基于絕對(duì)位移的核反應(yīng)堆壓力容器振動(dòng)探測(cè)技術(shù)研究

楊泰波，羅 能，李 蕓，龐天楓

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610041）

0 引言

發(fā)展核電是人類解決能源危機(jī)的必然途徑之一，要想實(shí)現(xiàn)核電的長(zhǎng)期可靠發(fā)展，就必須保證核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。尤其是在2011年日本福島核電站泄漏事故之后，各國(guó)政府均紛紛開(kāi)始檢查在運(yùn)行核電站的安全狀況，審慎對(duì)待新核電站的興建，并加大對(duì)核反應(yīng)堆安全保障系統(tǒng)以及新型核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的投入。反應(yīng)堆壓力容器（簡(jiǎn)稱RPV）是核電站反應(yīng)堆及一回路的重要設(shè)備。壓力容器是放置反應(yīng)堆堆芯并承受巨大運(yùn)行壓力的密閉容器，它提供一個(gè)高度完整性的壓力邊界用以包容反應(yīng)堆冷卻劑、堆芯及裂變產(chǎn)物。RPV 是反應(yīng)堆冷卻劑的主要壓力邊界，也是防止放射性裂變產(chǎn)物逸出的第二道屏障，其振動(dòng)狀態(tài)關(guān)系堆芯安全。

壓力容器主要是強(qiáng)迫振動(dòng)，一般由堆內(nèi)構(gòu)件的振動(dòng)通過(guò)堆芯吊籃和壓力容器間的水層、以及通過(guò)堆內(nèi)構(gòu)件和壓力容器間的壓緊裝置引起，此外，主泵振動(dòng)或主系統(tǒng)流質(zhì)振動(dòng)也會(huì)引起壓力容器的強(qiáng)迫振動(dòng)。因此，對(duì)壓力容器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)不僅能了解壓力容器的狀態(tài)，還可有效獲取主回系統(tǒng)其余設(shè)備的振動(dòng)信息［1］。

法國(guó)為臺(tái)山核電［2-10］設(shè)計(jì)建造的EPR 三代核電站的振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（KIV）增加了壓力容器振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。德國(guó)于20世紀(jì)80年代就將COMOS（condition monitoring system）應(yīng)用于GKN 壓水堆和KKG 壓水堆，該系統(tǒng)在壓力容器頂蓋上設(shè)置了4個(gè)位移傳感器對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，從而盡早發(fā)現(xiàn)主設(shè)備的異常振動(dòng)狀況。俄羅斯DIAPROM 聯(lián)合股份公司研發(fā)的反應(yīng)堆及一回路振動(dòng)噪聲診斷系統(tǒng)（VNDS）在俄羅斯加里林核電站和中國(guó)田灣核電站1至4號(hào)機(jī)組得到了應(yīng)用［2-4］。對(duì)反應(yīng)堆及一回路主要設(shè)備（主循環(huán)回路、蒸汽發(fā)生器、主泵、堆內(nèi)構(gòu)件、管道）進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而使用反應(yīng)堆裝置設(shè)備的異常振動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合診斷，以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備由于固定狀況、設(shè)備嚴(yán)密性能改變或在冷卻劑側(cè)液壓動(dòng)態(tài)負(fù)荷的增加引起的異常振動(dòng)狀況［2］。

目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)核電站的壓力容器振動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析均是利用核電廠松脫部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)［5-6，12］，分 別來(lái)自壓力容器頂部的1個(gè)加速度信號(hào)和底部的3個(gè)加速度信號(hào)，這些加速度計(jì)用于探測(cè)高頻（1kHz以上）的松脫部件撞擊信號(hào)，而壓力容器的振動(dòng)主要為低頻［3］，且加速度傳感器的安裝位置不是分析壓力容器振動(dòng)的最佳探測(cè)點(diǎn)，這些加速度信號(hào)難以有效地分析出壓力容器的振動(dòng)。因此，需開(kāi)展適用于核反應(yīng)堆壓力容器振動(dòng)的在線探測(cè)技術(shù)和分析技術(shù)研究，利用核電站的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)振動(dòng)分析方法進(jìn)行驗(yàn)證，由此掌握壓力容器振動(dòng)探測(cè)和分析的核心技術(shù)，具備工程應(yīng)用和相關(guān)電站的數(shù)據(jù)分析能力，早期發(fā)現(xiàn)壓力容器的故障及其故障原因，保障核電站的安全可靠運(yùn)行［13-15］。

