缘电阻值及响应时间

      Table 5.  Responsible time and IR of samples

      样件编号 绝缘电阻值/(1022 Ω) 热响应时间/s
      S1 2.58 0.323
      S2 2.54 0.290
      S3 2.62 0.291
    • 为验证堆芯热电偶是否能满足稳定测温的要求,将3支样件置于350 ℃环境下持续30 d,每天测量一次数据,结果如图8所示,不难看出,3支样件测温值均在精度范围内,且最大偏差值不超过0.2 ℃。

      图  8  样件长期稳定性数据

      Figure 8.  Long term stability test data of samples

    • 由前述结构可知,堆芯热电偶通过密封卡套与堆内构件测温装置引出管连接,为验证其密封性,需进行水压试验,选用样件S1与模拟引出管连接进行水压试验。试验结果表明,绝缘电阻值依然满足设计要求,卡套连接密封性能良好。

    • 按前述结构、材料及工艺,制作3支编号分别为S4、S5、S6的样件进行1E级鉴定试验。1E级鉴定试验委托具有资质的单位进行,需进行辐照老化试验、热老化试验、振动试验、抗震试验、LOCA/MSLB试验。试验前后分别对3支样件的精度、室温绝缘电阻进行了检查,试验结果分别如图9表6所示。在经过鉴定试验后,3支样件性能保持完好,并未劣化。

      图  9  试验前后样件精度对比

      Figure 9.  Accuracy data comparison of samples

      表 6  试验前后样件绝缘电阻值对比

      Table 6.  IR data comparison of the samples 1022 Ω

      试样编号 试验前绝缘电阻值 试验后绝缘电阻值
      S4 2.36 6.20
      S5 2.19 1.26
      S6 2.24 3.55
    • 热电偶样件通过1E级鉴定试验后,于2015年9月完成批量生产(单台机组36支,共72支),巴基斯坦恰西玛核电站3号机组堆芯热电偶于2015年12月完成全部安装与调试,所有热电偶测量回路连续,各项数据正常,符合设计要求。

    • 通过试验验证以及在实际工程上的应用反馈,堆芯热电偶的国产化取得了阶段性的成功。由于堆芯热电偶的使用是一个长期的过程(40年的使用寿命),我们也将持续关注堆芯热电偶在巴基斯坦恰西玛核电站3号、4号机组的使用反馈情况,积极改进与创新,期待使国产化堆芯热电偶将具有更广阔的应用前景。

  • 参考文献 (8)

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