基于絕對位移的核反應堆壓力容器振動探測技術研究

楊泰波，羅 能，李 蕓，龐天楓

（中國核動力研究設計院，成都 610041）

0 引言

發展核電是人類解決能源危機的必然途徑之一，要想實現核電的長期可靠發展，就必須保證核電站的安全穩定運行。尤其是在2011年日本福島核電站泄漏事故之后，各國政府均紛紛開始檢查在運行核電站的安全狀況，審慎對待新核電站的興建，并加大對核反應堆安全保障系統以及新型核反應堆設計的投入。反應堆壓力容器（簡稱RPV）是核電站反應堆及一回路的重要設備。壓力容器是放置反應堆堆芯并承受巨大運行壓力的密閉容器，它提供一個高度完整性的壓力邊界用以包容反應堆冷卻劑、堆芯及裂變產物。RPV 是反應堆冷卻劑的主要壓力邊界，也是防止放射性裂變產物逸出的第二道屏障，其振動狀態關系堆芯安全。

壓力容器主要是強迫振動，一般由堆內構件的振動通過堆芯吊籃和壓力容器間的水層、以及通過堆內構件和壓力容器間的壓緊裝置引起，此外，主泵振動或主系統流質振動也會引起壓力容器的強迫振動。因此，對壓力容器的振動監測不僅能了解壓力容器的狀態，還可有效獲取主回系統其余設備的振動信息［1］。

法國為臺山核電［2-10］設計建造的EPR 三代核電站的振動噪聲監測系統（KIV）增加了壓力容器振動狀態監測。德國于20世紀80年代就將COMOS（condition monitoring system）應用于GKN 壓水堆和KKG 壓水堆，該系統在壓力容器頂蓋上設置了4個位移傳感器對其進行振動在線監測，從而盡早發現主設備的異常振動狀況。俄羅斯DIAPROM 聯合股份公司研發的反應堆及一回路振動噪聲診斷系統（VNDS）在俄羅斯加里林核電站和中國田灣核電站1至4號機組得到了應用［2-4］。對反應堆及一回路主要設備（主循環回路、蒸汽發生器、主泵、堆內構件、管道）進行振動監測，從而使用反應堆裝置設備的異常振動狀態的檢測結果進行綜合診斷，以盡早發現設備由于固定狀況、設備嚴密性能改變或在冷卻劑側液壓動態負荷的增加引起的異常振動狀況［2］。

目前，我國國產核電站的壓力容器振動監測和分析均是利用核電廠松脫部件監測系統的信號［5-6，12］，分 別來自壓力容器頂部的1個加速度信號和底部的3個加速度信號，這些加速度計用于探測高頻（1kHz以上）的松脫部件撞擊信號，而壓力容器的振動主要為低頻［3］，且加速度傳感器的安裝位置不是分析壓力容器振動的最佳探測點，這些加速度信號難以有效地分析出壓力容器的振動。因此，需開展適用于核反應堆壓力容器振動的在線探測技術和分析技術研究，利用核電站的現場數據對振動分析方法進行驗證，由此掌握壓力容器振動探測和分析的核心技術，具備工程應用和相關電站的數據分析能力，早期發現壓力容器的故障及其故障原因，保障核電站的安全可靠運行［13-15］。

1 壓力容器振動探測技術

1.1 探測技術研究

反應堆壓力容器（簡稱RPV）是核電站反應堆冷卻劑系統即一回路系統的重要設備。壓力容器是放置反應堆堆芯并承受巨大運行壓力的密閉容器，它提供一個高度完整性的壓力邊界用以包容反應堆冷卻劑、堆芯及裂變產物。RPV 是反應堆冷卻劑的主要壓力邊界，也是防止放射性裂變產物逸出的第二道屏障［16-19］。

壓力容器的強迫振動主要由堆內構件的振動通過堆芯吊籃和壓力容器間的水層、以及通過堆內構件和壓力容器間的壓緊裝置引起，此外，主泵振動或主系統流質振動也會引起壓力容器的強迫振動。因此，對壓力容器的振動監測可有效獲取主回系統設備的振動信息。依據IEC61502標準，測量壓力容器振動的傳感器動態位移范圍為±0.8mm，關注的振動頻率為2～100Hz。

