基于加速度控制的核電設(shè)備運(yùn)輸管理

王秀祥，李 洋 （中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

WANG Xiu-xiang, LI Yang (CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd, Haiyan 314300, China)

0 引 言

核電設(shè)備的重要性及其特殊性，使得核電設(shè)備運(yùn)輸整個(gè)過(guò)程控制要求相當(dāng)嚴(yán)格。加速度控制是運(yùn)輸過(guò)程控制的一種重要手段，而加速度計(jì)是其得以實(shí)現(xiàn)的主要工具。將加速度計(jì)應(yīng)用于運(yùn)輸監(jiān)控有助于填補(bǔ)質(zhì)量管理體系的這一空白。本文就其在核電運(yùn)輸過(guò)程中使用的壓電式加速度計(jì)為例，對(duì)其基本工作原理和實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行分析，以期通過(guò)本文的方法研究可供相關(guān)領(lǐng)域參考。

1 加速度計(jì)基本原理

加速度計(jì)是根據(jù)慣性原理相對(duì)慣性空間工作。直接測(cè)量加速度本身是很困難的，雖然載體的加速度可以通過(guò)位移傳感器或速度傳感器獲得，但通常大多數(shù)加速度計(jì)是借助敏感質(zhì)量將加速度變成力進(jìn)行間接測(cè)量的。根據(jù)牛頓第二定律，作用于物體上的力等于該物體的質(zhì)量乘以加速度。換言之，加速度作用在敏感質(zhì)量上，敏感質(zhì)量將其感應(yīng)為慣性力，測(cè)量該慣性力，就可以間接地測(cè)量到載體的加速度。

加速度計(jì)的基本力學(xué)模型是一個(gè)質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)（如圖1 所示）。

當(dāng)有加速度輸入時(shí)，敏感質(zhì)量由于慣性力作用而發(fā)生位移，位移變化量與輸入加速度的大小有確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以描述為一個(gè)單自由度二階彈簧阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型即為：

式中：k為等效彈性系數(shù)，c為等效阻尼系數(shù)，m為等效慣性質(zhì)量，a為輸入加速度。

如果將加速度計(jì)的殼體固定在載體上，只要能把敏感質(zhì)量在敏感軸方向相對(duì)殼體的位移x測(cè)出來(lái)，便可以把它作為加速度a的直接度量。敏感質(zhì)量越大，彈性剛度越小，即系統(tǒng)的諧振頻率越低，則加速度計(jì)的靈敏度就越高。

2 加速度計(jì)特點(diǎn)分析

根據(jù)記錄元件分類(lèi)，目前加速度計(jì)主要分為電子式和紙帶打點(diǎn)式，電子式為主流；根據(jù)按傳感元件分類(lèi)，有壓電式、壓阻式和電位器式等。根據(jù)核電設(shè)備運(yùn)輸?shù)膶?shí)際情況，本文只針對(duì)電子式的壓電式加速度計(jì)進(jìn)行介紹。

目前核電設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)用較為普遍的壓電式加速度計(jì)是RD317 Micro ShockLog Recorder，曾在國(guó)內(nèi)某核電擴(kuò)建工程蒸發(fā)器的運(yùn)輸過(guò)程中使用，其基本工作原理：根據(jù)一個(gè)高性能低電量微處理器以128K 內(nèi)部閃存和512K 閃存為存儲(chǔ)。當(dāng)處理器使用時(shí)會(huì)消耗許多電量，因此會(huì)盡量將它保留在一個(gè)低電量睡眼狀態(tài)，并以一塊非常低電量的時(shí)鐘芯片以每秒鐘的頻率叫醒它一次。它的主要傳感器是它的三方固定電子加速信號(hào)器。信號(hào)器獲得的信號(hào)會(huì)被幾組模式電路放大和過(guò)濾，并且根據(jù)用戶(hù)的預(yù)先配置來(lái)選擇獲取正確反應(yīng)。記錄器預(yù)設(shè)有蘇醒門(mén)限和警報(bào)門(mén)限，三個(gè)信號(hào)器得來(lái)的信號(hào)將會(huì)與它們作比較，如果信號(hào)超出蘇醒門(mén)限，處理器將被叫醒并以每秒1 024 個(gè)樣品率開(kāi)始監(jiān)測(cè)信號(hào)水平，如果信號(hào)超出警報(bào)門(mén)限，記錄器將啟動(dòng)記錄事件。

3 核電設(shè)備運(yùn)輸管理

基于加速度計(jì)應(yīng)用的運(yùn)輸管理主要包括四個(gè)方面：運(yùn)輸方案審查、加速度計(jì)可靠性審查、運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控、最終數(shù)據(jù)分析。其中運(yùn)輸方案審查主要是針對(duì)加速度的計(jì)算及其分析是否準(zhǔn)確可靠；可靠性審查主要是針對(duì)加速度計(jì)本身的一些特性審查，如量程、校驗(yàn)記錄等；運(yùn)輸過(guò)程的監(jiān)控主要是對(duì)異常時(shí)間的記錄和跟蹤；最終數(shù)據(jù)分析主要是以圖表及會(huì)議紀(jì)要的形式對(duì)加速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并補(bǔ)充到整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程的質(zhì)保體系中去，從而保證質(zhì)保體系的完整性及可追溯性。

根據(jù)國(guó)內(nèi)某核電工程設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程中加速度計(jì)的應(yīng)用實(shí)踐，針對(duì)流程的主要環(huán)節(jié)可能存在的問(wèn)題，總結(jié)如下注意事項(xiàng)：

