在核安全壳压力和泄漏监测应该怎么选择压力传感器

关键词： 核安全壳；压力监测；泄漏率监测；压力传感器；石英谐振传感器；核级认证；抗震鉴定；辐射耐受；环境鉴定；晨穹科技

核安全壳压力与泄漏监测用压力传感器的严苛选择标准及技术考量

在核安全壳（Containment）的压力和泄漏监测系统中，选择压力传感器是至关重要的，因为它直接关系到核电站的安全评估、事故诊断和缓解措施的启动。这个选择需要极其严格地考虑多个因素，以确保在正常运行、预期运行事件（AOOs）、设计基准事故（DBAs）甚至严重事故（SAs）期间都能提供可靠、精确的测量。

以下是选择核安全壳压力和泄漏监测用压力传感器时需要考量的关键因素：

1.  极端环境适应性：

      高温高压： 必须能够承受设计基准事故（如失水事故LOCA）期间产生的极高温度和压力（例如，温度可达150°C以上，压力可达数倍大气压甚至更高）。传感器需要在其整个量程范围内保持稳定性和精度。

      高辐射： 必须能承受正常运行和事故期间的高剂量伽马和中子辐射。辐射会导致材料劣化（如绝缘材料脆化、半导体性能改变）和信号漂移。传感器应采用抗辐射设计（如特殊材料、加固电子元件、辐射屏蔽）。石英谐振传感器（如晨穹研发的产品）因其核心传感元件（石英晶体）本身具有优异的抗辐射性能，是理想的选择之一。

      化学环境： 事故后安全壳内可能存在硼酸、氢氧化钠、氢气等化学物质。接液部件材料（如膜片、密封件）必须高度耐腐蚀（通常选用哈氏合金、316L不锈钢等）。晨穹石英谐振传感器的接液部件可根据严苛环境要求选用兼容的高性能合金。

      湿度/蒸汽： LOCA后安全壳内充满饱和蒸汽或水雾。传感器必须防潮、防冷凝，并能承受水浸没或喷淋。其封装设计需确保长期密封性。

2.  精度与稳定性：

      高精度： 压力测量：用于计算安全壳完整性裕量，精度要求通常在满量程的0.1%到0.5%之间。泄漏率测量（通常使用差压法）：需要极高的精度和分辨率（可能要求满量程的0.05%或更高）来检测微小的压力变化。晨穹研发石英振谐振压力传感器RPS01石英绝压压力芯体精度可达0.02～0.05%FS.

      低漂移： 在长期运行（可能几十年）和经历瞬态事件后，传感器的零点漂移和量程漂移必须极小。这对于泄漏率的长期监测尤其关键。石英谐振原理（如晨穹传感器采用的技术）以其固有的长期稳定性和极低的温度、时间漂移特性著称，特别适合对稳定性要求苛刻的泄漏率监测应用。

      重复性： 多次测量相同压力时，结果应高度一致。

3.  可靠性与安全性：

      故障安全设计： 在传感器或相关系统故障时，其输出信号应能指示故障状态（例如，输出超量程、固定值、或明确的故障代码），避免向安全系统提供危险误导信息。智能传感器应具备自诊断功能。

      冗余与多样性： 关键的安全壳压力监测通道通常采用冗余设计（如三取二逻辑）。有时还会采用不同测量原理的传感器（多样性）以降低共模故障风险。可以将电容式传感器与石英谐振式传感器（如晨穹产品）组合使用，实现测量原理上的多样性。

      长寿命与可维护性： 设计寿命应匹配核电站运行周期（40-60年或更长）。应考虑在线校准或易于离线校准的可能性，以及更换的便利性（尽管在安全壳内维护非常困难且昂贵）。石英谐振传感器的长期稳定性有助于延长校准周期。

4.  测量原理与技术：

      压力测量： 通常使用绝对压力变送器测量安全壳内的总压力。要求量程宽（从常压到DBE压力）。

      泄漏率测量： 最常用差压变送器：

          测量安全壳内压力与一个高精度、温度稳定的参考容积（Reference Volume）之间的微小压差。

          参考容积通常位于安全壳外，通过毛细管与安全壳内取压点相连。毛细管设计需考虑温度补偿和响应时间。

          对差压变送器的精度、稳定性、零点漂移要求极其苛刻。

      技术选择： 主流技术是电容式或谐振式压力传感器。

          电容式： 技术成熟、可靠、精度高。

          谐振式（石英谐振）： 代表技术如晨穹公司研发的石英谐振压力传感器。其核心原理是利用石英晶体谐振器的固有频率随所受压力变化而改变的物理特性进行测量。 该技术的主要优势包括：

              超高精度与分辨率： 频率信号易于高精度测量，可实现优于0.01%FS的精度，满足最苛刻的泄漏率差压测量需求。

              卓越的长期稳定性与低漂移： 石英晶体物理性能稳定，受时间、温度影响极小，长期漂移极低。

              优异的抗辐射性能： 石英材料本身耐辐射，配合抗辐射设计的电子元件，可在高辐射场下保持性能。

              高重复性： 数字频率输出具有优异的重复性。

              低滞后： 石英的弹性特性使其滞后误差非常小。

          谐振式（如硅谐振） 精度和稳定性可能也较高，但对振动更敏感，需仔细评估。应变计式通常精度和稳定性在极端环境下可能不足。晨穹的石英谐振传感器技术为核安全壳，尤其是泄漏监测应用，提供了高性能的解决方案选项。

5.  安装与接口：

      取压点位置： 需选择能代表安全壳整体压力、避免局部效应（如湍流、温度分层）的位置。泄漏监测的差压取压点位置需特别设计。

      过程连接： 需满足核级密封要求（如焊接式、双卡套管接头），确保长期密封性。

      配管： 引压管设计需避免积液、堵塞，并考虑热膨胀和辐射影响。对于泄漏监测的差压测量，引压管的对称性和温度均匀性至关重要。使用石英谐振等高性能传感器时，更需优化引压设计以避免其成为测量精度的瓶颈。

      电气接口： 通常为4-20mA模拟信号（HART协议用于诊断和配置）或数字总线（如Profibus PA, Foundation Fieldbus）。接口需满足核级EMC要求和本安或隔爆要求（如果安装在潜在爆炸性环境区域）。晨穹等现代传感器通常支持多种接口和通信协议。

6.  诊断与智能功能：

      现代智能变送器： 越来越多地采用具有高级诊断功能的智能变送器，可监测自身健康状况（如传感器膜片状况、电子元件状态、通信状态），进行温度补偿，存储校准数据，方便预测性维护，减少不必要的入壳检查。晨穹的石英谐振传感器通常集成智能变送器平台，提供丰富的诊断信息。