為獲得壓力容器垂直振動、圓周運動和擺動等振動信息，傳感器呈90°間隔分布在壓力容器上部［7-8］。目前測量壓力容器振動可采用兩種方案，一是使用絕對位移傳感器直接安裝在壓力容器頂蓋上，為適應核島環境，絕對位移傳感器應具備耐高溫耐輻照性能；一種是使用加速度傳感器安裝在壓力容器蓋頂上的立柱柱體側。

Sa為壓力容器動態振動位移（mm），h為傳感器靈敏度（mV／mm），A1為調理放大器倍數，V1為動態振動位移輸出電壓（V）。

圖1 壓力容器振動噪聲探測原理

1.2 探測系統開發

基于上述的探測原理，對核反應堆壓力容器振動監測系統進行了開發，其主要功能包括：1）絕對位移信號實時處理與數字化；2）振動數據收集、存儲與管理；3）振動數據時頻分析和特征量計算；4）壓力容器狀態與特征值趨勢預測分析；5）數據處理和分析的結果進行可視化展現。

進一步開展監測系統的軟硬件開發，系統總體包括4個絕對位移傳感器（圖2）及相應電纜、信號處理機柜（含信號調理設備、振動分析設備、電源、顯示器等）和振動監測軟件，其主要性能指標如表1所示。

表1 系統主要性能指標

圖2 絕對位移傳感器

1.2.1 信號處理機柜

監測系統采用了一個19寸標準機柜，機柜外形尺寸為600mm（寬）×2 100mm（高）×800mm（深），其中高度尺寸已包括底座與吊耳。

機柜設前后門和側板，前后門密封采用密封膠條，發泡劑密封，側板采用螺釘安裝方式。機柜頂部四個角上4個安裝吊耳。機柜后門上部開出風孔，安裝2個風扇。機柜底座上開6個φ13地腳連接孔，用于現場安裝固定。機柜后部側面設置接地銅排，從機柜頂板進入的接地銅纜連接到銅排上。機柜保護地與銅排連接。機柜后門設置風扇，用做機柜內部與外界熱交換。

1.2.2 信號調理設備

信號調理設備實現對輸入信號進行隔離、濾波、程控放大后輸出至振動噪聲分析設備，切換自檢信號和輸入信號，實現系統的自檢，實現對通道的異常檢測，如通道欠壓、過載、斷路。

調理設備外觀為一個4U 高度的19吋上架機箱，機箱前面板安裝信號調理板卡和通信控制板卡，共13個槽位。機箱前面板左下角的圓形按鈕式機箱的電源控制開關，自帶LED 指示燈，如圖3所示，機箱后面板主要有信號輸入接口、輸出接口、RS232 通信接口、AC220 V 電源接口。機箱配備有通信控制板卡、絕對位移信號調理板卡，其中絕對位移信號板卡對應相同的傳感器通道，主要針對不同機組在監測壓力容器時使用不同傳感器的情況。

圖3 信號調理設備

機箱配備有通信控制板卡和絕對位移信號調理板卡，通信控制板卡是上位機與機箱通信的橋梁，上位機可通過通信控制板卡配置每張調理板卡上的放大倍數、耦合方式、傳感器供電控制等信息，通信接口為RS232。其他板卡的技術指標如表2所示。

表2 加速度信號調理模塊技術參數表

表3 絕對位移信號調理板卡

1.2.3 振動分析設備

振動分析設備為NI-1044總線機箱，機箱內的模塊都按3U 標準PXI總線模塊進行設計，用于對中子噪聲信號定期采集和分析，對絕對位移、相對位移和壓力脈動信號進行連續采集、分析處理、數據存儲、數據與波形顯示、數據管理和離線分析。機箱及機箱內的模塊組成見表4。

表4 振動噪聲分析設備清單

1.2.4 監測軟件

振動監測軟件是本系統的關鍵，采用LabVIEW2018進行開發，程序架構采用模塊化設計，具有良好的擴展性，便于后續二次開發［20］。數據庫采用SQL server 2012對數據進行存儲及管理。