（1） 運(yùn)輸方案審查階段：主要是針對(duì)運(yùn)輸方案中的加速度計(jì)算的方法及計(jì)算依據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分析其是否準(zhǔn)確可靠，并依此對(duì)設(shè)備的綁扎受力進(jìn)行分析，如海運(yùn)則可以計(jì)算其風(fēng)浪對(duì)船舶穩(wěn)性及設(shè)備本身的影響；若是公路運(yùn)輸則可以限定起步速度和制動(dòng)速度以及轉(zhuǎn)彎速度，從而保證加速度值在可控范圍之內(nèi)。

（2） 加速度計(jì)可靠性審查：主要是針對(duì)加速度計(jì)本身可靠性的檢查，如加速度計(jì)量程必須在規(guī)定要求之內(nèi)，避免因量程過(guò)大或者過(guò)小導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真；還要求對(duì)加速度計(jì)的校驗(yàn)記錄及認(rèn)證進(jìn)行審查，一般要求每?jī)赡陮?duì)加速度計(jì)進(jìn)行一次重新校準(zhǔn)，除此之外，還要進(jìn)一步對(duì)加速度計(jì)的安裝前測(cè)試及安裝工作實(shí)施審查，值得注意的是加速度計(jì)本身就是測(cè)量振動(dòng)的敏感元器件，所以安裝前的測(cè)試要避免過(guò)度振動(dòng)導(dǎo)致敏感元件引起共振和斷裂。

（3） 運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控：一般來(lái)說(shuō)，具有加速度要求的核電設(shè)備基本是核電工程建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，其重要性不言而喻，運(yùn)輸環(huán)節(jié)的監(jiān)控是設(shè)備從制造到投入安裝運(yùn)行的有力保證。運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控不僅可以監(jiān)督運(yùn)輸服務(wù)商有效地按照運(yùn)輸方案實(shí)施運(yùn)輸，而且更重要的是可以對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中的異常事件進(jìn)行記錄。因?yàn)榧铀俣扔?jì)在工作時(shí)主要以時(shí)間點(diǎn)來(lái)記錄數(shù)據(jù)，即使設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)也可能由于人為因素導(dǎo)致加速度的存在或者超標(biāo)的可能。比如，在綁扎設(shè)備、中途對(duì)設(shè)備進(jìn)行包裝檢查都有可能觸碰加速度計(jì)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)被污染。所以在運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控中異常事件的記錄是非常重要的。

（4） 最終數(shù)據(jù)分析：當(dāng)設(shè)備安全抵達(dá)目的地后，需對(duì)加速度數(shù)據(jù)立即進(jìn)行分析。此時(shí)需要在運(yùn)輸服務(wù)商代表、供貨商代表、業(yè)主代表的共同見(jiàn)證下，對(duì)加速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并對(duì)數(shù)據(jù)中最大值進(jìn)行記錄和分析，判定是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因?yàn)?，加速度?shù)據(jù)通常以電子的Excel 表或者柱狀圖的形式讀出，數(shù)據(jù)量通常相當(dāng)龐大，因此形成會(huì)議紀(jì)要記錄三軸方向的最大加速度值是目前數(shù)據(jù)記錄及分析的有效手段。

4 案例與結(jié)果分析

4.1 案例分析

在國(guó)內(nèi)某核電擴(kuò)建項(xiàng)目中關(guān)鍵設(shè)備蒸發(fā)器實(shí)施國(guó)外海上運(yùn)輸，由于該設(shè)備重量355 噸，尺寸21.7 米長(zhǎng)，5.2 米寬，5.5 米高，且內(nèi)部填裝有用于熱交換用的4 640 根inconel 690（鎳基合金） U 型管，為防止變形，要求三維運(yùn)輸加速度都不超過(guò)0.9g。蒸汽發(fā)生器是核島關(guān)鍵設(shè)備之一，任何損傷回修都對(duì)整個(gè)核電工期影響巨大，因此，需要對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中加速度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。船舶在海上受波浪作用在三維方向產(chǎn)生搖蕩，造成貨物產(chǎn)生3 個(gè)方向的加速度。建立三維坐標(biāo)系如圖2 所示。

式中：a0y,a0x,a0z為貨物在不同位置時(shí)的橫向、縱向和垂向基本加速度（見(jiàn)表1）；k1為船長(zhǎng)及航速修正系數(shù)；k2為船寬與初穩(wěn)性高度比修正系數(shù)。

對(duì)于蒸汽發(fā)生器運(yùn)輸：船長(zhǎng)97m，航速14 節(jié)，經(jīng)查k1修正系數(shù)或根據(jù)計(jì)算公式（5） 得k1=0.99；

B/GM=14.9，大于13，所以k2=1；當(dāng)貨物裝載在船的底艙0.6L 的位置，可依據(jù)表1 查得各向基本加速度值，則可求得貨物的三維加速度值。

橫向加速度：

縱向加速度：

垂向加速度：

表1 基本加速度值

4.2 結(jié)果數(shù)據(jù)分析

最終數(shù)據(jù)顯示，蒸發(fā)器一次側(cè)X 軸方向的最大加速度為0.2g，Y 軸方向的最大加速度為0.2g，Z 軸方向的最大加速度為0.2g；蒸發(fā)器二次側(cè)X 軸方向的最大加速度為0.1g，Y 軸方向的最大加速度為0.5g，Z 軸方向的最大加速度為0.3g；符合運(yùn)輸過(guò)程中蒸發(fā)器對(duì)于三維加速度不超過(guò)0.9g 的要求。

5 結(jié) 論

本文主要是對(duì)壓電式加速度計(jì)的基本原理及其在核電設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，隨著科學(xué)的發(fā)展，加速度計(jì)也必將朝著體積更加微小，測(cè)量更加準(zhǔn)確的方向發(fā)展下去，相信在核電設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程中加速度計(jì)的應(yīng)用將更加廣泛。

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