激光測振技術(shù)的可靠性試驗研究

劉家正，干富軍，龔圣捷，顧漢洋

（1.上海核工程研究設(shè)計院，上海 2 00233；2.上海交通大學(xué)，上海 2 00240）

激光測振技術(shù)的可靠性試驗研究

劉家正1，干富軍1，龔圣捷2，顧漢洋2

（1.上海核工程研究設(shè)計院，上海 2 00233；2.上海交通大學(xué)，上海 2 00240）

燃料組件在冷卻劑高速沖刷下會產(chǎn)生流致振動，可能導(dǎo)致格架條帶和燃料棒包殼的結(jié)構(gòu)破壞，影響核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。激光可以穿透可視化試驗段和冷卻劑，打到格架條帶表面，通過非接觸方式測量其振動響應(yīng)。非接觸式激光測振技術(shù)在國內(nèi)燃料研發(fā)過程中也具有重大應(yīng)用價值與廣泛的應(yīng)用前景，試驗中使用非接觸式激光測振儀和傳統(tǒng)的接觸式單軸加速度計，測量了1 000 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz三種不同激振頻率下模擬燃料棒在空氣環(huán)境、有機(jī)玻璃空氣環(huán)境和有機(jī)玻璃水環(huán)境三種工況下的軸向與橫向振動響應(yīng)，驗證了激光測振技術(shù)的可靠性。數(shù)據(jù)分析表明，激光測振技術(shù)相比加速度計具有更好的測量精度。

燃料組件；流致振動；激光測振儀；加速度計；可靠性

壓水堆核電廠正常運行時，核燃料會發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，冷卻劑流過堆芯冷卻燃料組件并帶走熱量。在這一過程中，燃料組件在冷卻劑高速沖刷下不可避免會產(chǎn)生振動。過度的流致振動會導(dǎo)致格架條帶和燃料棒包殼之間發(fā)生磨損，當(dāng)包殼磨損量超出限值后會導(dǎo)致包殼結(jié)構(gòu)破壞，從而影響核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，在燃料組件研發(fā)過程中需開展流致振動試驗，充分論證流致振動對燃料組件結(jié)構(gòu)的影響。但是在冷卻劑高速沖刷條件下，格架條帶上的振動響應(yīng)無法通過接觸式加速度傳感器測量得到，而激光測振技術(shù)則可以有效克服上述困難。激光穿透可視化試驗段和冷卻劑，打到格架條帶表面，通過這種非接觸方式測量其振動響應(yīng)，避開了接觸式傳感器安裝不便的缺點，以及加速度傳感器對結(jié)構(gòu)附近流場和振動響應(yīng)測量數(shù)據(jù)的不利影響。非接觸式激光測振技術(shù)具有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢，目前在西屋電氣等國外核電企業(yè)的燃料研發(fā)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。激光測振技術(shù)在國內(nèi)燃料組件格架研發(fā)過程中也具有重大應(yīng)用價值與廣泛的應(yīng)用前景。但是，將激光測振技術(shù)應(yīng)用到格架研發(fā)試驗前，有必要針對該技術(shù)開展可靠性試驗研究。因此，文章使用非接觸式激光測振儀和傳統(tǒng)的接觸式單軸加速度計，開展了單圓管高頻振動測量試驗，測量了頻率分別為1 000 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz時，不同激振力作用下模擬燃料棒在空氣環(huán)境（工況1）、有機(jī)玻璃空氣環(huán)境（工況2）和有機(jī)玻璃水環(huán)境（工況3）三種工況中的軸向與橫向振動響應(yīng)。試驗數(shù)據(jù)的對比分析表明，激光測振技術(shù)相比加速度計具有更好的測量精度。

1 試驗設(shè)備

單圓管振動試驗測量示意圖如圖1所示。圓管外徑為10 mm，壁厚1 mm，長度為2 m。圓管下端固定，中間連接一個邊長為30 mm的方形密封盒。密封盒兩個豎直相鄰內(nèi)表面上分別安裝單軸加速度傳感器，如圖2所示。加速度傳感器引線從圓管頂部穿出，連接到數(shù)據(jù)采集卡。加速度傳感器測點對應(yīng)的密封盒外表面位置，為一維激光測振儀測點。圓管頂端與激振器連接，固定激振頻率下，改變作用于圓管頂端的激振力幅值，然后通過單軸加速度計和激光測振儀，同步測量同一位置內(nèi)外表面的加速度和速度響應(yīng)。采集到的試驗數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡，實時傳輸?shù)椒治鲕浖羞M(jìn)行同步分析與記錄。

圖1 單圓管振動試驗測量示意圖Fig.1 Dummy rod vibration measurement test

圖2 單圓管振動試驗件示意圖Fig.2 Schematic of dummy rod vibration measurement test

單圓管高頻振動試驗的測量儀器包括單軸加速度傳感器和一維激光測振儀。加速度傳感器測量內(nèi)表面的振動加速度，激光測振儀通過有機(jī)玻璃管壁測量對應(yīng)外表面的振動速度。試驗中用到的單軸加速度傳感器分辨率為0.000 1g，頻率測量范圍為0.5～8 kHz；激光測振儀分辨率0.02?m/s，速度測量范圍為0.005～1 m/s。