1 壓力容器振動(dòng)探測(cè)技術(shù)

1.1 探測(cè)技術(shù)研究

反應(yīng)堆壓力容器（簡(jiǎn)稱RPV）是核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)即一回路系統(tǒng)的重要設(shè)備。壓力容器是放置反應(yīng)堆堆芯并承受巨大運(yùn)行壓力的密閉容器，它提供一個(gè)高度完整性的壓力邊界用以包容反應(yīng)堆冷卻劑、堆芯及裂變產(chǎn)物。RPV 是反應(yīng)堆冷卻劑的主要壓力邊界，也是防止放射性裂變產(chǎn)物逸出的第二道屏障［16-19］。

壓力容器的強(qiáng)迫振動(dòng)主要由堆內(nèi)構(gòu)件的振動(dòng)通過(guò)堆芯吊籃和壓力容器間的水層、以及通過(guò)堆內(nèi)構(gòu)件和壓力容器間的壓緊裝置引起，此外，主泵振動(dòng)或主系統(tǒng)流質(zhì)振動(dòng)也會(huì)引起壓力容器的強(qiáng)迫振動(dòng)。因此，對(duì)壓力容器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)可有效獲取主回系統(tǒng)設(shè)備的振動(dòng)信息。依據(jù)IEC61502標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量壓力容器振動(dòng)的傳感器動(dòng)態(tài)位移范圍為±0.8mm，關(guān)注的振動(dòng)頻率為2～100Hz。

為獲得壓力容器垂直振動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)等振動(dòng)信息，傳感器呈90°間隔分布在壓力容器上部［7-8］。目前測(cè)量壓力容器振動(dòng)可采用兩種方案，一是使用絕對(duì)位移傳感器直接安裝在壓力容器頂蓋上，為適應(yīng)核島環(huán)境，絕對(duì)位移傳感器應(yīng)具備耐高溫耐輻照性能；一種是使用加速度傳感器安裝在壓力容器蓋頂上的立柱柱體側(cè)。

Sa為壓力容器動(dòng)態(tài)振動(dòng)位移（mm），h為傳感器靈敏度（mV／mm），A1為調(diào)理放大器倍數(shù)，V1為動(dòng)態(tài)振動(dòng)位移輸出電壓（V）。

圖1 壓力容器振動(dòng)噪聲探測(cè)原理

1.2 探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

基于上述的探測(cè)原理，對(duì)核反應(yīng)堆壓力容器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，其主要功能包括：1）絕對(duì)位移信號(hào)實(shí)時(shí)處理與數(shù)字化；2）振動(dòng)數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)與管理；3）振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)頻分析和特征量計(jì)算；4）壓力容器狀態(tài)與特征值趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析；5）數(shù)據(jù)處理和分析的結(jié)果進(jìn)行可視化展現(xiàn)。

進(jìn)一步開(kāi)展監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)總體包括4個(gè)絕對(duì)位移傳感器（圖2）及相應(yīng)電纜、信號(hào)處理機(jī)柜（含信號(hào)調(diào)理設(shè)備、振動(dòng)分析設(shè)備、電源、顯示器等）和振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

圖2 絕對(duì)位移傳感器

1.2.1 信號(hào)處理機(jī)柜

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了一個(gè)19寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，機(jī)柜外形尺寸為600mm（寬）×2 100mm（高）×800mm（深），其中高度尺寸已包括底座與吊耳。

