上充泵在线振动探头示值偏高及波动异常分析

2018-01-26吕明明张允炜

电力安全技术 2017年12期

吕明明，张允炜

(福建宁德核电有限公司，福建宁德 355200)

0 上充泵在线振动探头功能简介

某核电站1，2号机各装备有3台上充泵。每台上充泵均安装有4个在线振动探头，分别安装在泵驱动端水平、垂直方向以及非驱动端水平、垂直方向。

在线振动探头型号为SPM SLD 723C，量程0—25 mm/s，频率测量范围 2—1 000 Hz。在线振动探头负责上充泵运行时的振动监测，当任何一个振动探头示值达到4.5 mm/s时，发出振动高报警；当任何一个振动探头示值达到11 mm/s时，发出振动高高报警(建议停泵)。

1 异常描述

2012年1月，该核电站1号机组冷试期间，2号上充泵在线振动探头出现振动高报警；与技术部使用的离线测振仪相比，示值明显偏高，具体数据记录如表1所示。

表1 1号机冷试期间上充泵现场测振数据记录

运行部操作员停运2号泵后，在后续再启动该泵时，该现象仍然时有出现。查看泵其他参数，如电流、轴承温度、流量、出入口压力等，并未发现明显的相关性。由于受条件限制，仪控部工程师只能采用更换备件的方法试图消除故障，但是效果并不理想，上充泵在线振动探头偶发振动偏高及波动异常现象并未得到改善。此后，1号机组3台上充泵均不时出现上述现象。

2014年1月，2号机组2号上充泵驱动端水平方向在线振动探头2RCV233MV出现振动高报警及波动的现象。此后，2号机组3台上充泵也不时出现类似现象。

据不完全统计，目前已经产生了33张相关通知单。

2 异常产生的后果

在线振动探头在上充泵运行期间进行振动监测，当示值达到高报警值时，为使上充泵免受可能的破坏，运行人员一般会停运上充泵。这将破坏上充泵周期性切泵计划，甚至影响上充泵的可用性。

3 对异常的分析思路

对本异常的分析思路如下：

(1) 了解该核电站1，2号机组上充泵在线振动探头偶发振动偏高及波动异常的详细情况；

(2) 搜集资料，包括相关图纸、说明书、报告以及经验反馈；

(3) 列举所有可能导致该异常的原因；

(4) 对所有可能原因进行逐个分析，必要时进行试验及校验，寻找支持证据和反对证据；

(5) 根据分析结果，确定根本原因；

(6) 根据根本原因及相关资料，制定相应的纠正措施。

4 异常的原因分析

4.1 在线振动探头故障

由于缺少在线探头详细结构及原理说明书，分析小组对在线振动探头进行解体检查。发现内部结构只有1块电路板，电路板上布置ADXL321测振模块。查询ADXL321测振模块说明书，得知其为加速度测量模块，而在线振动探头输出为振动速度值，因此判断电路板上其他部分主要为硬件滤波电路及积分电路。在线振动探头内部没有相对运动的部件，出现部件松动进而导致在线振动探头故障的可能性并不大。

为确定在线振动探头是否存在上述故障，将其送往福州计量院、东南大学振动工程研究中心进行了校验，校验结果均合格，因此可以排除此原因。

4.2 高频振动干扰

现场使用技术部离线测振仪ALLENBRADLEY Enpac 2500对上充泵进行测振并绘制典型频谱，得知在 1 092 Hz，1 950 Hz 及 2 731 Hz等频率下存在较大振动幅值(在线振动探头SPM SLD723C量程上限1 000 Hz)，主要激振原因为齿轮箱齿轮通过频率。基于上述频谱特征，产生了推测：高频振动对在线振动探头产生了某种作用(例如共振)，造成示值发生畸变。

为验证推测的正确性，将在线振动探头送往上海计量院进行了高频段测试。测试结果表明：在高频条件下，探头示值明显衰减，输出基本为0，与在线振动探头的量程上限相符。这说明了推测并不符合实际。

