核電管道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障診斷方法研究

李青華，楊 濤

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

管道是核電站的重要設(shè)備，其良好的振動(dòng)狀態(tài)是核電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提，若運(yùn)行期間出現(xiàn)管道振動(dòng)異常，會(huì)對(duì)機(jī)組設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)重大隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到核電站的安全。管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，如管徑、管道布置、節(jié)流孔板、膨脹節(jié)、管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)、支吊架等，均會(huì)影響管道的振動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于首次運(yùn)行的管道，經(jīng)常出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，因此非常有必要對(duì)運(yùn)行期間的管道振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行治理。

DAQ（Data Acquisition，核電管道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）是基于管道結(jié)構(gòu)特性，在管道特定位置安裝傳感器，比如管路彎頭、閥門(mén)、管徑變化處等位置，并在機(jī)組役前熱態(tài)功能性能試驗(yàn)階段采集相關(guān)振動(dòng)數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證分析管道結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)跟蹤，并可對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析處理。

DAQ 對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，常出現(xiàn)環(huán)境干擾、子站故障、線纜故障、電荷放大器故障及軟件故障等問(wèn)題，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)異常，這會(huì)影響對(duì)管道結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的正確分析。因此，本文結(jié)合某核電機(jī)組役前管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障模式分析，并對(duì)診斷方法進(jìn)行研究。

1 管道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備連接

管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)采集系統(tǒng)和采集站，監(jiān)測(cè)安裝在管道上的傳感器，完成對(duì)管道振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，其設(shè)備連接示意如圖1 所示。

圖1 管道振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備連接示意

1.2 管道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

管道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由工作站、交換機(jī)與同步設(shè)備、數(shù)據(jù)采集終端、電荷放大器和壓電式加速度傳感器組成。其中，工作站包含數(shù)據(jù)服務(wù)器、終端計(jì)算機(jī)和打印機(jī)，其主要功能是對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行操作及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；軟件部分作為一個(gè)獨(dú)立的程序運(yùn)行在服務(wù)器上，服務(wù)器作為DAQ 的數(shù)據(jù)處理中心；交換機(jī)與同步設(shè)備由千兆/百兆混合光纖交換機(jī)和主時(shí)鐘同步設(shè)備組成，其主要作用是作為數(shù)據(jù)采集的樞紐和中轉(zhuǎn)站，并實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)時(shí)鐘的同步；數(shù)據(jù)采集終端即采集子站采用NI-9232 板卡，內(nèi)置24 bit ADC，抗混疊濾波，支持交流耦合，可以消除直流偏置的影響；壓電式加速度傳感器采用Meggitt 6233c-100，采樣頻率25 kHz；電荷放大器采用Meggitt 2771C 遠(yuǎn)程電荷轉(zhuǎn)換器，是一種超低噪聲、雙線、單端設(shè)備的壓電換能器，將傳感器的高阻抗電荷輸出轉(zhuǎn)換成與傳感器電荷成比例的低阻抗。壓電式加速度傳感器輸出為電荷量，需經(jīng)過(guò)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，隨后這些電信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集子站的信號(hào)輸入端，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換以及采樣量化進(jìn)入軟件系統(tǒng)進(jìn)行顯示、分析及存儲(chǔ)。其總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 管道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

2 故障診斷流程

管道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障診斷流程如圖3 所示。

圖3 管道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障診斷流程

3 故障診斷方法研究

結(jié)合采集系統(tǒng)故障診斷流程圖，分別從軟件、數(shù)據(jù)采集終端、線纜、電荷放大器、傳感器5 個(gè)方面，對(duì)系統(tǒng)故障診斷方法進(jìn)行研究。

3.1 軟件故障診斷

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件故障常見(jiàn)模式有：軟件崩潰和軟件配置錯(cuò)誤。軟件崩潰常見(jiàn)處理方式：采集系統(tǒng)重啟，軟件優(yōu)化。軟件配置主要名目和配置內(nèi)容見(jiàn)表1，其診斷方法是根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程，核實(shí)軟件配置的正確性。