軟件功能包括：1）主界面展示反應堆一回路主設備及傳感器位置、系統狀態參數以及異常事件信息；2）監測通道時域波形實時顯示；3）對選擇的監測通道噪聲進行實時顯示，每次采集最大時間間隔為10s；4）監測通道時域波形數據存儲：分為觸發異常時進行數據存儲和定期對數據以文件的格式進行存儲；5）監測通道數據特征計算：計算采集和歸一化后各通道特，并存儲到特征數據庫，支持數據庫增改刪查功能，支持數據庫加密導出功能；6）監測通道超閾值觸發：對于觸發超閾值事件進行記錄、展示；7）異常事件處理：對異常事件發生事件所處的波形進行回顯，顯示所處事件的時域波形和自功率譜密度波形；監測通道歷史數據特征的趨勢展示：提供監測通道數據單個特征和多個特征的趨勢展示功能，同時展示特征的上下限制；8）監測通道之間互信息計算：對于同一時刻數據通道之間計算互功率譜密度、相干函數以及相位，并顯示不同通道之間自功率譜密度、互功率譜密度、相干函數譜和相位譜對比，提供多圖譜游標關聯功能和多通道對比顯示功能；9）硬件參數設置：相關硬件參數設置；10）算法參數設置：配置算法所需參數；11）監測通道的I／O 輸出：按指定通過I／O 板卡接收及發送信息與信號調理機箱、傳感器采集設備建立通信；12）監測通道的校準功能：對于絕對位移傳感器提供檢定功能與相關硬件建立通信，讀取設備故障信息，通道I／O 板卡以指定指令的方式通過報警處理設備；13）報告自動生成：軟件能自動生成初步報告和熱位移報告。

以下對軟件的重點模塊進行詳細描述：

1）主界面監測模塊：通過登錄模塊輸入正確的用戶名及密碼后，系統進入軟件主回路界面如圖4所示。主界面菜單位于頂部，包括：用戶管理，機組參數，硬件參數，系統參數，監測開始，監測停止，數據存儲，校準，波形查看，數據分析，數據查詢和系統退出的功能按鈕。

圖4 振動監測主界面

2）硬件參數模塊：從主界面中點擊 “硬件參數”菜單按鈕進入到硬件參數配置模塊。硬件配置模塊根據硬件采集板卡分頁顯示，1塊PXI 6123板卡支持40路信號采集，可通過工位號靈活配置和匹配物理采集通道。PXI 6220作為原始加速度信號采集通道。

系統初始化時，讀取硬件配置系統文件數據，在配置表格中默認顯示。用戶可通過雙擊配置表格參數單元格對配置參數進行修改。修改完成后，點擊 “參數配置”按鈕，可將配置修改后的參數重新寫入配置文件進行保存，與信號調理相關參數 “放大倍數” “信號AC／DC 耦合方式”以及“傳感器24 V 電源使能”或 “IEPE 激勵使能”通過RS232通信協議下發。

拖動配置表水平滾動條，可進行更多參數的查看和配置。

3）實時監測運行模式：配置硬件參數及系統參數后，在主界面中點擊 “開始監測”菜單按鈕系統進入實時監測模式。在系統運行模式下，“監測停止”“數據存儲”“波形查看”“校準”菜單被激活使能。點擊 “數據存儲”，系統將按照系統配置中設置的存儲數據長度進行數據保存，主回路界面手動存儲，指示燈點亮。點擊 “校準”菜單按鈕，系統進入校準界面。通過 “波形查看”菜單可以查看實時采集信號波形，右擊波形圖，可通過菜單進行信號選擇配置。通過“停止監測”菜單將運行模式切換到離線分析模式。

4）數據分析模塊：在離線分析狀態下從主界面中點擊“數據分析”菜單按鈕進入到數據分析模塊，如圖5所示。數據分析包括信號時域分析，頻域分析（自功率分析和互功率分析）和特征量趨勢分析。手動輸入特征量后，點擊“特征量保存”按鈕可將特征量保存至數據庫。在特征量瀏覽中可選擇查看特定時間段保存的特征量，并可進行異常數據刪除處理。

