相位在线测量系统在主泵振动治理中的应用

李鸿飞，李百栋，杨建东

（广西防城港核电有限公司，广西防城港 538001）

0 引言

传统的CPR1000（中国改进型压水堆核电技术）机组反应堆冷却剂泵（简称主泵）振动在线测量系统仅包含轴振、瓦振信号，没有相位信号，无法在主泵运行期间充分了解主泵振动状态并有针对性的提前制定动平衡方案；在实施主泵动平衡时，无法直接得到完整诊断数据，需要临时外接仪表采集主泵振动相位，增加了主泵停运和启动的次数、人员和设备进出主泵间所带来的风险。

1 相位测量原理

任何一种频率的振动都包含振幅和相位2个要素，振动相位是指脉冲信号触发开始到第一个正峰值之间的角度，用来描述某一特定时刻转子高点的位置。由于旋转设备的振动绝大多数以一倍频成分为主，在振动领域，除非特别的说明，相位测量都是指对一倍频振动相位的测量。

测量原理如图1所示。首先在转轴上固定好参考标记（凹槽、凸起靶针或反光贴），在参考标记附近的静止位置安装相位传感器并对准参考标记。轴开始旋转后，每转一周当参考标记对准相位传感器时，传感器便输出一个脉冲信号。然后在轴承附近安装振动传感器，用振动分析仪测量振动信号并接收相位脉冲信号，以触发相位脉冲信号的时间点为基准时刻，得到振动信号达到正向最大峰值的时间差，然后将此时间差与转子旋转周期做比较，以360°作分度转变成相位角，得出振动相位φ。

图1 相位测量原理

2 设计方案

相位测量系统是由传感器（如涡流式、磁阻式、光电式等）与轴上固定标志（如凹槽、凸起靶针或反光贴）所组成。轴上固定标志经过传感器时触发一个脉冲信号，脉冲信号是确定振动相位的基准，脉冲频率与转子旋转频率同步。为了不影响主泵转子原有结构，利用主泵电机侧半联轴器上原有的转速测量靶针作为轴上固定标志，下一步就是相位传感器和信号接收处理装置的选择。

根据现场情况，有2种实施方案可供选择（表1）。

经过对比分析，虽然2个方案都可实现主泵相位测量，但考虑到转速测量系统涉及反应堆保护比较敏感，相位测量和转速测量之间关系的研究和论证还不充分，最终确定采用B方案，在主泵监测系统原设计基础上，增加1套相位测量系统，即“相位传感器+放大器+电缆+输出卡件”。图2中粗线标记部分为增加的相位测量系统，转速、位移、振动在线测量系统不变，保持转速测量系统的独立性。

表1 相位传感器和信号接收处理装置设计方案对比

图2 增加主泵相位测量系统

3 技术点解析

3.1 安装间隙对信号触发的影响

防城港核电厂1#机组的主泵相位测量系统安装完成后，启动主泵，在位于电气厂房的主泵相位信号输出机柜前面板处没有按预期触发相位信号。测量发现来源于反应堆厂房放大器的原始相位脉冲信号电压幅值为7.9 V，而机柜前面板输出电压幅值为1.6 V，相位信号经过机柜内输出卡件处理之后衰减明显，输出电压过低无法触发相位信号。

考虑到信号经过输出卡件衰减属于卡件固有特性，短期无法改善，重点关注对于放大器所产生原始信号的调整。现场检查发现相位传感器和靶针间隙为1.1 mm，怀疑传感器和靶针的间隙过大造成“间隙电压”过低，使得放大器所产生原始信号电压过低（图3）。另一方面，传感器和靶针间隙不能太小，考虑到主泵轴位移报警值为0.25 mm，停机值为0.38 mm，而在启泵瞬时峰值可达0.5 mm左右，为确保二者不发生碰磨，间隙设置不宜低于0.75 mm。

调整相位传感器和靶针间隙到0.8 mm，在信号输出机柜处测得放大器输出脉冲信号电压幅值达到10 V，前面板输出电压为3.4 V左右，成功触发相位信号。由此可见，相位传感器和靶针间隙的设置对于相位信号能否触发至关重要，要在确保安全的前提下尽量缩小安装间隙。

