基于加速度控制的核電設備運輸管理

王秀祥，李 洋 （中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

WANG Xiu-xiang, LI Yang (CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd, Haiyan 314300, China)

0 引 言

核電設備的重要性及其特殊性，使得核電設備運輸整個過程控制要求相當嚴格。加速度控制是運輸過程控制的一種重要手段，而加速度計是其得以實現的主要工具。將加速度計應用于運輸監控有助于填補質量管理體系的這一空白。本文就其在核電運輸過程中使用的壓電式加速度計為例，對其基本工作原理和實踐應用進行分析，以期通過本文的方法研究可供相關領域參考。

1 加速度計基本原理

加速度計是根據慣性原理相對慣性空間工作。直接測量加速度本身是很困難的，雖然載體的加速度可以通過位移傳感器或速度傳感器獲得，但通常大多數加速度計是借助敏感質量將加速度變成力進行間接測量的。根據牛頓第二定律，作用于物體上的力等于該物體的質量乘以加速度。換言之，加速度作用在敏感質量上，敏感質量將其感應為慣性力，測量該慣性力，就可以間接地測量到載體的加速度。

加速度計的基本力學模型是一個質量—彈簧—阻尼系統（如圖1 所示）。

當有加速度輸入時，敏感質量由于慣性力作用而發生位移，位移變化量與輸入加速度的大小有確切的對應關系，可以描述為一個單自由度二階彈簧阻尼振動系統，系統的數學模型即為：

式中：k為等效彈性系數，c為等效阻尼系數，m為等效慣性質量，a為輸入加速度。

如果將加速度計的殼體固定在載體上，只要能把敏感質量在敏感軸方向相對殼體的位移x測出來，便可以把它作為加速度a的直接度量。敏感質量越大，彈性剛度越小，即系統的諧振頻率越低，則加速度計的靈敏度就越高。

2 加速度計特點分析

根據記錄元件分類，目前加速度計主要分為電子式和紙帶打點式，電子式為主流；根據按傳感元件分類，有壓電式、壓阻式和電位器式等。根據核電設備運輸的實際情況，本文只針對電子式的壓電式加速度計進行介紹。

目前核電設備運輸過程中應用較為普遍的壓電式加速度計是RD317 Micro ShockLog Recorder，曾在國內某核電擴建工程蒸發器的運輸過程中使用，其基本工作原理：根據一個高性能低電量微處理器以128K 內部閃存和512K 閃存為存儲。當處理器使用時會消耗許多電量，因此會盡量將它保留在一個低電量睡眼狀態，并以一塊非常低電量的時鐘芯片以每秒鐘的頻率叫醒它一次。它的主要傳感器是它的三方固定電子加速信號器。信號器獲得的信號會被幾組模式電路放大和過濾，并且根據用戶的預先配置來選擇獲取正確反應。記錄器預設有蘇醒門限和警報門限，三個信號器得來的信號將會與它們作比較，如果信號超出蘇醒門限，處理器將被叫醒并以每秒1 024 個樣品率開始監測信號水平，如果信號超出警報門限，記錄器將啟動記錄事件。

3 核電設備運輸管理

基于加速度計應用的運輸管理主要包括四個方面：運輸方案審查、加速度計可靠性審查、運輸過程監控、最終數據分析。其中運輸方案審查主要是針對加速度的計算及其分析是否準確可靠；可靠性審查主要是針對加速度計本身的一些特性審查，如量程、校驗記錄等；運輸過程的監控主要是對異常時間的記錄和跟蹤；最終數據分析主要是以圖表及會議紀要的形式對加速度的數據進行分析，并補充到整個運輸過程的質保體系中去，從而保證質保體系的完整性及可追溯性。

根據國內某核電工程設備運輸過程中加速度計的應用實踐，針對流程的主要環節可能存在的問題，總結如下注意事項：

（1） 運輸方案審查階段：主要是針對運輸方案中的加速度計算的方法及計算依據進行驗證，分析其是否準確可靠，并依此對設備的綁扎受力進行分析，如海運則可以計算其風浪對船舶穩性及設備本身的影響；若是公路運輸則可以限定起步速度和制動速度以及轉彎速度，從而保證加速度值在可控范圍之內。

