上充泵在線振動探頭示值偏高及波動異常分析

呂明明，張?jiān)薀?/p>

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

0 上充泵在線振動探頭功能簡介

某核電站1，2號機(jī)各裝備有3臺上充泵。每臺上充泵均安裝有4個在線振動探頭，分別安裝在泵驅(qū)動端水平、垂直方向以及非驅(qū)動端水平、垂直方向。

在線振動探頭型號為SPM SLD 723C，量程0—25 mm/s，頻率測量范圍 2—1 000 Hz。在線振動探頭負(fù)責(zé)上充泵運(yùn)行時的振動監(jiān)測，當(dāng)任何一個振動探頭示值達(dá)到4.5 mm/s時，發(fā)出振動高報警；當(dāng)任何一個振動探頭示值達(dá)到11 mm/s時，發(fā)出振動高高報警(建議停泵)。

1 異常描述

2012年1月，該核電站1號機(jī)組冷試期間，2號上充泵在線振動探頭出現(xiàn)振動高報警；與技術(shù)部使用的離線測振儀相比，示值明顯偏高，具體數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 1號機(jī)冷試期間上充泵現(xiàn)場測振數(shù)據(jù)記錄

運(yùn)行部操作員停運(yùn)2號泵后，在后續(xù)再啟動該泵時，該現(xiàn)象仍然時有出現(xiàn)。查看泵其他參數(shù)，如電流、軸承溫度、流量、出入口壓力等，并未發(fā)現(xiàn)明顯的相關(guān)性。由于受條件限制，儀控部工程師只能采用更換備件的方法試圖消除故障，但是效果并不理想，上充泵在線振動探頭偶發(fā)振動偏高及波動異常現(xiàn)象并未得到改善。此后，1號機(jī)組3臺上充泵均不時出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

2014年1月，2號機(jī)組2號上充泵驅(qū)動端水平方向在線振動探頭2RCV233MV出現(xiàn)振動高報警及波動的現(xiàn)象。此后，2號機(jī)組3臺上充泵也不時出現(xiàn)類似現(xiàn)象。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已經(jīng)產(chǎn)生了33張相關(guān)通知單。

2 異常產(chǎn)生的后果

在線振動探頭在上充泵運(yùn)行期間進(jìn)行振動監(jiān)測，當(dāng)示值達(dá)到高報警值時，為使上充泵免受可能的破壞，運(yùn)行人員一般會停運(yùn)上充泵。這將破壞上充泵周期性切泵計劃，甚至影響上充泵的可用性。

3 對異常的分析思路

對本異常的分析思路如下：

(1) 了解該核電站1，2號機(jī)組上充泵在線振動探頭偶發(fā)振動偏高及波動異常的詳細(xì)情況；

(2) 搜集資料，包括相關(guān)圖紙、說明書、報告以及經(jīng)驗(yàn)反饋；

(3) 列舉所有可能導(dǎo)致該異常的原因；

(4) 對所有可能原因進(jìn)行逐個分析，必要時進(jìn)行試驗(yàn)及校驗(yàn)，尋找支持證據(jù)和反對證據(jù)；

(5) 根據(jù)分析結(jié)果，確定根本原因；

(6) 根據(jù)根本原因及相關(guān)資料，制定相應(yīng)的糾正措施。

4 異常的原因分析

4.1 在線振動探頭故障

由于缺少在線探頭詳細(xì)結(jié)構(gòu)及原理說明書，分析小組對在線振動探頭進(jìn)行解體檢查。發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)只有1塊電路板，電路板上布置ADXL321測振模塊。查詢ADXL321測振模塊說明書，得知其為加速度測量模塊，而在線振動探頭輸出為振動速度值，因此判斷電路板上其他部分主要為硬件濾波電路及積分電路。在線振動探頭內(nèi)部沒有相對運(yùn)動的部件，出現(xiàn)部件松動進(jìn)而導(dǎo)致在線振動探頭故障的可能性并不大。

為確定在線振動探頭是否存在上述故障，將其送往福州計量院、東南大學(xué)振動工程研究中心進(jìn)行了校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果均合格，因此可以排除此原因。

