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K型热电偶

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对特殊环境下K型热电偶质量监控的浅析

来源:www.morrisnunn.com作者:发表时间:2019-10-29

    摘 要 :特殊环境下K型热电偶实际运行工况环境极其严酷,对产品设计和制造质量要求极高,产品质量的保障是通过贯穿于整个研发过程的质量监控工作得以实现的。这些项目采取的质量监控方式为坚守质量监控原则的基础上转变了传统的加强“控制”的方式,以强化质量监控的合理建议权,不断提高质量监管水平,强化质量监管预防为主,真正为用户提供安全可靠的产品。

    引言
    众所周知,某些特殊环境下的反应堆(如快中子增殖堆、铅基堆、高温气冷堆、聚变堆等),是国家综合实力的重要体现,不仅具有不可估量的科研价值和经济价值,同时也具有强大的军事价值。

    控制用中子探测器用于监测反应堆的运行状态,相当于人体的眼睛,它将反应堆内中子注量率的大小和变化速率转换成电信号,输入到相应的控制设备,达到监控反应堆正常运行的目的。

    特殊环境下K型热电偶从运输、安装,再到正常运行,所处的环境条件十分恶劣,可能经受严酷机械振动冲击;极高温和极低温交替冲击;堆内中子、γ射线、宇宙射线及强电磁场的影响 [1,2],有些甚至还要求在真空环境下长期运行,且不可维修和更换。

    基于这些严酷环境和高性能的指标要求,不仅对研制提出了更高的标准,也对质量监控工作提出了新的挑战。

    1 对特殊环境下K型热电偶质量监控的浅析
    1.1 提高对其质量监控重要性的新认知
    中国核工业发展经历了 3 个阶段:第一阶段“两弹一艇”时代,这时期的核工业为中国成为核大国奠定了坚实的基础;第二阶段“二堆一器”时代,和平利用核能和核科研的成就,进一步提高了中国核大国的话语权并为“一带一路走出去战略”作出重大贡献;现正处于第三阶段,中国将从核大国向核强国迈进,最能体现中国核强国地位的就是这些应用于特殊环境条件下的新型反应堆,打破国外核垄断地位,将为世界能源结构,交通动力和太空探索做出重大贡献。作为探测这些新型反应堆的“眼睛”,它的产品实现过程和质量监管过程均十分重要,对其提出了新的挑战,有了新的认知,其中质量监控重要性的新认知从转变观念开始。

    1.2 质量监控观念的转变——强化质量监控的合理建议权
    现有质量监控模式强调的是控制,弱化了合理化建议,即按照质保体系等相关规定对过程进行监控,检查其执行程序的合规性;对照法规标准等相关指标进行比对,检查其最终结果的符合性。这种监控方式是传统的,也是被动的。

    通过对特殊环境下K型热电偶项目的全过程质量监控,认识到其方式从被动到主动转变的重要意义。“产品质量是设计和制造出来的,不是监控出来的”,所以产品实现过程中的设计水平和制造工艺水平是关键因素,要求质量监控环节延伸到设计环节,在深入了解原理的基础上,适时提出合理化建议。同时,有效的质量监控不仅要判断结果,而且对结果要究其原因,对正向结论,要究其是否存在偶然性;对负向结论,要判定失效原因并尽可能给出合理化建议。

    案例——对充气工艺取舍的质量监控的实施,充分体现了强化质量监控合理建议权的效果。
    某特殊环境下K型热电偶项目,其产品技术规格书中的指标要求中子探测器除了电极涂 B-10 外,还需充入一定量的 He-3 气作为灵敏物质,目的为增加其中子灵敏度。
    核反应式如公式(1)和公式(2)所示:

 

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    B-10 与热中子的核反应截面为 3840b,He-3 与热中子的核反应截面为 5330b。因此,充入一定量 He-3 气体,应能增加探测器的中子灵敏度。

