上充泵在線振動探頭示值偏高及波動異常分析

呂明明，張允煒

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

0 上充泵在線振動探頭功能簡介

某核電站1，2號機各裝備有3臺上充泵。每臺上充泵均安裝有4個在線振動探頭，分別安裝在泵驅(qū)動端水平、垂直方向以及非驅(qū)動端水平、垂直方向。

在線振動探頭型號為SPM SLD 723C，量程0—25 mm/s，頻率測量范圍 2—1 000 Hz。在線振動探頭負責上充泵運行時的振動監(jiān)測，當任何一個振動探頭示值達到4.5 mm/s時，發(fā)出振動高報警；當任何一個振動探頭示值達到11 mm/s時，發(fā)出振動高高報警(建議停泵)。

1 異常描述

2012年1月，該核電站1號機組冷試期間，2號上充泵在線振動探頭出現(xiàn)振動高報警；與技術部使用的離線測振儀相比，示值明顯偏高，具體數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 1號機冷試期間上充泵現(xiàn)場測振數(shù)據(jù)記錄

運行部操作員停運2號泵后，在后續(xù)再啟動該泵時，該現(xiàn)象仍然時有出現(xiàn)。查看泵其他參數(shù)，如電流、軸承溫度、流量、出入口壓力等，并未發(fā)現(xiàn)明顯的相關性。由于受條件限制，儀控部工程師只能采用更換備件的方法試圖消除故障，但是效果并不理想，上充泵在線振動探頭偶發(fā)振動偏高及波動異常現(xiàn)象并未得到改善。此后，1號機組3臺上充泵均不時出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

2014年1月，2號機組2號上充泵驅(qū)動端水平方向在線振動探頭2RCV233MV出現(xiàn)振動高報警及波動的現(xiàn)象。此后，2號機組3臺上充泵也不時出現(xiàn)類似現(xiàn)象。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已經(jīng)產(chǎn)生了33張相關通知單。

2 異常產(chǎn)生的后果

在線振動探頭在上充泵運行期間進行振動監(jiān)測，當示值達到高報警值時，為使上充泵免受可能的破壞，運行人員一般會停運上充泵。這將破壞上充泵周期性切泵計劃，甚至影響上充泵的可用性。

3 對異常的分析思路

對本異常的分析思路如下：

(1) 了解該核電站1，2號機組上充泵在線振動探頭偶發(fā)振動偏高及波動異常的詳細情況；

(2) 搜集資料，包括相關圖紙、說明書、報告以及經(jīng)驗反饋；

(3) 列舉所有可能導致該異常的原因；

(4) 對所有可能原因進行逐個分析，必要時進行試驗及校驗，尋找支持證據(jù)和反對證據(jù)；

(5) 根據(jù)分析結果，確定根本原因；

(6) 根據(jù)根本原因及相關資料，制定相應的糾正措施。

4 異常的原因分析

4.1 在線振動探頭故障

由于缺少在線探頭詳細結構及原理說明書，分析小組對在線振動探頭進行解體檢查。發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結構只有1塊電路板，電路板上布置ADXL321測振模塊。查詢ADXL321測振模塊說明書，得知其為加速度測量模塊，而在線振動探頭輸出為振動速度值，因此判斷電路板上其他部分主要為硬件濾波電路及積分電路。在線振動探頭內(nèi)部沒有相對運動的部件，出現(xiàn)部件松動進而導致在線振動探頭故障的可能性并不大。

為確定在線振動探頭是否存在上述故障，將其送往福州計量院、東南大學振動工程研究中心進行了校驗，校驗結果均合格，因此可以排除此原因。

4.2 高頻振動干擾

現(xiàn)場使用技術部離線測振儀ALLENBRADLEY Enpac 2500對上充泵進行測振并繪制典型頻譜，得知在 1 092 Hz，1 950 Hz 及 2 731 Hz等頻率下存在較大振動幅值(在線振動探頭SPM SLD723C量程上限1 000 Hz)，主要激振原因為齒輪箱齒輪通過頻率。基于上述頻譜特征，產(chǎn)生了推測：高頻振動對在線振動探頭產(chǎn)生了某種作用(例如共振)，造成示值發(fā)生畸變。

為驗證推測的正確性，將在線振動探頭送往上海計量院進行了高頻段測試。測試結果表明：在高頻條件下，探頭示值明顯衰減，輸出基本為0，與在線振動探頭的量程上限相符。這說明了推測并不符合實際。

4.3 低頻振動影響

離線測振儀的頻率測量范圍最低可調(diào)節(jié)至5 Hz，與在線振動探頭的頻率測量范圍相比(2—1 000 Hz)，存在一段探測不到的盲區(qū)。倘若在這段盲區(qū)內(nèi)出現(xiàn)較大的振動分量，則完全有可能造成在線振動探頭出現(xiàn)示值偏高的現(xiàn)象。