4.2 高頻振動干擾

現(xiàn)場使用技術(shù)部離線測振儀ALLENBRADLEY Enpac 2500對上充泵進(jìn)行測振并繪制典型頻譜，得知在 1 092 Hz，1 950 Hz 及 2 731 Hz等頻率下存在較大振動幅值(在線振動探頭SPM SLD723C量程上限1 000 Hz)，主要激振原因?yàn)辇X輪箱齒輪通過頻率。基于上述頻譜特征，產(chǎn)生了推測：高頻振動對在線振動探頭產(chǎn)生了某種作用(例如共振)，造成示值發(fā)生畸變。

為驗(yàn)證推測的正確性，將在線振動探頭送往上海計量院進(jìn)行了高頻段測試。測試結(jié)果表明：在高頻條件下，探頭示值明顯衰減，輸出基本為0，與在線振動探頭的量程上限相符。這說明了推測并不符合實(shí)際。

4.3 低頻振動影響

離線測振儀的頻率測量范圍最低可調(diào)節(jié)至5 Hz，與在線振動探頭的頻率測量范圍相比(2—1 000 Hz)，存在一段探測不到的盲區(qū)。倘若在這段盲區(qū)內(nèi)出現(xiàn)較大的振動分量，則完全有可能造成在線振動探頭出現(xiàn)示值偏高的現(xiàn)象。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動頻譜的譜線主要分布在基頻(額定頻率)以及倍頻(即基頻的整數(shù)倍)，泵的旋轉(zhuǎn)很難激發(fā)10 Hz以下的振動；此外，對于轉(zhuǎn)速為600—12 000 r/min 的泵，國標(biāo)要求只需要監(jiān)測10—1 000 Hz的振動。上充泵屬于中高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，額定頻率為77.6 Hz。在不能完全排除低頻振動的情況下，分析小組選擇繼續(xù)追查。福州計量院將離線測振儀的測量下限設(shè)置為最低值，測試結(jié)果顯示：從7 Hz往下，離線測振儀出現(xiàn)示值衰減，且隨著頻率降低，衰減愈發(fā)顯著；但在線振動探頭示值基本準(zhǔn)確。低頻測試最低只能測量到5 Hz，但從曲線變化趨勢中可以看出，8 Hz是離線測振儀的實(shí)際測量頻率下限，即離線測振儀的頻率測量范圍為 8—5 000 Hz。

由于現(xiàn)場在線振動探頭出現(xiàn)示值偏高且波動異常是隨機(jī)的，無法人為再現(xiàn)，而且上充泵的運(yùn)行具有固定的計劃，現(xiàn)場展開調(diào)查的窗口很難把握。直到2014年底，1RCV332MV在一回路換水期間出現(xiàn)示值偏高且波動異常，多次更換備件仍無改善，甚至更換成3，4號機(jī)組在線振動探頭VMD185-20-AT-CA(頻率測量范圍為 2—1 000 Hz)，該現(xiàn)象依然不變。一回路換水時間可人為控制，且周期有1—2天，這給現(xiàn)場測振提供了契機(jī)。

此外，在更換1RCV332MV的過程中，儀控人員發(fā)現(xiàn)，觸碰在線振動探頭安裝位置附近的機(jī)殼時，能感覺振動位移較大、頻率較低。

2014年底，儀控部聯(lián)合技術(shù)部人員在1號機(jī)組換水期間對3號上充泵進(jìn)行了2次現(xiàn)場測振。技術(shù)部人員使用離線測振儀器ALLEN-BRADLEY Enpac 2500(測量下限為8 Hz)。為了與在線振動探頭SPM SLD723C比對，儀控部人員攜帶了1支SPM SLD733C(測量下限為10 Hz)，在現(xiàn)場使用備用孔安裝。測振結(jié)果如表2所示。

表2 一回路換水期間測振結(jié)果

從表2可以看出，與Enpac2500及SLD733C 相比，在線振動探頭1RCV332MV在換水期間出現(xiàn)了明顯的示值偏高及波動異常。

由于測量低頻振動頻譜對儀表要求較高，經(jīng)過多方聯(lián)系，2015年3月，儀控部邀請東南大學(xué)振動工程研究中心及江蘇省電科院的專家到場進(jìn)行測試。測振結(jié)果顯示：1號機(jī)組3號上充泵存在較大的隨機(jī)低頻振動，振動頻率集中在0—7 Hz之間(1RCV003PO非驅(qū)動端水平方向的頻譜如圖1—3所示)。從頻譜的變化可以看出，一回路換水前與換水后的低頻頻譜相差不大，但一回路換水期間低頻頻譜在2—7 Hz范圍內(nèi)的振動分量明顯增大，這與換水期間1RCV332MV出現(xiàn)升高的趨勢是完全一致的。