單圓管高頻振動試驗中，為了校驗非接觸式激光測振儀測量結(jié)果的可靠性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，采用加速度振動傳感器進(jìn)行實時對比測量。為了獲得更好的信號輸出，加速度振動傳感器將測量所得的加速度信號通過調(diào)理放大器（MI-2004）進(jìn)行信號放大，然后通過動態(tài)信號采集分析儀將采集的測量結(jié)果實時顯示，同時進(jìn)行頻譜分析（FFT），研究振動的時域和頻域情況。非接觸式激光測振儀采用兩個一維激光測振儀，其測量獲得的直接信號是振動速度。測量獲得的數(shù)據(jù)由動態(tài)信號測試分析儀進(jìn)行采集并存儲于電腦存儲器，同時采用相應(yīng)的DHDAS動態(tài)信號集成系統(tǒng)軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析或后處理。

為了能直觀地比較兩種方法得到的測量結(jié)果，加速度傳感器測量得到的振動加速度幅值a通過公式（f為振動頻率）轉(zhuǎn)化成振動速度幅值v。DHDAS動態(tài)信號集成系統(tǒng)可以實時顯示振動的時域波形圖，并用FFT頻域分析方法可以獲得激振頻率值。

2 試驗工況

根據(jù)燃料組件在格架條帶堆內(nèi)振動頻率響應(yīng)情況，設(shè)定單圓管振動測試的頻率范圍為1 000～3 000 Hz，分別采用激光測振儀和加速度傳感器，開展空氣環(huán)境、有機(jī)玻璃空氣環(huán)境和有機(jī)玻璃水環(huán)境三種工況下的對比振動測量試驗。

3 標(biāo)定試驗

單圓管振動試驗進(jìn)行前，先采用振動傳感器校準(zhǔn)儀（JX-3B）對激光測振儀和加速度振動傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗。設(shè)定振動傳感器校準(zhǔn)儀在各個頻率下的基準(zhǔn)振動輸出，分別用激光測振儀和加速度傳感器測量相同位置的振動情況。

4 工況1

試驗中將加速度傳感器固定在外表面時，同時用激光測振儀同步測量同一表面不同位置時的振動情況。結(jié)果表明，兩種測量方法測量所得的結(jié)果有較大的差異。結(jié)果分析表明，這一現(xiàn)象是由于不同位置的振動存在較大差異引起的。因此，在測量過程中，必須保證激光測振儀測點位置（外表面）與加速度傳感器測點位置（內(nèi)表面）完全重合。

5 工況2

將測試本體安裝在有機(jī)玻璃方管內(nèi)進(jìn)行振動對比試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光測振儀測量的振動速度時域波形信號有較大的噪聲。經(jīng)過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，激振頻率不會受到干擾，但測量得到的振動速度會有較大的波動，對測量精度有很大的影響。分析表明，這一問題的產(chǎn)生是激光測振儀入射光通過有機(jī)玻璃表面時，會產(chǎn)生部分反射光，干擾了測量信號造成的。

將激光測振儀的入射光線與測量面法線形成一個極小角度的夾角，使入射光通過有機(jī)玻璃表面產(chǎn)生的鏡面反射光不參與多普勒干涉。采用上述方法得到的試驗數(shù)據(jù)具有良好的穩(wěn)定性。

6 工況3

當(dāng)被測物體浸沒在水中時，由于光在水中與光在空氣中傳播特性的差異，激光測振儀測得的振動速度信號需要根據(jù)公式進(jìn)行修正。

7 試驗結(jié)果及討論

根據(jù)上述的試驗方法，分別開展標(biāo)定試驗和三種不同環(huán)境下振動試驗，每次試驗的激振頻率分別為1 000 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz。

8 標(biāo)定試驗結(jié)果

對振動波形圖的頻譜測量頻率分析表明，加速度傳感器與激光測振儀均能準(zhǔn)確地捕捉激振頻率，與振動傳感器校準(zhǔn)儀輸出的頻率完全一致，上、中、下分別為激振器、加速度傳感器和激光測振儀波形時域和頻域圖，圖中所示激光測振儀測量的結(jié)果比加速度傳感器測量的結(jié)果更接近激振器輸出。

對振動速度測量數(shù)據(jù)分析表明，加速度傳感器和激光測振儀測量的結(jié)果與振動傳感器校準(zhǔn)儀的輸出有良好的一致性。加速度傳感器的測量誤差均在10%以內(nèi)，平均誤差為6.9%；而激光測振儀具有更小的測量偏差，測量誤差均在6%以內(nèi)，平均誤差為2.2%；加速度傳感器與激光測振儀之間的測量誤差保持在9%以內(nèi)。