4.3 低频振动影响

离线测振仪的频率测量范围最低可调节至5 Hz，与在线振动探头的频率测量范围相比(2—1 000 Hz)，存在一段探测不到的盲区。倘若在这段盲区内出现较大的振动分量，则完全有可能造成在线振动探头出现示值偏高的现象。

旋转机械的振动频谱的谱线主要分布在基频(额定频率)以及倍频(即基频的整数倍)，泵的旋转很难激发10 Hz以下的振动；此外，对于转速为600—12 000 r/min 的泵，国标要求只需要监测10—1 000 Hz的振动。上充泵属于中高速旋转设备，额定频率为77.6 Hz。在不能完全排除低频振动的情况下，分析小组选择继续追查。福州计量院将离线测振仪的测量下限设置为最低值，测试结果显示：从7 Hz往下，离线测振仪出现示值衰减，且随着频率降低，衰减愈发显著；但在线振动探头示值基本准确。低频测试最低只能测量到5 Hz，但从曲线变化趋势中可以看出，8 Hz是离线测振仪的实际测量频率下限，即离线测振仪的频率测量范围为 8—5 000 Hz。

由于现场在线振动探头出现示值偏高且波动异常是随机的，无法人为再现，而且上充泵的运行具有固定的计划，现场展开调查的窗口很难把握。直到2014年底，1RCV332MV在一回路换水期间出现示值偏高且波动异常，多次更换备件仍无改善，甚至更换成3，4号机组在线振动探头VMD185-20-AT-CA(频率测量范围为 2—1 000 Hz)，该现象依然不变。一回路换水时间可人为控制，且周期有1—2天，这给现场测振提供了契机。

此外，在更换1RCV332MV的过程中，仪控人员发现，触碰在线振动探头安装位置附近的机壳时，能感觉振动位移较大、频率较低。

2014年底，仪控部联合技术部人员在1号机组换水期间对3号上充泵进行了2次现场测振。技术部人员使用离线测振仪器ALLEN-BRADLEY Enpac 2500(测量下限为8 Hz)。为了与在线振动探头SPM SLD723C比对，仪控部人员携带了1支SPM SLD733C(测量下限为10 Hz)，在现场使用备用孔安装。测振结果如表2所示。

表2 一回路换水期间测振结果

从表2可以看出，与Enpac2500及SLD733C 相比，在线振动探头1RCV332MV在换水期间出现了明显的示值偏高及波动异常。

由于测量低频振动频谱对仪表要求较高，经过多方联系，2015年3月，仪控部邀请东南大学振动工程研究中心及江苏省电科院的专家到场进行测试。测振结果显示：1号机组3号上充泵存在较大的随机低频振动，振动频率集中在0—7 Hz之间(1RCV003PO非驱动端水平方向的频谱如图1—3所示)。从频谱的变化可以看出，一回路换水前与换水后的低频频谱相差不大，但一回路换水期间低频频谱在2—7 Hz范围内的振动分量明显增大，这与换水期间1RCV332MV出现升高的趋势是完全一致的。

图1 一回路换水前0.1—20 Hz频谱

图2 一回路换水期间0.1—20 Hz频谱

图3 一回路换水后0.1—20 Hz频谱

根据测试结果，可以确定导致该核电站1号机组3号上充泵非驱动端垂直方向在线振动探头在一回路换水期间出现示值偏高及波动异常的根本原因为：1号机3号上充泵非驱动端垂直方向存在频率为0—7 Hz的随机低频振动，其中处于在线振动探头频率测量范围(2—1 000 Hz)内的低频振动分量较小；在一回路换水期间，频率为2—7 Hz的随机低频振动分量显著增大，在线振动探头监测到了这个变化，从而出现示值偏高及波动异常。

由于其他上充泵很少出现在线振动探头示值偏高及波动异常，且这种异常完全随机，因此无法再现故障以进行调查分析。将其他可能原因排除后，结合3号泵的调查结论，可以推断导致该核电站1，2号机组上充泵在线振动探头示值偏高及波动异常的根本原因为：上充泵存在频率为0—7 Hz的随机低频振动，处于在线振动探头频率测量范围(2—1 000 Hz)内的低频振动分量较小；当运行工况出现某种变化时，频率为2—7 Hz的随机低频振动分量显著增大，被在线振动探头监测到，从而出现示值偏高及波动异常现象。