圖1 一回路換水前0.1—20 Hz頻譜

圖2 一回路換水期間0.1—20 Hz頻譜

圖3 一回路換水后0.1—20 Hz頻譜

根據(jù)測試結(jié)果，可以確定導(dǎo)致該核電站1號機(jī)組3號上充泵非驅(qū)動端垂直方向在線振動探頭在一回路換水期間出現(xiàn)示值偏高及波動異常的根本原因?yàn)椋?號機(jī)3號上充泵非驅(qū)動端垂直方向存在頻率為0—7 Hz的隨機(jī)低頻振動，其中處于在線振動探頭頻率測量范圍(2—1 000 Hz)內(nèi)的低頻振動分量較小；在一回路換水期間，頻率為2—7 Hz的隨機(jī)低頻振動分量顯著增大，在線振動探頭監(jiān)測到了這個變化，從而出現(xiàn)示值偏高及波動異常。

由于其他上充泵很少出現(xiàn)在線振動探頭示值偏高及波動異常，且這種異常完全隨機(jī)，因此無法再現(xiàn)故障以進(jìn)行調(diào)查分析。將其他可能原因排除后，結(jié)合3號泵的調(diào)查結(jié)論，可以推斷導(dǎo)致該核電站1，2號機(jī)組上充泵在線振動探頭示值偏高及波動異常的根本原因?yàn)椋荷铣浔么嬖陬l率為0—7 Hz的隨機(jī)低頻振動，處于在線振動探頭頻率測量范圍(2—1 000 Hz)內(nèi)的低頻振動分量較小；當(dāng)運(yùn)行工況出現(xiàn)某種變化時，頻率為2—7 Hz的隨機(jī)低頻振動分量顯著增大，被在線振動探頭監(jiān)測到，從而出現(xiàn)示值偏高及波動異常現(xiàn)象。

此外，還需要研究2014年底1RCV332MV 在一回路換水期間出現(xiàn)示值偏高及波動異常，以及與此同時1，2號泵在線振動探頭故障的頻度明顯降低的原因。推測這與N101大修期間上充泵進(jìn)行3臺泵解體全檢有關(guān)(1，2號泵更換了泵軸，但3號泵未更換)。

4.4 環(huán)境溫度影響

在一回路換水期間，上充泵運(yùn)行工況最大的變化為泵吸入口介質(zhì)溫度約下降10 ℃，因此可以推測環(huán)境溫度變化有可能對在線振動探頭產(chǎn)生不良影響。但這種可能性微乎其微，究其原因主要有以下3點(diǎn)：

(1) 10 ℃的溫度變化對在線振動探頭影響并不顯著，且在線振動探頭額定工作溫度為-40—85 ℃；

(2) 介質(zhì)溫度降低產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)，其作用至在線振動探頭時已大大減弱，對在線振動探頭的表面溫度影響必定在10 ℃以下；

(3) 上充泵房間溫度在換水期間無明顯變化。

該核電站委托某核電計量中心對在線振動探頭進(jìn)行了溫度穩(wěn)定性測試。測試結(jié)果表明：介質(zhì)溫度變化對在線振動探頭的輸出影響很小，不會導(dǎo)致示值升高或波動。

4.5 安裝力矩影響

上充泵在線振動探頭對最小安裝力矩并無明確要求，只限制最大安裝力矩限值為10 N·m，因此現(xiàn)場安裝時并未使用力矩扳手，導(dǎo)致安裝力矩?zé)o法統(tǒng)一。為驗(yàn)證安裝力矩對在線振動探頭輸出是否存在影響，該核電站委托某核電計量中心對在線振動探頭進(jìn)行了不同安裝力矩下的響應(yīng)測試。測試結(jié)果表明：在安裝牢固無松動的前提下，安裝力矩對在線振動探頭的輸出影響很小。

4.6 電磁干擾影響

上充泵電機(jī)及其他電氣設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的電磁場可能對在線振動探頭產(chǎn)生干擾，但可能性很小，原因如下:

