電動主給水泵軸位移傳感器零點(diǎn)標(biāo)定優(yōu)化方法

文 學(xué)

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

0.1 背景

某百萬千瓦級壓水堆核電站1～4 號機(jī)組APA（電動主給水泵系統(tǒng)，壓水堆核電站專用詞匯）均設(shè)計成3 列（兩用一備），泵非驅(qū)動端軸承室設(shè)計1 個電渦流式軸位移傳感器（H1 報警值：≥+130 μm 或≤-540 μm），其主要功能是監(jiān)測泵軸位移變化，以反映推力盤與推力軸承的相對位置，避免推力瓦異常磨損，保障設(shè)備運(yùn)行安全[1]。

在1～3 號機(jī)組運(yùn)行期間，APA 主給水泵（如不特別說明，本文指前置泵和壓力級泵）曾反復(fù)產(chǎn)生過軸位移高報警，影響了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)機(jī)組事故運(yùn)行規(guī)程：1 臺主給水泵停運(yùn)后備用泵啟動，會在切換時造成機(jī)組瞬態(tài)，對蒸發(fā)器水位控制有較大負(fù)面影響，不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行；一旦備用泵啟動不及時或失敗，則會導(dǎo)致機(jī)組大幅度快速甩負(fù)荷至50%負(fù)荷，甚至引起緊急停機(jī)停堆等瞬態(tài)。

經(jīng)核實(shí)，歷次軸位移高報警時的推力瓦溫度、軸承振動等參數(shù)正常且平穩(wěn)，故判斷為非推力瓦磨損所致的軸位移高報警故障。

0.2 設(shè)備簡介

APA 系統(tǒng)的前置泵和壓力級泵結(jié)構(gòu)原理基本一致，采用國外某公司供貨的雙吸入口離心式結(jié)構(gòu)。泵非驅(qū)動端設(shè)置了滑動式自調(diào)節(jié)推力軸承（圖1），其中驅(qū)動端側(cè)（電機(jī)側(cè)）設(shè)計為泵正常運(yùn)行時的受力側(cè)（工作瓦）；另一側(cè)為非工作瓦，承受特殊狀態(tài)下的反向推力。

APA 主給水泵軸位移傳感器的基本原理[2-3]：接通電源后，在前置器內(nèi)產(chǎn)生高頻電流信號，該信號通過電纜送到探頭，并在探頭頭部產(chǎn)生交變磁場H1。如果在磁場H1 的范圍內(nèi)有金屬導(dǎo)體接近探頭頭部，則交變磁場H1 將在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流場，該電渦流場也會產(chǎn)生一個方向與H1 相反的交變磁場H2（楞次定律）。

為了可靠地表征轉(zhuǎn)子位移方向（根本目的是監(jiān)測推力瓦磨損程度），一般規(guī)定：轉(zhuǎn)子向工作面（對APA 泵而言，是電機(jī)側(cè)）的位移是為正方向，反之為負(fù)。

泵在正常穩(wěn)定運(yùn)行時，根據(jù)泵葉輪與口環(huán)的尺寸設(shè)計，軸向力將使推力盤與工作面推力瓦貼合。故一般將推力盤與工作面推力瓦貼合的狀態(tài)設(shè)定為零點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)子顯示正位移時，即表示推力瓦存在磨損的目的。

在泵解體檢修等工作之后，需要將軸位移傳感器重新進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，以準(zhǔn)確顯示泵運(yùn)行過程中的軸位移量。

1 故障現(xiàn)象與原有標(biāo)定方法

1.1 故障現(xiàn)象

對2014—2017 年的1-3APA 系統(tǒng)主給水泵軸位移傳感器報警的19 個工單分析，得出軸位移高報警故障主要有如下現(xiàn)象。

（1）完成零點(diǎn)標(biāo)定后，在起泵初期軸位移則達(dá)到較高的數(shù)值（如從0 μm 達(dá)到約99 μm）。即零點(diǎn)標(biāo)定的準(zhǔn)確度不足。

（2）觸發(fā)軸位移高報警時，推力瓦溫度、軸承振動等參數(shù)平穩(wěn)正常，拆卸檢查確認(rèn)推力瓦及推力盤無異常磨損。即，故障為非推力瓦磨損所致的軸位移高報警。

1.2 原有的零點(diǎn)標(biāo)定方法

原有的APA 主給水泵軸位移傳感器零點(diǎn)標(biāo)定的主要過程：①測量檢查推力間隙是否合格；②將轉(zhuǎn)子推向推力軸承的工作面（電機(jī)側(cè)）貼合后松開；③調(diào)整傳感器位置，直到其輸出“0”位移值。