表1 采集系統(tǒng)配置診斷方法

3.2 采集子站故障診斷

采集子站常見(jiàn)故障分為板卡故障和單個(gè)通道故障。當(dāng)板卡出現(xiàn)故障時(shí)，板卡上的所有通道均無(wú)法使用，其連接的傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)異常；當(dāng)單個(gè)通道故障時(shí)，可通過(guò)信號(hào)發(fā)生器連接子站通道來(lái)驗(yàn)證。現(xiàn)場(chǎng)使用ENDEVCO 4830A 加速度模擬器驗(yàn)證子站通道，當(dāng)輸入10 g模擬加速度信號(hào)時(shí)，保持ENDEVCO 4830A 和DAQ相同的靈敏度，若DAQ 輸出RMS 值在（7.07±1）%區(qū)間，則通道無(wú)故障（圖4）；反之，則通道故障。

圖4 ENDEVCO 4830A 加速度模擬器診斷子站通道

3.3 線纜故障診斷

線纜由連接頭、電線及熱縮套管組成，用來(lái)連接傳感器、電荷放大器和子站。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、交叉作業(yè)多、試驗(yàn)期間環(huán)境溫度高，很容易造成線纜斷裂、受損、接頭接觸不良等故障。若線纜出現(xiàn)明顯損壞，則更換線纜；若線纜無(wú)明顯損壞，則用多用表檢測(cè)線纜及接頭完整性。

3.4 電荷放大器故障診斷

在保證采集子站通道正常的情況下，使用ENDEVCO 4830A加速度模擬器驗(yàn)證電荷放大器完好情況。將ENDEVCO 4830 連接電荷放大器并接入采集子站，當(dāng)輸入10 g 模擬加速度信號(hào)時(shí)，保持ENDEVCO 4830 和DAQ 相同的靈敏度，若DAQ 輸出RMS值在（7.07±1）%區(qū)間，則電荷放大器無(wú)故障（圖5）；反之，則電荷放大器故障（圖6）。

圖5 電荷放大器正常

圖6 電荷放大器故障

3.5 傳感器故障診斷

核電管道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用壓電式加速度傳感器，其常見(jiàn)故障模式有傳感器損壞、接口接觸不良、安裝不到位等。在保證采集軟件、采集子站、線纜及電荷放大器均正常的情況下，現(xiàn)場(chǎng)可采用敲擊試驗(yàn)方式來(lái)診斷傳感器是否故障，若DAQ 可采集到信號(hào)響應(yīng)，則可排除傳感器安裝不到位；若DAQ 采集到0～1 Hz 異常信號(hào)（圖7），則可能是傳感器接口接觸不良或者傳感器質(zhì)量問(wèn)題，則需更換傳感器；更換傳感器后，異常信號(hào)消失（圖8）。

圖7 異常信號(hào)

圖8 正常信號(hào)

3.6 外界信號(hào)干擾

在排除了上述設(shè)備故障后，采集系統(tǒng)還常因環(huán)境因素造成信號(hào)被干擾（圖9、圖10）。主泵采用60 Hz 的交流電源供電，其正常運(yùn)行時(shí)，傳感器因60 Hz 交流電磁場(chǎng)的干擾，出現(xiàn)干擾信號(hào)；當(dāng)主泵切斷電源后，電磁干擾信號(hào)也隨之消失。

圖9 有交流電磁信號(hào)干擾

圖10 無(wú)交流電磁信號(hào)干擾

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量和評(píng)價(jià)，可有效地防止由于管道振動(dòng)疲勞失效而導(dǎo)致的管道開(kāi)裂，進(jìn)而引起介質(zhì)泄漏事件的發(fā)生。在機(jī)組熱態(tài)功能性能試驗(yàn)階段，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、交叉作業(yè)多、環(huán)境溫度高等特點(diǎn)，容易造成采集系統(tǒng)故障，從而影響試驗(yàn)進(jìn)度。因此，當(dāng)試驗(yàn)期間發(fā)生采集信號(hào)異常，能快速、準(zhǔn)確的對(duì)采集系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷，并及時(shí)的處理故障信號(hào)，才能保證試驗(yàn)正常進(jìn)行。