圖5 數據分析界面

數據分析包括信號時域分析，頻域分析（自功率譜分析和互功率譜分析），特征量趨勢圖分析等。在互功率譜分析中，需要進行信號配對分析，根據傳感器測量點布置情況，設計信號配置模塊，如圖6所示，既可選擇系統默認設定的配對組合，也可通過手動配置模式自由配對。在互功率分析圖表中，幅度頻譜，相位頻譜，相干因數游標X值進行關聯移動，方便找出特征頻率，并在動態信息表格中顯示。手動輸入特征量后，點擊 “特征量保存”按鈕可將選取特征量保存至數據庫。在特征量瀏覽中可選擇查看特定時間段保存的特征量，并可進行異常數據刪除處理。在特征量趨勢圖頁中，可設置選擇開始時間和結束時間，系統從數據庫更新該時間范圍內存儲的特征量進行顯示，同時可通過選擇特征量類型，顯示指定類型的特征量，如圖6所示。軟件有完備的報告生成功能，在完成數據分析后，可根據需求選擇日常定期報告，手動分析單次報告和周期趨勢報告等多類報告。

圖6 測試現場圖

1.3 探測系統驗證

探測系統的測量性能［17］在DC-20000-250數字式電動振動臺上進行，試驗系統主要由DC-20000-250電動振動臺、SC-1515水平滑臺、1 200 mm×1 200 mm 垂直附加臺面、K2數字式振動控制儀以及OFV-5000-S激光測振儀組成，臺面配備有M16×35螺栓，電動振動臺產生正弦標準振動，激光振動儀的測量信號作為校準信號。

電磁振動臺試驗主要參數如下：

振動頻率范圍：3～2 500 Hz；額定推力：120kN；額定沖擊力：240kN；額定加速度：980 m／s2；額定速度：2m／s；額定位移（峰-峰值）：51 mm；最大負載：2 000 kg；臺面尺寸：1 500×1 500（mm2）；臺面（運動部件）一階共振頻率：＞600Hz。

在電磁振動臺上安裝好絕對位移傳感器，如圖5所示。連接好前端傳感器與后端機柜。以安裝在振動臺上一同進行測量的OFV-5000-S 激光測振儀的信號作為對比參考信號。

1）數據庫管理功能測試：依次進入日常數據庫查詢界面，檢查軟件是否可以按照設定的條件進行數據查詢；進入異常數據庫查詢界面，檢查軟件是否可以按照設定的條件進行數據查詢；進入數據趨勢分析界面，檢查界面是否生成符合設定條件的特征量趨勢圖。經測試，系統的數據庫管理功能符合測試要求。

2）軟件監測功能測試：運行軟件讀取電站監測數據，依次進入監視主界面、波形顯示界面和波形分析界面，檢查監測結果顯示、超閾值報警、時頻計算分析、異常數據存取和報告顯示功能等。經測試，系統的軟件監測功能符合測試要求。

3）系統幅度響應性能測試：OFV-5000-S激光振動儀所測信號，由上往下依次為所測加速度，信號幅度與頻率；圖7系統監測與計算所得結果，由上往下依次為原始信號與頻譜，絕對位移信號的波形與頻譜。

圖7 測試結果（振幅0.5mm，頻率20Hz）

具體測試數據詳見表5，通過測試，絕對位移探測系統性能合格，幅度放大線性誤差≤10%，頻率保持一致，滿足設計要求。

表5 絕對位移探測系統測試記錄

2 壓力容器振動分析技術

2.1 振動幅度分析

計算分析反應堆壓力容器振動位移幅度，對比壓力容器運行振動正常值和運行限值，可判斷當前主設備振動狀態。對振動幅度進行長期變化趨勢分析，可獲取壓力容器的老化及支撐劣化信息。

式中，Sr為壓力容器振動位移（mm），m為絕對位移傳感器靈敏度（mV／mm），A1為調理放大器倍數，V1為絕對位移輸出電壓（V）。

振動監測系統實時同步采集振動位移信號V（t），計算得到振動位移電壓信號的最大值（一個采用周期），并轉換成物理量，與設置的振動閾值進行比較，判斷一回路主系統設備是否振動超限，若在設定時間內振動信號超閾值達到一定次數，則發出超值警告或超值報警。利用數據庫定期儲存振動位移幅值和壓力脈動值，對振動位移幅值進行長期變化趨勢分析，可獲取系統設備的老化及支撐劣化信息。