（2） 加速度計可靠性審查：主要是針對加速度計本身可靠性的檢查，如加速度計量程必須在規定要求之內，避免因量程過大或者過小導致數據失真；還要求對加速度計的校驗記錄及認證進行審查，一般要求每兩年對加速度計進行一次重新校準，除此之外，還要進一步對加速度計的安裝前測試及安裝工作實施審查，值得注意的是加速度計本身就是測量振動的敏感元器件，所以安裝前的測試要避免過度振動導致敏感元件引起共振和斷裂。

（3） 運輸過程監控：一般來說，具有加速度要求的核電設備基本是核電工程建設的關鍵設備，其重要性不言而喻，運輸環節的監控是設備從制造到投入安裝運行的有力保證。運輸過程監控不僅可以監督運輸服務商有效地按照運輸方案實施運輸，而且更重要的是可以對運輸過程中的異常事件進行記錄。因為加速度計在工作時主要以時間點來記錄數據，即使設備處于靜止狀態也可能由于人為因素導致加速度的存在或者超標的可能。比如，在綁扎設備、中途對設備進行包裝檢查都有可能觸碰加速度計，導致數據被污染。所以在運輸過程監控中異常事件的記錄是非常重要的。

（4） 最終數據分析：當設備安全抵達目的地后，需對加速度數據立即進行分析。此時需要在運輸服務商代表、供貨商代表、業主代表的共同見證下，對加速度的數據進行讀取，并對數據中最大值進行記錄和分析，判定是否滿足設計要求。因為，加速度數據通常以電子的Excel 表或者柱狀圖的形式讀出，數據量通常相當龐大，因此形成會議紀要記錄三軸方向的最大加速度值是目前數據記錄及分析的有效手段。

4 案例與結果分析

4.1 案例分析

在國內某核電擴建項目中關鍵設備蒸發器實施國外海上運輸，由于該設備重量355 噸，尺寸21.7 米長，5.2 米寬，5.5 米高，且內部填裝有用于熱交換用的4 640 根inconel 690（鎳基合金） U 型管，為防止變形，要求三維運輸加速度都不超過0.9g。蒸汽發生器是核島關鍵設備之一，任何損傷回修都對整個核電工期影響巨大，因此，需要對運輸過程中加速度進行嚴格的控制。船舶在海上受波浪作用在三維方向產生搖蕩，造成貨物產生3 個方向的加速度。建立三維坐標系如圖2 所示。

式中：a0y,a0x,a0z為貨物在不同位置時的橫向、縱向和垂向基本加速度（見表1）；k1為船長及航速修正系數；k2為船寬與初穩性高度比修正系數。

對于蒸汽發生器運輸：船長97m，航速14 節，經查k1修正系數或根據計算公式（5） 得k1=0.99；

B/GM=14.9，大于13，所以k2=1；當貨物裝載在船的底艙0.6L 的位置，可依據表1 查得各向基本加速度值，則可求得貨物的三維加速度值。

橫向加速度：

縱向加速度：

垂向加速度：

表1 基本加速度值

4.2 結果數據分析

最終數據顯示，蒸發器一次側X 軸方向的最大加速度為0.2g，Y 軸方向的最大加速度為0.2g，Z 軸方向的最大加速度為0.2g；蒸發器二次側X 軸方向的最大加速度為0.1g，Y 軸方向的最大加速度為0.5g，Z 軸方向的最大加速度為0.3g；符合運輸過程中蒸發器對于三維加速度不超過0.9g 的要求。

5 結 論

本文主要是對壓電式加速度計的基本原理及其在核電設備運輸過程中的應用進行了簡單的分析，隨著科學的發展，加速度計也必將朝著體積更加微小，測量更加準確的方向發展下去，相信在核電設備運輸過程中加速度計的應用將更加廣泛。

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