此外，还需要研究2014年底1RCV332MV 在一回路换水期间出现示值偏高及波动异常，以及与此同时1，2号泵在线振动探头故障的频度明显降低的原因。推测这与N101大修期间上充泵进行3台泵解体全检有关(1，2号泵更换了泵轴，但3号泵未更换)。

4.4 环境温度影响

在一回路换水期间，上充泵运行工况最大的变化为泵吸入口介质温度约下降10 ℃，因此可以推测环境温度变化有可能对在线振动探头产生不良影响。但这种可能性微乎其微，究其原因主要有以下3点：

(1) 10 ℃的温度变化对在线振动探头影响并不显著，且在线振动探头额定工作温度为-40—85 ℃；

(2) 介质温度降低产生的热传导，其作用至在线振动探头时已大大减弱，对在线振动探头的表面温度影响必定在10 ℃以下；

(3) 上充泵房间温度在换水期间无明显变化。

该核电站委托某核电计量中心对在线振动探头进行了温度稳定性测试。测试结果表明：介质温度变化对在线振动探头的输出影响很小，不会导致示值升高或波动。

4.5 安装力矩影响

上充泵在线振动探头对最小安装力矩并无明确要求，只限制最大安装力矩限值为10 N·m，因此现场安装时并未使用力矩扳手，导致安装力矩无法统一。为验证安装力矩对在线振动探头输出是否存在影响，该核电站委托某核电计量中心对在线振动探头进行了不同安装力矩下的响应测试。测试结果表明：在安装牢固无松动的前提下，安装力矩对在线振动探头的输出影响很小。

4.6 电磁干扰影响

上充泵电机及其他电气设备运行产生的电磁场可能对在线振动探头产生干扰，但可能性很小，原因如下:

(1) 在一回路换水期间上充泵电机运行工况(主要是电流)并无明显变化，现场电磁环境比较稳定；

(2) 距离干扰源上充泵电机较近的驱动端在线振动探头与距离其较远的非驱动端在线振动探头出现示值偏高及波动异常的频度并无较大区别，而且在一回路换水期间出现示值偏高及波动异常的1RCV332MV位于3号上充泵非驱动端；

(3) 在线振动探头电缆屏蔽层在现场CR箱内接地，CR箱至机柜电缆屏蔽层在机柜内接地，符合电力安装规范。

4.7 辐照影响

辐照(主要指γ射线)对在线振动探头可能产生的影响分2种：第1种是辐照可能对在线振动探头造成干扰效应；第2种是长期辐照可能对在线振动探头产生永久性的损坏。

首先，由于1RCV332MV波动与一回路换水存在极大的相关性，而一回路换水期间上充泵房间辐照条件并不会发生明显变化。从统计意义上来说，如此强烈的相关性基本可以排除辐照干扰导致在线探头示值偏高或波动异常的可能性，即可排除第1种可能性。

其次，倘若长期辐照对在线振动探头产生不可逆的损坏，那么在线振动探头校验结果基本不可能合格，这样可以排除第2种可能性。

最后，上充泵房间辐照约为3 μSv/h，相对而言非常微弱。

综上分析，基本可以排除辐照造成以上异常的可能性。

5 内外部经验反馈

该核电站3，4号机装备的上充泵已国产化，但芯包仍由德国凯斯比公司提供。其在线振动探头虽然型号发生变化，但频率测量范围为2—1 000 Hz，也有可能出现类似的现象。

据反馈，使用相同上充泵及在线振动探头的核电站也存在类似现象。

6 结论及纠正行动

6.1 根本原因

导致该核电站1，2号机组上充泵在线振动探头示值偏高及波动异常的根本原因为：上充泵存在频率为0—7 Hz的随机低频振动，处于在线振动探头频率测量范围(2—1 000 Hz)内的低频振动分量较小；当运行工况出现某种变化时，频率为2—7 Hz的随机低频振动分量显著增大，导致在线振动探头监测到变化，从而出现示值偏高及波动异常。