通過對時域信號進行傅里葉變化可得到振動信號的頻域信息［15］，再通過運用頻域信號計算自、互功率譜、相干和相位，獲得相關振動模態特征量。

振動噪聲信號為V1（t）和V2（t），V1（t）和V2（t）的傅里葉變換為V1（f）和V2（f）。

V1（t）自譜為：

V1（t）功率譜密度（PSD）為：

式中，Δf為通道的基本帶寬，或是（分析頻率）／（點數）。

V1（t）和V2（t）之間的互譜為：

V1（t）和V2（t）互功率譜密度（CPSD）為：

V1（t）和V2（t）的相干函數Γ2為：

2.2 振動模態分析

對核反應堆壓力容器的振動模態分析包括固有振動頻率和振型分析，主要目的是：

1）跟蹤壓力容器固有頻率變化趨勢（趨勢分析），結合專家知識，確定壽期內振動狀態的變化，早期發現壓力容器的故障及其故障原因［19］。

2）尋找新型振動特征（新出現的振動特征譜），如邊帶（在已知特征譜周圍出現）、諧波出現或加強［18］。新譜線可能預示壓力容器故障。

3）結構老化現象。壓力容器的振動幅度可能變化不大，但振動特征（如特征頻率漂移、噪聲源的特征譜相互疊混等）時有發生變化，這些變化預示著壓力容器結構的老化程度［13］。

4個絕對位移傳感器安裝在反應堆裝置同相關的信號。實踐表明，4個絕對位移傳感器信號的自功率譜相互之間很接近，而主要差別在于相互特性，其中主要的是相干和相位差［11，14］。而且，在該頻率上相干值愈高，相位差的評價就愈可信。反應堆壓力容器固有振動可根據對絕對位移傳感器信號相位進行評價。通過對絕對位移傳感器信號進行相干和相位分析，可有效獲得壓力容器的固有振動［16］，本文關注壓力容器的垂直振動、圓周振動和梁式振動，如圖8所示。

圖8 反應堆壓力容器振動相位關系

1）所有絕對位移傳感器信號零相——壓力容器垂直振動；

2）相鄰絕對位移傳感器信號的所有相位90°——圓周振動；

3）相鄰絕對位移傳感器信的相位0°和180°——梁式振動。

3 核電站數據分析

利用某核電2號機組一個燃料周期的壓力容器互成90°的兩個絕對位移數據，結合本文提出的分析方法對數據進行分析，對反應堆壓力容器狀態進行判斷，以保證核電安全穩定運行。

3.1 壓力容器振動幅度分析

定期采集數據并分析壓力容器的振幅，如圖9 所示，在燃料周期內，壓力容器的最大振幅0.32μm，最小振幅0.24μm，振幅約0.27μm。由此說明，壓力容器在該燃料周期內振幅正常，振動平穩，未出現異常情況。

圖9 燃料周期內壓力容器振動幅度變化趨勢

3.2 壓力容器振動模態分析

對壓力容器振動信號進行分析，獲取壓力容器的固有振動頻率。圖10是壓力容器相鄰絕對位移傳感器信號的互功率譜和相干函數。在10.27Hz處，絕對位移傳感器信號具有高度的相干性，且所有相位差都接近于0°，說明壓力容器在的垂直振動固有頻率為10.27Hz。在21.95Hz處，絕對位移傳感器信號具有高度的相干性，且所有相位差都接近于180°，說明壓力容器在的梁式振動固有頻率為21.95Hz。

圖10 相鄰絕對位移傳感器信號相關性

4 結束語

研究了核反應堆壓力容器振動探測及分析技術，結論有：

1）獲得了基于絕對位移傳感器對壓力容器進行在線探測的方法，開發了并驗證了探測系統，研究了壓力容器振動幅度和模態分析方法。

2）運用該方法處理來自國內某核電2號機組一個燃料周期的實測數據，得到壓力容器的振動幅度及趨勢、振動固有頻率和振型，結果表明壓力容器振動狀態正常。

利用研究成果，對壓力容器振幅和模態進行分析，獲得其振動特性，可通過對振幅和固有振動頻率的長期跟蹤，判斷壓力容器的振動狀態，及早發現潛在的異常，以保障反應堆安全可靠運行。