核级压力变送器设备鉴定样机的选型方法及实践
时间：2023-05-28 22:05:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李晓涛
（中广核工程有限公司，广东 深圳 518124）
核级压力变送器是保障核电机组安全可靠运行的控制系统中最为关键的仪表之一，根据我国相关法规[1]及标准要求，需要通过分析、型式试验或运行经验等设备鉴定的方法，证明设备在规定的运行条件和环境条件下能保持规定的准确度和性能要求。
型式试验是设备鉴定的首选方法，但是对所有类别的核级压力变送器均进行型式试验不太现实，以中广核“华龙一号”技术路线为例，全厂共计有800余台，70余种规格型号的核级压力变送器，且鉴定等级存在差异，受试验装备条件、试验时间及成本等因素的制约，样机数量不宜过多。因此，需要对核级压力变送器设备鉴定样机的选型方法进行研究，选择适宜数量的具有代表性的设备鉴定样机，实施相应的设备鉴定试验，将样机鉴定的合格结论外推至“相似”设备，从而达到验证所有的核级压力变送器能够满足核电厂规定的运行条件和环境条件下完成预期功能的目的。
本文主要围绕核级压力变送器设备鉴定样机选型的要求、样机选择方法，分析总结相关标准规范中对鉴定样机代表性的论述，并进行“华龙一号”核级压力变送器鉴定样机选型的实践，指导设备鉴定工作。
IEEE 323标准[2]中规定，鉴定样机必须在设备设计、材料和制造过程方面可以代表实际安装的设备，并给出了样机鉴定结论外推至“相似”设备必须满足的代表性准则，包括：①结构材料须相同或相当，如存在差异需证明相关差异对设备的安全功能没有不利影响；
②在基础配置一致的前提下，尺寸需相同或等比例相似，如存在差异需考虑不同表面区域热影响及抗震影响，并证明相关差异对设备的安全功能没有不利影响；
③外形需相同或相似，如存在差异需证明相关差异对设备的安全功能没有不利影响；
④外推设备的运行及环境应力应不大于样机经受的正常或异常环境条件下的应力；
⑤样机的老化机理应包络拟外推设备的所有老化机理；
⑥样机和外推设备的功能必须相同。
核级压力变送器属于1E级电气仪控类产品，NB/T 20344《核电厂安全级电子设备鉴定规程》[3]中也对鉴定试验样机提出了具体建议，包括：①功能代表性，具有典型的功能输入输出特性；
②产品类型代表性，选择足够的电子模块覆盖产品功能配置；
③机械结构代表性，安装方式、产品尺寸、重量等具有相似的动态结构特性；
④应用配置代表性，电气连接、接口应相同或相似；
⑤软件代表性，如产品内置软件，样机应使用具有代表性的软件和诊断程序。
综上标准所述，电气仪控类产品样机鉴定合格结论外推至“相似”设备的代表性原则是样机与实际设备属于一个设备“类别”或“系列”，要具有相同的工作原理、设备功能，相同或相似的硬件结构、材料、接口特征[4]。样机组合覆盖产品全部功能的电子模块，鉴定环境条件应包络设备的运行及环境应力要求，鉴定样机组合的规格型号、性能参数具备典型性。
中广核“华龙一号”技术路线核级压力变送器的总数量有800余台，根据技术规格书及数据表的要求进行设计及选型，共计70余种规格型号，且相同规格型号设备标定量程存在差异。
基于上文对设备鉴定样机选型要求的论述，以下将从设备工作原理、硬件结构，设备材料、内部电路原理、外部接口等方面对中广核与上海洛丁森联合研发的RP1990系列核级压力变送器的鉴定样机选型方法进行论述。
2.1 样机代表性的分析要素
RP1990系列核级压力变送器采用变极距差动电容原理，传感器的制作基于金属电容技术路线。其电路功能具备零位、满位、线性、阻尼的现场调整功能，其中频次相对较高的零位、满位调整无需打开表盖，由专门的调整机构在壳体外部操作实现，频次较低的线性、阻尼调整需开盖操作。样机代表性的分析要素包括以下几个方面：
1）基本型RP1990系列核级压力变送器的硬件结构主要由传感器部件（传感器膜盒）、电子部件、承压部件、表壳部件（电子仓）、电缆连接器以及安装支架构成。保持基本型压力变送器其他部件不变，将承压部件中的法兰夹板更换为由毛细管连接远传法兰的夹板，并加装远传法兰部件，则构成RP1995系列远传法兰变送器。
2）按鉴定类别可分为RP1991（K3）、RP1992（K2）、RP1993（K1/SA）3个类别、4个鉴定等级，其中K1和SA类设计完全相同，仅鉴定要求不同[5]。
3）按压力测量类别可分为差压变送器（DP）、压力/表压变送器（GP）、绝压变送器（AP）3个类别，3类压力变送器原理相同，结构类似。
4）RP1990系列产品共涉及8个量程规格，其代号分别为2、3、4、5、6、7、8、9，量程上限达到25MPa，覆盖核电站测量要求。其中，差压产品的静压等级包括：0MPa、1MPa、7MPa、14MPa、25MPa共5个等级。
5）产品的敏感元件的结构及设计完全相同，K1类产品传感器部件与表壳部件为焊接连接，以保证LOCA环境下的产品耐受能力；
K2及K3类产品传感器部件与表壳部件为螺纹连接，通过O型密封圈实现环境压力密封。
6）产品的电路设计完全相同，为满足不同鉴定条件下环境工况的使用，电子元器件选型有所差异，其中K1、K2、SA类完全相同。
7）产品的结构特征及材料选项包括膜片材料、过程接口、泄放阀、电气连接等选项。其中，膜片材料选项包括316L不锈钢、HASC哈氏C合金；
过程接口选项包括卡套接头、1/4NPT（F）、远传法兰选项；