機(jī)柜設(shè)前后門和側(cè)板，前后門密封采用密封膠條，發(fā)泡劑密封，側(cè)板采用螺釘安裝方式。機(jī)柜頂部四個(gè)角上4個(gè)安裝吊耳。機(jī)柜后門上部開(kāi)出風(fēng)孔，安裝2個(gè)風(fēng)扇。機(jī)柜底座上開(kāi)6個(gè)φ13地腳連接孔，用于現(xiàn)場(chǎng)安裝固定。機(jī)柜后部側(cè)面設(shè)置接地銅排，從機(jī)柜頂板進(jìn)入的接地銅纜連接到銅排上。機(jī)柜保護(hù)地與銅排連接。機(jī)柜后門設(shè)置風(fēng)扇，用做機(jī)柜內(nèi)部與外界熱交換。

1.2.2 信號(hào)調(diào)理設(shè)備

信號(hào)調(diào)理設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離、濾波、程控放大后輸出至振動(dòng)噪聲分析設(shè)備，切換自檢信號(hào)和輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自檢，實(shí)現(xiàn)對(duì)通道的異常檢測(cè)，如通道欠壓、過(guò)載、斷路。

調(diào)理設(shè)備外觀為一個(gè)4U 高度的19吋上架機(jī)箱，機(jī)箱前面板安裝信號(hào)調(diào)理板卡和通信控制板卡，共13個(gè)槽位。機(jī)箱前面板左下角的圓形按鈕式機(jī)箱的電源控制開(kāi)關(guān)，自帶LED 指示燈，如圖3所示，機(jī)箱后面板主要有信號(hào)輸入接口、輸出接口、RS232 通信接口、AC220 V 電源接口。機(jī)箱配備有通信控制板卡、絕對(duì)位移信號(hào)調(diào)理板卡，其中絕對(duì)位移信號(hào)板卡對(duì)應(yīng)相同的傳感器通道，主要針對(duì)不同機(jī)組在監(jiān)測(cè)壓力容器時(shí)使用不同傳感器的情況。

圖3 信號(hào)調(diào)理設(shè)備

機(jī)箱配備有通信控制板卡和絕對(duì)位移信號(hào)調(diào)理板卡，通信控制板卡是上位機(jī)與機(jī)箱通信的橋梁，上位機(jī)可通過(guò)通信控制板卡配置每張調(diào)理板卡上的放大倍數(shù)、耦合方式、傳感器供電控制等信息，通信接口為RS232。其他板卡的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 加速度信號(hào)調(diào)理模塊技術(shù)參數(shù)表

表3 絕對(duì)位移信號(hào)調(diào)理板卡

1.2.3 振動(dòng)分析設(shè)備

振動(dòng)分析設(shè)備為NI-1044總線機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)的模塊都按3U 標(biāo)準(zhǔn)PXI總線模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于對(duì)中子噪聲信號(hào)定期采集和分析，對(duì)絕對(duì)位移、相對(duì)位移和壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采集、分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)與波形顯示、數(shù)據(jù)管理和離線分析。機(jī)箱及機(jī)箱內(nèi)的模塊組成見(jiàn)表4。

表4 振動(dòng)噪聲分析設(shè)備清單

1.2.4 監(jiān)測(cè)軟件

振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，采用LabVIEW2018進(jìn)行開(kāi)發(fā)，程序架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有良好的擴(kuò)展性，便于后續(xù)二次開(kāi)發(fā)［20］。數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL server 2012對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及管理。