(1) 在一回路換水期間上充泵電機(jī)運(yùn)行工況(主要是電流)并無明顯變化，現(xiàn)場電磁環(huán)境比較穩(wěn)定；

(2) 距離干擾源上充泵電機(jī)較近的驅(qū)動端在線振動探頭與距離其較遠(yuǎn)的非驅(qū)動端在線振動探頭出現(xiàn)示值偏高及波動異常的頻度并無較大區(qū)別，而且在一回路換水期間出現(xiàn)示值偏高及波動異常的1RCV332MV位于3號上充泵非驅(qū)動端；

(3) 在線振動探頭電纜屏蔽層在現(xiàn)場CR箱內(nèi)接地，CR箱至機(jī)柜電纜屏蔽層在機(jī)柜內(nèi)接地，符合電力安裝規(guī)范。

4.7 輻照影響

輻照(主要指γ射線)對在線振動探頭可能產(chǎn)生的影響分2種：第1種是輻照可能對在線振動探頭造成干擾效應(yīng)；第2種是長期輻照可能對在線振動探頭產(chǎn)生永久性的損壞。

首先，由于1RCV332MV波動與一回路換水存在極大的相關(guān)性，而一回路換水期間上充泵房間輻照條件并不會發(fā)生明顯變化。從統(tǒng)計意義上來說，如此強(qiáng)烈的相關(guān)性基本可以排除輻照干擾導(dǎo)致在線探頭示值偏高或波動異常的可能性，即可排除第1種可能性。

其次，倘若長期輻照對在線振動探頭產(chǎn)生不可逆的損壞，那么在線振動探頭校驗(yàn)結(jié)果基本不可能合格，這樣可以排除第2種可能性。

最后，上充泵房間輻照約為3 μSv/h，相對而言非常微弱。

綜上分析，基本可以排除輻照造成以上異常的可能性。

5 內(nèi)外部經(jīng)驗(yàn)反饋

該核電站3，4號機(jī)裝備的上充泵已國產(chǎn)化，但芯包仍由德國凱斯比公司提供。其在線振動探頭雖然型號發(fā)生變化，但頻率測量范圍為2—1 000 Hz，也有可能出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

據(jù)反饋，使用相同上充泵及在線振動探頭的核電站也存在類似現(xiàn)象。

6 結(jié)論及糾正行動

6.1 根本原因

導(dǎo)致該核電站1，2號機(jī)組上充泵在線振動探頭示值偏高及波動異常的根本原因?yàn)椋荷铣浔么嬖陬l率為0—7 Hz的隨機(jī)低頻振動，處于在線振動探頭頻率測量范圍(2—1 000 Hz)內(nèi)的低頻振動分量較小；當(dāng)運(yùn)行工況出現(xiàn)某種變化時，頻率為2—7 Hz的隨機(jī)低頻振動分量顯著增大，導(dǎo)致在線振動探頭監(jiān)測到變化，從而出現(xiàn)示值偏高及波動異常。

6.2 應(yīng)關(guān)注的問題

上充泵在10 Hz以下低頻振動的激振原因及低頻振動對上充泵是否存在潛在危害，這些都需要相關(guān)專業(yè)做進(jìn)一步分析。

6.3 糾正行動

根據(jù)泵廠家的分析報告及GB/T 29531—2013《泵的振動測量與評價方法》要求，建議將在線探頭換型為頻率測量范圍為10—1 000 Hz的探頭。

1 孫玉聲．振動傳感器[M]．西安:西安交通大學(xué)出版社， 1991.

2 于瑞芬．傳感器原理[M]．北京:航空工業(yè)出版社，1995.

3 夏德玲．反饋控制論[M]．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版 社，1984.

4 張 欣．振動校準(zhǔn)測控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]．杭州：浙 江大學(xué)，2001.

5 賈伯年，俞 樸．傳感器技術(shù)[M]．南京:東南大學(xué)出版 社，1992.

6 魏燕定．超低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．杭州： 浙江大學(xué)，1998.

7 陸忠兵．超低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺校準(zhǔn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí) 現(xiàn)方法[D]．杭州：浙江大學(xué)，2003.

8 董林璽．振動校準(zhǔn)裝置測控系統(tǒng)的研究[D]．杭州：浙江 大學(xué)，2001.

9 胡一輝．低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺運(yùn)動波形的控制技術(shù)研究[D]． 杭州：浙江大學(xué)，2001.

10 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T 29531—2013泵的振動測量與評價方法[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.