泄放阀选项包括堵头、泄放阀；
电气连接所用的快速连接器分别选用经过相应鉴定等级的定型产品，其中K1类产品电缆连接器包含K1电缆，K2及K3类产品不含电缆，SA类产品电缆连接器与K1类相同，另有包括直通、弯头的选项。
综上，RP1990系列核级压力变送器的样机代表性的分析要素至少包括鉴定类别、压力型式、量程规格、结构特征及材料、静压等级，并兼顾量程比、零点迁移、阻尼功能等应用配置。
2.2 样机代表性的选型方法
根据上述相关标准及规范的要求，结合产品样机的选型分析要素，依照覆盖全部量程规格、不同压力型式、不同静压等级、不同膜片材料、不同电缆连接器型式及泄放功能选项，兼顾量程比、零点迁移、隔膜密封、阻尼功能等应用特点的样机选型原则，参照图1所列流程实施选型。
图1 样机选型方法Fig.1 Prototype selection method
1）样机类别代表性
样机应包含被鉴定设备的所有设备类型。样机类别包括鉴定类别和压力类别两类，样机应包含全部鉴定类别和压力类别，样机的每个鉴定类别的样机数量建议不少于3台[6]。
由于压力变送器本质上是差压变送器，仅因参考腔压力不同而区分为差压、压力（表压）、绝压3个类别，差压变送器和压力（表压）传感器采用相同的结构和原理，绝压变送器整体结构类似，仅在低压侧增加一个绝压零位参考腔。由于差压变送器的考核指标多于其它两个类别，因此样机选型以差压变送器为主。
2）样机功能代表性
样机应具有被鉴定设备的典型功能，同时应考虑系统功能的重要性、复杂性和全面性。
核级压力变送器的功能为：实现对现场压力的监测并以标准信号输出。所有样机均需符合上述功能要求。由于部分测点需进行阻尼设置，因而部分样机选型需包含阻尼功能。
3）样机机械结构代表性
样机应具有与被鉴定设备相似的动态结构特性。样机按1:1原型尺寸制作，结构特点如重量及其分布、重心、刚性、接口关系等与产品一致。
样机的安装方式为单一安装方式，因此所有样机均配套安装支架选型。
4）样机应用配置代表性
样机应具有与被鉴定设备相似或更严酷的配置，包括温升、电气连接、机械应力、接口、负荷等。样机按1:1原型尺寸制作，与被鉴定设备设计相同、老化效应相同、负荷相同。
5）样机软件代表性
软件（如有）配置应带有实际运行中使用的具有代表性的软件和诊断程序，包括系统软件和应用软件。
中广核与上海洛丁森联合研发的RP1990系列核级压力变送器的鉴定样机，依据上述样机代表性的选型原则和选型方法产生。
3.1 样机类别代表性
样机类别包括鉴定类别和压力类别两类。
根据产品设计方案，K1类与SA类设计完全相同，仅鉴定试验项目有所差异。
所有产品的电路原理完全相同，为满足不同鉴定条件下环境工况的使用，电子元器件选型有所区别。其中，K1、K2、SA类完全相同，K3类则存在个别器件的差异。
鉴定样机总数为19台，按产品类别分类。其中，差压类别为12台，表压和类别为4台，绝压类别为3台。按鉴定等级分类，K1类为9台，K2类为3台，K3类为4台，SA类为3台。
样机类别分析详见表1。
表1 样机类别分析Table 1 Prototype category analysis
3.2 样机功能代表性
鉴定样机覆盖全部量程规格，并参照依托项目和研发技术规格书的功能位置码的对应要求确定校准量程和静压等级（仅差压），同时体现量程压缩、量程迁移的代表性，在类别代表性的基础上，量程规格详见表2。其中：量程比最大为5.5，量程迁移包括正迁和负迁，最大迁移量为最大量程的44%，静压等级包括1MPa、7MPa、14MPa、25MPa，覆盖华龙一号的相关设计要求；
为覆盖阻尼功能要求，K1,、K2、K3类各有1台样机具备阻尼功能。
表2 量程覆盖性分析Table 2 Range coverage analysis
3.3 样机机械结构代表性
根据核级压力变送器技术规格书的要求，选取1台K3类样机，其接液膜片材质为HASC材质，以满足海水介质测量要求。
鉴定样机的过程接口覆盖：卡套接头、1/4NPT(F)，并包含远传法兰结构型式，泄放选项覆盖：堵头和泄放阀两种型式。机械结构代表性详见表3。
表3 机械结构代表性Table 3 Representation of mechanical structure
鉴定样机的电气连接包含直头、弯头两种型式，其中包含有4台弯头型式的鉴定样机。
3.4 样机应用配置代表性
样机按1:1原型尺寸制作，包含安装支架，不同的电气连接、不同的接口连接方式。因此，样机与被鉴定设备设计相同、老化效应相同、负荷相同。
3.5 样机软件代表性
RP1990核级压力变送器采用纯模拟电路进行信号变送，无可编程部件及内置软件，因此不涉及软件代表性的分析。
核级压力变送器在“华龙一号”核电站中应用广泛，数量及规格型号多样，在研发及供货过程中对所有的型号进行设备鉴定是不现实的，因此必须选取具有代表性的产品样机完成设备鉴定，而样机的代表性分析是样机选取的重点工作之一，也是鉴定合格结论能否成功外推的关键因素。
本文围绕设备鉴定相关标准中对鉴定样机代表性的准则进行分析，结合核级压力变送器的研发及鉴定的实践需要，对这一类产品的样机代表性的选型方法进行研究，并合理确定样机数量及类别、功能、结构等方面的代表性，用于指导产品的鉴定试验工作。
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