軟件功能包括：1）主界面展示反應(yīng)堆一回路主設(shè)備及傳感器位置、系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)以及異常事件信息；2）監(jiān)測(cè)通道時(shí)域波形實(shí)時(shí)顯示；3）對(duì)選擇的監(jiān)測(cè)通道噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，每次采集最大時(shí)間間隔為10s；4）監(jiān)測(cè)通道時(shí)域波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：分為觸發(fā)異常時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和定期對(duì)數(shù)據(jù)以文件的格式進(jìn)行存儲(chǔ)；5）監(jiān)測(cè)通道數(shù)據(jù)特征計(jì)算：計(jì)算采集和歸一化后各通道特，并存儲(chǔ)到特征數(shù)據(jù)庫(kù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)增改刪查功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)加密導(dǎo)出功能；6）監(jiān)測(cè)通道超閾值觸發(fā)：對(duì)于觸發(fā)超閾值事件進(jìn)行記錄、展示；7）異常事件處理：對(duì)異常事件發(fā)生事件所處的波形進(jìn)行回顯，顯示所處事件的時(shí)域波形和自功率譜密度波形；監(jiān)測(cè)通道歷史數(shù)據(jù)特征的趨勢(shì)展示：提供監(jiān)測(cè)通道數(shù)據(jù)單個(gè)特征和多個(gè)特征的趨勢(shì)展示功能，同時(shí)展示特征的上下限制；8）監(jiān)測(cè)通道之間互信息計(jì)算：對(duì)于同一時(shí)刻數(shù)據(jù)通道之間計(jì)算互功率譜密度、相干函數(shù)以及相位，并顯示不同通道之間自功率譜密度、互功率譜密度、相干函數(shù)譜和相位譜對(duì)比，提供多圖譜游標(biāo)關(guān)聯(lián)功能和多通道對(duì)比顯示功能；9）硬件參數(shù)設(shè)置：相關(guān)硬件參數(shù)設(shè)置；10）算法參數(shù)設(shè)置：配置算法所需參數(shù)；11）監(jiān)測(cè)通道的I／O 輸出：按指定通過(guò)I／O 板卡接收及發(fā)送信息與信號(hào)調(diào)理機(jī)箱、傳感器采集設(shè)備建立通信；12）監(jiān)測(cè)通道的校準(zhǔn)功能：對(duì)于絕對(duì)位移傳感器提供檢定功能與相關(guān)硬件建立通信，讀取設(shè)備故障信息，通道I／O 板卡以指定指令的方式通過(guò)報(bào)警處理設(shè)備；13）報(bào)告自動(dòng)生成：軟件能自動(dòng)生成初步報(bào)告和熱位移報(bào)告。

以下對(duì)軟件的重點(diǎn)模塊進(jìn)行詳細(xì)描述：

1）主界面監(jiān)測(cè)模塊：通過(guò)登錄模塊輸入正確的用戶名及密碼后，系統(tǒng)進(jìn)入軟件主回路界面如圖4所示。主界面菜單位于頂部，包括：用戶管理，機(jī)組參數(shù)，硬件參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)，監(jiān)測(cè)開(kāi)始，監(jiān)測(cè)停止，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，校準(zhǔn)，波形查看，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)查詢和系統(tǒng)退出的功能按鈕。

圖4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)主界面

2）硬件參數(shù)模塊：從主界面中點(diǎn)擊 “硬件參數(shù)”菜單按鈕進(jìn)入到硬件參數(shù)配置模塊。硬件配置模塊根據(jù)硬件采集板卡分頁(yè)顯示，1塊PXI 6123板卡支持40路信號(hào)采集，可通過(guò)工位號(hào)靈活配置和匹配物理采集通道。PXI 6220作為原始加速度信號(hào)采集通道。

系統(tǒng)初始化時(shí)，讀取硬件配置系統(tǒng)文件數(shù)據(jù)，在配置表格中默認(rèn)顯示。用戶可通過(guò)雙擊配置表格參數(shù)單元格對(duì)配置參數(shù)進(jìn)行修改。修改完成后，點(diǎn)擊 “參數(shù)配置”按鈕，可將配置修改后的參數(shù)重新寫入配置文件進(jìn)行保存，與信號(hào)調(diào)理相關(guān)參數(shù) “放大倍數(shù)” “信號(hào)AC／DC 耦合方式”以及“傳感器24 V 電源使能”或 “IEPE 激勵(lì)使能”通過(guò)RS232通信協(xié)議下發(fā)。