9 工況1的試驗結(jié)果

加速度傳感器和激光測振儀測量得到的主振動方向上，不同激振頻率下的振動速度與激振力的變化關(guān)系：激振頻率分別為1 000 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz，隨著激振力的增大，振動速度線性增加，加速度傳感器和激光測振儀測量的振動速度具有很好的一致性，測量的頻率值和激振源完全一樣，測量得到的振動速度也很接近；激振頻率分別為1 000 Hz和2 000 Hz時，兩種不同測量方法的測量誤差在5%以內(nèi)，激振頻率分別為3 000 Hz時，兩種不同測量方法的測量誤差在10%以內(nèi)。

10 工況2的試驗結(jié)果

在有機(jī)玻璃空氣環(huán)境下，加速度傳感器和激光測振儀測量得到的不同頻率下振動速度與激振力的變化關(guān)系，隨著激振力的增大，振動速度呈線性增加。加速度傳感器和激光測振儀測量得到的振動速度具有很好的一致性，測量的頻率值和激振源完全一樣，測量的振動速度也很接近。兩種不同測量方法的測量誤差在8%以內(nèi)。

11 工況3的試驗結(jié)果

在有機(jī)玻璃水環(huán)境下，加速度傳感器和激光測振儀在不同頻率下的振動速度與激振力的變化關(guān)系，隨著激振力的增大，振動速度呈線性增加。加速度傳感器和激光測振儀測量的頻率值和激振源完全一樣；用兩種測量方法測量的振動速度在1 000 Hz頻率下誤差很小，在3%以內(nèi)，隨著激振頻率的升高，誤差也隨之增大，在3 000 Hz頻率下，誤差達(dá)到20%以上，分析表明由于密封膠對試驗件和加速度傳感器進(jìn)行了密封，影響了加速度測振傳感器的測量精度，特別是在高頻率的測試工況下。

12 結(jié)論

文章研究了單圓管在空氣環(huán)境、有機(jī)玻璃空氣環(huán)境和有機(jī)玻璃水環(huán)境工況下在不同激勵條件下的振動特性，得出如下結(jié)論：

1) 在試驗工況條件下，加速度傳感器和激光測振儀都能100%的準(zhǔn)確測量激振頻率。

2) 校準(zhǔn)儀標(biāo)定試驗表明：加速度傳感器對振動速度的測量誤差在10%以內(nèi)，平均誤差為6.9%；激光測振儀對振動速度的測量誤差在6%以內(nèi)，平均誤差為2.2%；加速度傳感器與激光測振儀之間的測量誤差在9%以內(nèi)。

3) 空氣環(huán)境下，加速度傳感器和激光測振儀進(jìn)行同步對比測試結(jié)果表明：兩種測量方法測量得到的振動速度測量誤差在10%以內(nèi)，與標(biāo)定試驗中9%的測量誤差一致。

4) 有機(jī)玻璃空氣環(huán)境下，激光測振儀入射光與有機(jī)玻璃管平面垂直時，振動速度測量會出現(xiàn)較大的干擾。當(dāng)入射光與有機(jī)玻璃管平面垂直線呈小角度入射時，可以避免出現(xiàn)信號干擾的問題。測量結(jié)果表明：加速度傳感器和激光測振儀在主振動方向上測量得到的振動速度誤差在8%以內(nèi)。

5) 有機(jī)玻璃水環(huán)境下的測量結(jié)果表明：用兩種測量方法測量得到的主振動方向上的振動速度在1 000 Hz頻率下誤差很小，在3%以內(nèi)。說明激光測振儀可以在有機(jī)玻璃水環(huán)境下進(jìn)行準(zhǔn)確測量。隨著激振頻率的升高，由于防水密封膠影響了加速度測振傳感器的測量精度誤差，使加速度傳感器與激光測振儀誤差達(dá)到20%左右。

綜上所述，激光測振儀相比傳統(tǒng)的加速度傳感器，具有較高的測量精度，且有效避免了安裝條件對測量精度的影響。因此，激光測振儀適用于燃料組件零部件流致振動的試驗研究。

Reliability Verif i cation of the Laser Vibrometer Technique

LIU Jia-zheng1，GAN Fu-jun1, GONG Sheng-jie2, GU Han-yang2
(1.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai2 00233, China；2.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 2 00240，China)

Flow-induced vibration occurs when the fuel assembly is in high speed coolant, which may damage the grid and fuel cladding. High frequency vibration test of fuel assembly need to be carried out during fuel design. But，it is hard to measure the vibration responses directly using accelerometers, which is impossible to be mounted on the surfaces of grid strip in the water surroundings. While with the help of the laser vibrometer, it is easy to measure the vibration responses of grid strip indirectly, because the laser can easily passes through the flow housing and coolant. The above technique has been employed widely during fuel design abroad, and has good application prospect during fuel design in China. The laser vibrometer and traditional accelerometer are both used to measure the simulated fuel rod vibration under three different excitation frequencies in three different operation conditions simultaneously. Measured results comparison shows that the laser vibrometer has better accuracy.

fuel assembly；flow-induced vibration；laser vibrometer；accelerometer；reliability

TL35 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)04-0296-05

TL35

A

1674-1617(2013)04-0296-05

2013-05-21

劉家正（1980—），男，江蘇人，工程師，碩士，從事燃料設(shè)計研究。