旋轉(zhuǎn)機械的振動頻譜的譜線主要分布在基頻(額定頻率)以及倍頻(即基頻的整數(shù)倍)，泵的旋轉(zhuǎn)很難激發(fā)10 Hz以下的振動；此外，對于轉(zhuǎn)速為600—12 000 r/min 的泵，國標要求只需要監(jiān)測10—1 000 Hz的振動。上充泵屬于中高速旋轉(zhuǎn)設備，額定頻率為77.6 Hz。在不能完全排除低頻振動的情況下，分析小組選擇繼續(xù)追查。福州計量院將離線測振儀的測量下限設置為最低值，測試結果顯示：從7 Hz往下，離線測振儀出現(xiàn)示值衰減，且隨著頻率降低，衰減愈發(fā)顯著；但在線振動探頭示值基本準確。低頻測試最低只能測量到5 Hz，但從曲線變化趨勢中可以看出，8 Hz是離線測振儀的實際測量頻率下限，即離線測振儀的頻率測量范圍為 8—5 000 Hz。

由于現(xiàn)場在線振動探頭出現(xiàn)示值偏高且波動異常是隨機的，無法人為再現(xiàn)，而且上充泵的運行具有固定的計劃，現(xiàn)場展開調(diào)查的窗口很難把握。直到2014年底，1RCV332MV在一回路換水期間出現(xiàn)示值偏高且波動異常，多次更換備件仍無改善，甚至更換成3，4號機組在線振動探頭VMD185-20-AT-CA(頻率測量范圍為 2—1 000 Hz)，該現(xiàn)象依然不變。一回路換水時間可人為控制，且周期有1—2天，這給現(xiàn)場測振提供了契機。

此外，在更換1RCV332MV的過程中，儀控人員發(fā)現(xiàn)，觸碰在線振動探頭安裝位置附近的機殼時，能感覺振動位移較大、頻率較低。

2014年底，儀控部聯(lián)合技術部人員在1號機組換水期間對3號上充泵進行了2次現(xiàn)場測振。技術部人員使用離線測振儀器ALLEN-BRADLEY Enpac 2500(測量下限為8 Hz)。為了與在線振動探頭SPM SLD723C比對，儀控部人員攜帶了1支SPM SLD733C(測量下限為10 Hz)，在現(xiàn)場使用備用孔安裝。測振結果如表2所示。

表2 一回路換水期間測振結果

從表2可以看出，與Enpac2500及SLD733C 相比，在線振動探頭1RCV332MV在換水期間出現(xiàn)了明顯的示值偏高及波動異常。

由于測量低頻振動頻譜對儀表要求較高，經(jīng)過多方聯(lián)系，2015年3月，儀控部邀請東南大學振動工程研究中心及江蘇省電科院的專家到場進行測試。測振結果顯示：1號機組3號上充泵存在較大的隨機低頻振動，振動頻率集中在0—7 Hz之間(1RCV003PO非驅(qū)動端水平方向的頻譜如圖1—3所示)。從頻譜的變化可以看出，一回路換水前與換水后的低頻頻譜相差不大，但一回路換水期間低頻頻譜在2—7 Hz范圍內(nèi)的振動分量明顯增大，這與換水期間1RCV332MV出現(xiàn)升高的趨勢是完全一致的。

圖1 一回路換水前0.1—20 Hz頻譜

圖2 一回路換水期間0.1—20 Hz頻譜

圖3 一回路換水后0.1—20 Hz頻譜

根據(jù)測試結果，可以確定導致該核電站1號機組3號上充泵非驅(qū)動端垂直方向在線振動探頭在一回路換水期間出現(xiàn)示值偏高及波動異常的根本原因為：1號機3號上充泵非驅(qū)動端垂直方向存在頻率為0—7 Hz的隨機低頻振動，其中處于在線振動探頭頻率測量范圍(2—1 000 Hz)內(nèi)的低頻振動分量較?。辉谝换芈窊Q水期間，頻率為2—7 Hz的隨機低頻振動分量顯著增大，在線振動探頭監(jiān)測到了這個變化，從而出現(xiàn)示值偏高及波動異常。

由于其他上充泵很少出現(xiàn)在線振動探頭示值偏高及波動異常，且這種異常完全隨機，因此無法再現(xiàn)故障以進行調(diào)查分析。將其他可能原因排除后，結合3號泵的調(diào)查結論，可以推斷導致該核電站1，2號機組上充泵在線振動探頭示值偏高及波動異常的根本原因為：上充泵存在頻率為0—7 Hz的隨機低頻振動，處于在線振動探頭頻率測量范圍(2—1 000 Hz)內(nèi)的低頻振動分量較??；當運行工況出現(xiàn)某種變化時，頻率為2—7 Hz的隨機低頻振動分量顯著增大，被在線振動探頭監(jiān)測到，從而出現(xiàn)示值偏高及波動異?，F(xiàn)象。