    质量监控人员根据核反应理论知识向技术人员提出质疑,He-3 与中子反应生成氚,氚为放射性核素,衰变过程中会不断释放出能量为 18Kev 的 β 电子,半衰期为 12。26年,从而会增加探测器本底信号,进而影响探测器的相关性能。

    这一质疑引起了技术人员的重视,经过充分讨论,决定使用制作样管进行比对试验,并理论分析及计算的方法。比对试验结果表明:充入 He-3 气的比未充入 He-3 气的样管中子灵敏度仅提高约 10%,但未充入 He-3 气的样管中子灵敏度测试数据同样也能满足技术要求的指标。对此试验结果,进一步分析计算,充 He-3 气后探测效率(即中子灵敏度)增加约 10%,E2=1。12=1。21(注:探测器品质因子 Q=E2/B,其中:E 为探测效率,B 为本底)。同时经分析,本底信号将随着探测器使用时间的延长而不断增加,当本底因氚的影响增加大于 21%,从公式可计算出,品质因子Q 将会降低。同时,用充 He-3 气增加探测效率(即中子灵敏度)的方式,对后续制造工艺实现的可能会产生如下影响:

    1)充纯净 He-3 气增加探测器制造工艺的复杂性。
    2)对氚产生本底形成的信号,需由电子线路的甄别器调节甄别阈来解决,将增加后级信号处理线路的负担和调试工作量。

    3)将增加生产成本。
    通过综合分析,研制团队决定在研制样本时,不再充入 He-3 气。这一案例说明,质量监控人员不仅要按照大纲程序等进行质量监管,还应深入了解技术原理,与技术人员共同研讨,对某些指标和工艺提出质疑,尽可能规避存在的质量风险,进而使产品质量更加安全可靠。

    1.3 质量监控中坚持质量优先、指标盈余的原则
    质量监控包含两个方面:一是监督研制全过程是否符合相关程序要求,二是检查结果是否符合相关技术要求,对于检查的结果须坚持质量优先、指标盈余的原则。

    案例——某特殊环境下K型热电偶使用的铠装电缆在选择厂家时,坚持质量优先和指标盈余的原则。

    探测器信号传输使用的铠装电缆作为探测器重要的组成部分,其性能至关重要,它能否经受恶劣环境(如:高温、低温、强辐照、强振动冲击、甚至真空环境等)的考核是确保探测器安全可靠运行的关键。

    目前国内新建的一般环境下K型热电偶的铠装电缆均已实现国产化。某特殊环境K型热电偶项目组的研制人员在对国内两家和国外一家主要电缆厂生产的铠装电缆样本进行了高温绝缘性能测试,选取测量温度值分别为 100℃、250℃(工作温度)、400℃(极限温度),结果表明:100℃时,3 个厂家电缆样本均能满足大于 1×1012Ω 的指标要求;250℃时,国外厂家样本能满足技术指标要求,两家国内厂家样本接近技术指标,但无盈余;400℃时,国外厂家样本能满足技术指标要求,且尚有盈余,而国内厂家样本与技术指标差距较大。

 

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    项目组人员对以上测量结果,初步提出两种选择方案:方案一,采用国外厂家生产的铠装电缆;方案二,在不影响反应堆安全前提下,对于不满足技术指标的可让步接收。技术人员解决问题的思路是选择方案一,理由为反应堆在功率运行期间,输出电流范围在 0.1nA ~ uA 量级,探测器绝缘电阻偏低对测量精度的影响在可接受范围内。质量监控人员坚持选择方案二,理由为仅有方案二实测结果在各个温度值均满足技术指标要求,方案一虽测量精度影响可能不大,但对测量范围下限的精度和稳定性存在很大的不确定性,且在 250℃时,国内厂家样本虽接近技术指标,但无盈余,同时考虑此项目探测器处于特殊环境条件,运行期间不能维修和更换,基于这些特点,应尽可能消除一切可能存在的风险。最终质量监控人员与技术人员充分沟通,坚持质量第一和指标盈余的原则,选择了方案一使用指标符合要求的国外厂家生产的铠装电缆。