拖動(dòng)配置表水平滾動(dòng)條，可進(jìn)行更多參數(shù)的查看和配置。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行模式：配置硬件參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)后，在主界面中點(diǎn)擊 “開(kāi)始監(jiān)測(cè)”菜單按鈕系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式。在系統(tǒng)運(yùn)行模式下，“監(jiān)測(cè)停止”“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”“波形查看”“校準(zhǔn)”菜單被激活使能。點(diǎn)擊 “數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”，系統(tǒng)將按照系統(tǒng)配置中設(shè)置的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，主回路界面手動(dòng)存儲(chǔ)，指示燈點(diǎn)亮。點(diǎn)擊 “校準(zhǔn)”菜單按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入校準(zhǔn)界面。通過(guò) “波形查看”菜單可以查看實(shí)時(shí)采集信號(hào)波形，右擊波形圖，可通過(guò)菜單進(jìn)行信號(hào)選擇配置。通過(guò)“停止監(jiān)測(cè)”菜單將運(yùn)行模式切換到離線分析模式。

4）數(shù)據(jù)分析模塊：在離線分析狀態(tài)下從主界面中點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)分析”菜單按鈕進(jìn)入到數(shù)據(jù)分析模塊，如圖5所示。數(shù)據(jù)分析包括信號(hào)時(shí)域分析，頻域分析（自功率分析和互功率分析）和特征量趨勢(shì)分析。手動(dòng)輸入特征量后，點(diǎn)擊“特征量保存”按鈕可將特征量保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。在特征量瀏覽中可選擇查看特定時(shí)間段保存的特征量，并可進(jìn)行異常數(shù)據(jù)刪除處理。

圖5 數(shù)據(jù)分析界面

數(shù)據(jù)分析包括信號(hào)時(shí)域分析，頻域分析（自功率譜分析和互功率譜分析），特征量趨勢(shì)圖分析等。在互功率譜分析中，需要進(jìn)行信號(hào)配對(duì)分析，根據(jù)傳感器測(cè)量點(diǎn)布置情況，設(shè)計(jì)信號(hào)配置模塊，如圖6所示，既可選擇系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定的配對(duì)組合，也可通過(guò)手動(dòng)配置模式自由配對(duì)。在互功率分析圖表中，幅度頻譜，相位頻譜，相干因數(shù)游標(biāo)X值進(jìn)行關(guān)聯(lián)移動(dòng)，方便找出特征頻率，并在動(dòng)態(tài)信息表格中顯示。手動(dòng)輸入特征量后，點(diǎn)擊 “特征量保存”按鈕可將選取特征量保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。在特征量瀏覽中可選擇查看特定時(shí)間段保存的特征量，并可進(jìn)行異常數(shù)據(jù)刪除處理。在特征量趨勢(shì)圖頁(yè)中，可設(shè)置選擇開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)更新該時(shí)間范圍內(nèi)存儲(chǔ)的特征量進(jìn)行顯示，同時(shí)可通過(guò)選擇特征量類型，顯示指定類型的特征量，如圖6所示。軟件有完備的報(bào)告生成功能，在完成數(shù)據(jù)分析后，可根據(jù)需求選擇日常定期報(bào)告，手動(dòng)分析單次報(bào)告和周期趨勢(shì)報(bào)告等多類報(bào)告。

圖6 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

1.3 探測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量性能［17］在DC-20000-250數(shù)字式電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由DC-20000-250電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、SC-1515水平滑臺(tái)、1 200 mm×1 200 mm 垂直附加臺(tái)面、K2數(shù)字式振動(dòng)控制儀以及OFV-5000-S激光測(cè)振儀組成，臺(tái)面配備有M16×35螺栓，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生正弦標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)，激光振動(dòng)儀的測(cè)量信號(hào)作為校準(zhǔn)信號(hào)。

電磁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)主要參數(shù)如下：

振動(dòng)頻率范圍：3～2 500 Hz；額定推力：120kN；額定沖擊力：240kN；額定加速度：980 m／s2；額定速度：2m／s；額定位移（峰-峰值）：51 mm；最大負(fù)載：2 000 kg；臺(tái)面尺寸：1 500×1 500（mm2）；臺(tái)面（運(yùn)動(dòng)部件）一階共振頻率：＞600Hz。