3.2 TTL电平对信号触发的影响

图3 相位传感器与靶针间隙示意

图4 机柜内信号处理流程

图5 机柜总输入端子排B处相位波形

图6 机柜前面板处相位波形

技术规格书和厂家所提供技术方案中说明，相位信号要输出5 V TTL（晶体管逻辑）电平，现场实测却发现情况与设计不一致。来自放大器的原始相位脉冲信号，首先汇集到主泵相位信号输出机柜总输入端子排B，然后经信号卡件处理形成2路输出：一路是机柜前面板，另一路是机柜内部端子排C。图4～图7是机柜内信号处理流程和记录仪所显示3个位置在相同时间点的信号波形。

在主泵相位信号输出机柜总输入端子排B和前面板处，测得的不是TTL电平信号，而是交流脉冲信号；端子排C提供的是TTL电平信号，但并没有达到设计的5 V。虽然3个位置输出信号并未满足设计要求，但3个输出信号始终保持同步，未影响相位信号的正常采集。

进一步分析发现，常用振动分析仪表的相位测量触发电压阈值是2 V，而且对交流脉冲信号和TTL电平信号都能有效触发。进行相位测量工作时，可从主泵相位信号输出机柜总输入端子排B、机柜前面板、端子排C3处任意一处取信号，都可实现有效的相位测量。因此5 V TTL电平不是必要条件，对于这个问题，已与厂家沟通并达成一致，属于不满足设计要求，但不影响使用，可有条件接受。

图7 机柜内部端子排C处相位波形

4 应用效果

4.1 发现主泵轴位移传感器接线错误

技术人员进行相位信号测试验证时，发现根据传感器的布置情况，1#主泵的2个轴位移信号1RCP250MM相位应超前于1RCP251MM约90°，但在主泵相位信号输出机柜处测得其关系相反，据此怀疑1RCP250MM与1RCP251MM轴位移信号接反，并建议调试人员检查接线是否正确。

经过现场检查，对照安装图纸，前置器输出信号线确实接反。按图纸恢复正常连接后，现场模拟间隙验证，轴位移信号对应的相位关系已恢复正常。

每台主泵的轴位移传感器是一对，互成90°角安装（图3），在轴转动期间，2个传感器输出信号不会有太大偏差，即使信号接反也很难从轴位移数据上看出来，但这种情况在相位信号上能明显看出差异，从而及时解决问题。

4.2 简化动平衡流程

相比于传统主泵动平衡，利用相位在线测量系统，节省了离线仪表的安装和拆卸环节，减少了主泵启停的次数，可显著简化主泵动平衡流程，缩短8道工序，减少所占用大修关键路径时间约7 h，提升经济效益；减少反复启停对主泵的冲击（技术规范要求主泵在24 h内启停不得超过6次），提升主泵寿命；同时能减轻工作人员负担，降低人员辐射受照剂量和工作过程引入异物的风险。动平衡流程简化如表2所示。

4.3 将维修和振动治理有机结合，实现主泵“预平衡”

利用主泵相位在线测量系统，可在日常期间积累丰富的主泵振动、相位数据，结合经验影响系数，在大修前计算好动平衡方案，利用大修主泵检修窗口，在联轴器上预加平衡配重，完全不占用大修关键路径，相当于“零工时”项目。

在2017年9月的F201大修和2019年5月的F202大修中，电厂分别对F2RCP003PO和F2RCP002PO实施冷态预平衡，利用主泵检修回装联轴器的窗口，将预先计算好的配重安装在联轴器上的指定位置。经过冷态启动，一回路升温升压，到达热停平台，主泵轴振水平比大修前大幅下降，分别由175 μm P-P 降到了 76 μm 和由 152 μm 降到了 68 μm，效果良好。

表2 有、无相位在线测量系统实施动平衡的区别

5 结语

防城港核电厂一期工程已全面建成并经历了2次小修和4次换料大修，主泵相位在线监测系统在主泵状态监测和振动治理过程中已经受住了考验并发挥了积极作用。作为良好经验反馈，主泵相位在线监测系统已加入防城港核电厂二期工程“华龙一号”的初始设计；同时，如果利用转速测量系统实现相位测量的技术发展成熟，国内CPR1000机组均可通过改造流程新增主泵相位在线测量系统，通过低成本的方式实现功能升级，进一步提升电厂的安全性和经济性。