2 根本原因分析與優(yōu)化方法

根據(jù)故障現(xiàn)象、設(shè)備結(jié)構(gòu)等，列出可能導(dǎo)致故障的因素：①設(shè)計缺陷。即，設(shè)計不合理或不適用，而導(dǎo)致本故障；②環(huán)境影響。即外部電磁等干擾導(dǎo)致傳感器數(shù)值失真；③設(shè)備缺陷。傳感器或推力軸承組件等設(shè)備異常或損壞等原因，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)失真；④原零點(diǎn)標(biāo)定準(zhǔn)確度低。導(dǎo)致標(biāo)定所得的“零點(diǎn)”與實(shí)際零位偏差過大，從而在泵運(yùn)行（自動趨向于零位）產(chǎn)生軸位移高報警。

圖1 推力軸承工作瓦側(cè)結(jié)構(gòu)

采用魚骨圖工具，對本故障的根本原因分析如圖2 所示。

圖2 APA 主給水泵軸位移高報警魚骨圖分析

2.1 設(shè)計缺陷因素分析

電渦流傳感器廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)和泵類設(shè)備的軸位移和振動等監(jiān)測，具有較好的可靠性和通用性[4]。

本型號傳感器能可靠和靈敏測量的范圍是（0.3～4.3）mm，包含設(shè)計推力間隙（0.3～0.41）mm 的測量區(qū)間，保障了測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，即傳感器設(shè)計滿足測量要求。

2.2 環(huán)境影響因素分析

經(jīng)檢查確認(rèn)傳感器鄰近區(qū)域無電磁干擾的設(shè)備，且實(shí)際報警時運(yùn)行工況未改變。據(jù)此，排除環(huán)境影響導(dǎo)致軸位移高報警的可能。

2.3 設(shè)備缺陷因素分析

（1）傳感器缺陷因素分析。軸位移傳感器定位不良、接線松脫或線性度低等也可能導(dǎo)致示值誤差。對傳感器及其接線等檢查，確認(rèn)無松脫等異常。將傳感器、前置器等部件外送專業(yè)資質(zhì)機(jī)構(gòu)檢查確認(rèn)線性度等指標(biāo)合格，即傳感器不存在導(dǎo)致軸位移高報警的缺陷。

（2）推力軸承組件缺陷因素分析。結(jié)合推力軸承結(jié)構(gòu)，分析推力軸承組件缺陷可能導(dǎo)致軸位移零點(diǎn)標(biāo)定精度低，從而產(chǎn)生軸位移高報警的可能原因有：①推力瓦表面磨損或變形；②推力盤的傳感器測量位置破損或變形。

對上述分析現(xiàn)場檢查確認(rèn)：①經(jīng)檢查確認(rèn)推力瓦表面不存在磨損、變形或其他異常；②經(jīng)檢查確認(rèn)推力盤測量位置平整光滑無異常。據(jù)此，排除推力軸承組件缺陷導(dǎo)致軸位移高報警的可能。

2.4 原有零點(diǎn)標(biāo)定方法準(zhǔn)確度低分析

由于推力瓦塊的自適應(yīng)調(diào)節(jié)特性，瓦塊及其支撐塊均存在一定的移動范圍，若某一個或幾個瓦塊—平衡塊—支撐塊（單側(cè)共6 個瓦塊）與一側(cè)整體推力軸承動作不一致時，會導(dǎo)致在此處的推力盤-瓦塊間隙與推力盤-整體瓦面間隙不一致。當(dāng)泵正常運(yùn)行后，推力瓦塊的自適應(yīng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，原先的瓦塊因適應(yīng)油膜變化而重新自調(diào)整定位，可能使得推力盤沿著零點(diǎn)標(biāo)定時已有的殘余間隙往工作瓦側(cè)移動，從而造成軸位移超標(biāo)但其他參數(shù)均正常的現(xiàn)象。

選取1 臺前置泵，對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)圓周方向均分設(shè)置4 個測點(diǎn)，在4 個測點(diǎn)分別按照第2.2 節(jié)的方法測量“零位”（表1）。

從表1 分析可知，在180°方向與0°方向所得的“零點(diǎn)”值相差高達(dá)97 μm。即，將轉(zhuǎn)子向電機(jī)側(cè)頂起時（找零點(diǎn)），在推力軸承周向的不同位置，轉(zhuǎn)子能夠頂起的程度不同，這解釋了反復(fù)產(chǎn)生的“完成零點(diǎn)標(biāo)定，但起泵后軸位移即發(fā)生較大變化”的現(xiàn)象。