    1.4 在质量监控中对发现问题坚守归零原则
    质量监控全过程须坚守问题归零原则 [3-5] :“定位准确、机理清楚、问题重现、措施有效、举一反三”,确保了最终产品质量满足要求。

    案例——某特殊环境下K型热电偶项目中对热真空循环试验不符合项的处理,充分体现了问题归零原则。

    在某特殊环境下K型热电偶样件的热真空循环试验中,处于真空环境,同时探测器需耐受多次高低温循环冲击,以测试探测器的环境适应性。热真空循环试验装置简图如图 1 所示。

    探测器置于加热区,端盖有铠装电缆密封结构,抽气接口,下端有水套降温,探测器外壁有热电偶温度监测,因普通加热装置达不到试验温度,故使用管式炉加热。高温真空试验完成后,待温度降至室温,再将试验筒整体转移至低温试验箱,进行低温试验,低温试验完成后再升温至室温,转至管式炉进行高温真空试验。如此反复,循环进行高低温循环冲击。

    根据技术规格书要求,判定合格依据为在所有循环试验过程中,本底电流均应小于 10-9A,绝缘电阻均应大于1GΩ。

    试验数据表明,从样件第 5 次循环开始,到第 8 循环,均出现本底电流大于 10-9A 的现象,最大值出现在第 7 次循环为 2。1×10-7A,在第 9 次循环恢复至大于 10-9A。本司质量监控人员对此现象开具了不符合项报告,按照质保监管程序要求查找失效原因,针对原因制定有效的纠正措施并组织实施。

    项目组首先对真空系统进行了全面检查,经比对后,高真空指示准确,复测探测器样件常温下的性能均符合要求。然后拆开试验筒,发现热电偶未与探测器外壳紧密接触,而悬于真空室内,基于此初步判断为此操作失误可能造成探测器所处位置的温度与实际温度产生差异,最终使探测器温度过高,导致测试过程几组数据超差。

    质量监控人员要求重现此现象,故技术人员重新安装了一支热电偶,发现在真空室中悬空时,测得数值比紧密接触时高约 70℃。据此可判断,问题定位准确,同时对问题机理开展了进一步分析,由于热电偶安装悬空,未按规定接触到位,在真空环境下热传导效率低,测得温度数据不准确。

    基于对上述不符合现象的重现及对问题机理的分析,可认定“问题的定位是准确的,机理是清楚的”,后续将对如何处理此不符合项(即制定有效措施)面临两种选择:一是因探测器并未损坏,在同一样本试验条件纠正后,重复进行一次试验;二是考虑到试验温度超差 70℃,对探测器性能及试验可能产生影响,制作新样件后重新试验。这是一个两难的选择,选择其一是可顺利地完成试验,进度有保障,但存在不能预知的质量风险;选择其二,进度延后半年,成本增加,但能有效规避不能预知的风险。同时也深入了解了航天新产品研制过程,通常一般为 3 个阶段,首先对产品使用材料进行可用性、可靠性、可替代性等分析和试验,满足要求后再进行部件分析和试验,遇不符合项则停止后续工作,分析原因,定位不符合的确定因素,经过修正,重新制作样件,开展各项试验和测试。如此反复,直到所有部件无一缺陷,装配成整个样件,进行系统试验和测试。

    基于上述分析,此项目在温度试验中使用操作方式有误导致试验温度超差的现象对探测器性能产生影响不可预计的情况下,质量监控人员要求制作新样件,重新开展试验。后续项目组经过近 10 个月的努力,在质量监控人员监管下,完成了新样件的制作,通过了机械性能试验、核电性能测试、环境试验、寿命考核试验,最终产品通过了科研鉴定,顺利进入了试生产阶段。

    2 结论
    通过对特殊环境下K型热电偶项目的全过程质量监管,从中提炼了典型的经验反馈和良好实践,将总结的经验固化至质量监管作业程序中,不断提高质量监管水平,强化质量监管预防为主,真正为用户提供安全可靠的产品 [6]。

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