此外，還需要研究2014年底1RCV332MV 在一回路換水期間出現(xiàn)示值偏高及波動異常，以及與此同時1，2號泵在線振動探頭故障的頻度明顯降低的原因。推測這與N101大修期間上充泵進行3臺泵解體全檢有關(1，2號泵更換了泵軸，但3號泵未更換)。

4.4 環(huán)境溫度影響

在一回路換水期間，上充泵運行工況最大的變化為泵吸入口介質(zhì)溫度約下降10 ℃，因此可以推測環(huán)境溫度變化有可能對在線振動探頭產(chǎn)生不良影響。但這種可能性微乎其微，究其原因主要有以下3點：

(1) 10 ℃的溫度變化對在線振動探頭影響并不顯著，且在線振動探頭額定工作溫度為-40—85 ℃；

(2) 介質(zhì)溫度降低產(chǎn)生的熱傳導，其作用至在線振動探頭時已大大減弱，對在線振動探頭的表面溫度影響必定在10 ℃以下；

(3) 上充泵房間溫度在換水期間無明顯變化。

該核電站委托某核電計量中心對在線振動探頭進行了溫度穩(wěn)定性測試。測試結果表明：介質(zhì)溫度變化對在線振動探頭的輸出影響很小，不會導致示值升高或波動。

4.5 安裝力矩影響

上充泵在線振動探頭對最小安裝力矩并無明確要求，只限制最大安裝力矩限值為10 N·m，因此現(xiàn)場安裝時并未使用力矩扳手，導致安裝力矩無法統(tǒng)一。為驗證安裝力矩對在線振動探頭輸出是否存在影響，該核電站委托某核電計量中心對在線振動探頭進行了不同安裝力矩下的響應測試。測試結果表明：在安裝牢固無松動的前提下，安裝力矩對在線振動探頭的輸出影響很小。

4.6 電磁干擾影響

上充泵電機及其他電氣設備運行產(chǎn)生的電磁場可能對在線振動探頭產(chǎn)生干擾，但可能性很小，原因如下:

(1) 在一回路換水期間上充泵電機運行工況(主要是電流)并無明顯變化，現(xiàn)場電磁環(huán)境比較穩(wěn)定；

(2) 距離干擾源上充泵電機較近的驅(qū)動端在線振動探頭與距離其較遠的非驅(qū)動端在線振動探頭出現(xiàn)示值偏高及波動異常的頻度并無較大區(qū)別，而且在一回路換水期間出現(xiàn)示值偏高及波動異常的1RCV332MV位于3號上充泵非驅(qū)動端；

(3) 在線振動探頭電纜屏蔽層在現(xiàn)場CR箱內(nèi)接地，CR箱至機柜電纜屏蔽層在機柜內(nèi)接地，符合電力安裝規(guī)范。

4.7 輻照影響

輻照(主要指γ射線)對在線振動探頭可能產(chǎn)生的影響分2種：第1種是輻照可能對在線振動探頭造成干擾效應；第2種是長期輻照可能對在線振動探頭產(chǎn)生永久性的損壞。

首先，由于1RCV332MV波動與一回路換水存在極大的相關性，而一回路換水期間上充泵房間輻照條件并不會發(fā)生明顯變化。從統(tǒng)計意義上來說，如此強烈的相關性基本可以排除輻照干擾導致在線探頭示值偏高或波動異常的可能性，即可排除第1種可能性。

其次，倘若長期輻照對在線振動探頭產(chǎn)生不可逆的損壞，那么在線振動探頭校驗結果基本不可能合格，這樣可以排除第2種可能性。

最后，上充泵房間輻照約為3 μSv/h，相對而言非常微弱。

綜上分析，基本可以排除輻照造成以上異常的可能性。

5 內(nèi)外部經(jīng)驗反饋

該核電站3，4號機裝備的上充泵已國產(chǎn)化，但芯包仍由德國凱斯比公司提供。其在線振動探頭雖然型號發(fā)生變化，但頻率測量范圍為2—1 000 Hz，也有可能出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

據(jù)反饋，使用相同上充泵及在線振動探頭的核電站也存在類似現(xiàn)象。

6 結論及糾正行動

6.1 根本原因

導致該核電站1，2號機組上充泵在線振動探頭示值偏高及波動異常的根本原因為：上充泵存在頻率為0—7 Hz的隨機低頻振動，處于在線振動探頭頻率測量范圍(2—1 000 Hz)內(nèi)的低頻振動分量較??；當運行工況出現(xiàn)某種變化時，頻率為2—7 Hz的隨機低頻振動分量顯著增大，導致在線振動探頭監(jiān)測到變化，從而出現(xiàn)示值偏高及波動異常。

6.2 應關注的問題

上充泵在10 Hz以下低頻振動的激振原因及低頻振動對上充泵是否存在潛在危害，這些都需要相關專業(yè)做進一步分析。

6.3 糾正行動

根據(jù)泵廠家的分析報告及GB/T 29531—2013《泵的振動測量與評價方法》要求，建議將在線探頭換型為頻率測量范圍為10—1 000 Hz的探頭。

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