此外，經(jīng)實(shí)測發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)子在向電機(jī)側(cè)頂起過程中，轉(zhuǎn)子到達(dá)最大位置后，將轉(zhuǎn)子松開后，推力瓦塊存在大約（5～20）μm 的回彈量。

綜上可知，原有零點(diǎn)標(biāo)定方法因如下述缺點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備反復(fù)產(chǎn)生了軸位移高報警故障：①未考慮瓦塊彈量的影響，導(dǎo)致標(biāo)定的“零點(diǎn)”失真。②未考慮瓦塊組的周向動作不一致性，導(dǎo)致標(biāo)定數(shù)據(jù)失真。

2.5 零點(diǎn)標(biāo)定優(yōu)化方法

為消除原零點(diǎn)標(biāo)定方法的不足（未補(bǔ)償瓦塊回彈量和瓦塊組件周向動作不一致性），根據(jù)泵及傳感器原理，提出了消除瓦塊周向不一致性和回彈量所致誤差的零點(diǎn)標(biāo)定法。過程如下。

（1）標(biāo)點(diǎn)。在泵軸旋轉(zhuǎn)的圓周方向，平均間距標(biāo)記8 個點(diǎn)（或以上），并注意確保在轉(zhuǎn)軸上作出標(biāo)識，以便后續(xù)可靠定位泵軸旋轉(zhuǎn)到第X 點(diǎn)（圖3）。

（2）推力間隙測量。將泵轉(zhuǎn)子分別推向驅(qū)動端和非驅(qū)動端，測量并記錄推力間隙。

（3）將泵軸推向電機(jī)側(cè)，分別記錄第1 個點(diǎn)在保持頂起（Zx）和松開后（Sx）的傳感器軸位移值。

（4）旋轉(zhuǎn)泵軸，然后將泵軸推向電機(jī)側(cè)，分別記錄其余點(diǎn)在保持頂起和松開后的傳感器軸位移值。

（5）盤動泵軸至原始位置，檢查傳感器軸位移值是否回到原位。否則，需對傳感器儀控部件進(jìn)行檢查或調(diào)整。

（6）找出8 個（松開泵軸后的）測量點(diǎn)中，最大傳感器軸位移值Sx，max（代數(shù)值）位置。注意，若8 個點(diǎn)的松開后傳感器位移值全部為負(fù)數(shù)，則應(yīng)重新進(jìn)行上述步驟。

（7）分別計算8 個點(diǎn)的頂起和松開后的傳感器軸位移變化值，并讀取其最大（絕對）值Hmax（最大回彈量）。

（8）將泵軸旋轉(zhuǎn)至最大位移值（Sx，max）的位置。

（9）將泵軸頂向電機(jī)側(cè)后松開，記錄此時的傳感器位移值為a。

（10）計算最終的補(bǔ)充位移值C 為：

表1 推力軸承周向不同位置的轉(zhuǎn)子頂起測量

圖3 圓周標(biāo)點(diǎn)示意

（11）按照已計算的補(bǔ)償值C，將傳感器進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。即當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置，應(yīng)處于相對零位負(fù)方向，且距離為C 的位置。

2.6 效果驗證

根據(jù)優(yōu)化方法，在該電站1～4 號機(jī)組APA 主給水泵軸位移傳感器實(shí)施零點(diǎn)標(biāo)定，徹底解決了因零點(diǎn)標(biāo)定準(zhǔn)確度低而產(chǎn)生的軸位移高報警故障，取得了良好效果，避免了由此帶來的機(jī)組功率損失。此外，本方法不通過千斤頂?shù)葟?qiáng)力頂起轉(zhuǎn)子，既避免了因過度擠壓導(dǎo)致推力瓦面變形甚至與推力盤“吸緊”，也提高了工作效率。

3 結(jié)論與建議

（1）經(jīng)現(xiàn)場檢查，最終診斷出了APA 主給水泵軸位移標(biāo)準(zhǔn)確度不足的根本原因。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，提出了零點(diǎn)標(biāo)定優(yōu)化方法，并在1～4 號機(jī)組APA 主給水泵成功應(yīng)用，也為同類工作提供了參考。

（2）根據(jù)API 等有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，軸位移測量一般設(shè)計成兩個傳感器監(jiān)測，以便進(jìn)一步排除傳感器測量失真導(dǎo)致的誤報警，故建議后續(xù)的APA 泵設(shè)計制造時參考API 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計軸位移監(jiān)測裝置。