在電磁振動(dòng)臺(tái)上安裝好絕對(duì)位移傳感器，如圖5所示。連接好前端傳感器與后端機(jī)柜。以安裝在振動(dòng)臺(tái)上一同進(jìn)行測(cè)量的OFV-5000-S 激光測(cè)振儀的信號(hào)作為對(duì)比參考信號(hào)。

1）數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能測(cè)試：依次進(jìn)入日常數(shù)據(jù)庫(kù)查詢界面，檢查軟件是否可以按照設(shè)定的條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢；進(jìn)入異常數(shù)據(jù)庫(kù)查詢界面，檢查軟件是否可以按照設(shè)定的條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢；進(jìn)入數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析界面，檢查界面是否生成符合設(shè)定條件的特征量趨勢(shì)圖。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能符合測(cè)試要求。

2）軟件監(jiān)測(cè)功能測(cè)試：運(yùn)行軟件讀取電站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，依次進(jìn)入監(jiān)視主界面、波形顯示界面和波形分析界面，檢查監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示、超閾值報(bào)警、時(shí)頻計(jì)算分析、異常數(shù)據(jù)存取和報(bào)告顯示功能等。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的軟件監(jiān)測(cè)功能符合測(cè)試要求。

3）系統(tǒng)幅度響應(yīng)性能測(cè)試：OFV-5000-S激光振動(dòng)儀所測(cè)信號(hào)，由上往下依次為所測(cè)加速度，信號(hào)幅度與頻率；圖7系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與計(jì)算所得結(jié)果，由上往下依次為原始信號(hào)與頻譜，絕對(duì)位移信號(hào)的波形與頻譜。

圖7 測(cè)試結(jié)果（振幅0.5mm，頻率20Hz）

具體測(cè)試數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表5，通過(guò)測(cè)試，絕對(duì)位移探測(cè)系統(tǒng)性能合格，幅度放大線性誤差≤10%，頻率保持一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 絕對(duì)位移探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試記錄

2 壓力容器振動(dòng)分析技術(shù)

2.1 振動(dòng)幅度分析

計(jì)算分析反應(yīng)堆壓力容器振動(dòng)位移幅度，對(duì)比壓力容器運(yùn)行振動(dòng)正常值和運(yùn)行限值，可判斷當(dāng)前主設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)。對(duì)振動(dòng)幅度進(jìn)行長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析，可獲取壓力容器的老化及支撐劣化信息。

式中，Sr為壓力容器振動(dòng)位移（mm），m為絕對(duì)位移傳感器靈敏度（mV／mm），A1為調(diào)理放大器倍數(shù)，V1為絕對(duì)位移輸出電壓（V）。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步采集振動(dòng)位移信號(hào)V（t），計(jì)算得到振動(dòng)位移電壓信號(hào)的最大值（一個(gè)采用周期），并轉(zhuǎn)換成物理量，與設(shè)置的振動(dòng)閾值進(jìn)行比較，判斷一回路主系統(tǒng)設(shè)備是否振動(dòng)超限，若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)振動(dòng)信號(hào)超閾值達(dá)到一定次數(shù)，則發(fā)出超值警告或超值報(bào)警。利用數(shù)據(jù)庫(kù)定期儲(chǔ)存振動(dòng)位移幅值和壓力脈動(dòng)值，對(duì)振動(dòng)位移幅值進(jìn)行長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析，可獲取系統(tǒng)設(shè)備的老化及支撐劣化信息。

通過(guò)對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化可得到振動(dòng)信號(hào)的頻域信息［15］，再通過(guò)運(yùn)用頻域信號(hào)計(jì)算自、互功率譜、相干和相位，獲得相關(guān)振動(dòng)模態(tài)特征量。

振動(dòng)噪聲信號(hào)為V1（t）和V2（t），V1（t）和V2（t）的傅里葉變換為V1（f）和V2（f）。

V1（t）自譜為：

V1（t）功率譜密度（PSD）為：

式中，Δf為通道的基本帶寬，或是（分析頻率）／（點(diǎn)數(shù)）。

V1（t）和V2（t）之間的互譜為：

V1（t）和V2（t）互功率譜密度（CPSD）為：

V1（t）和V2（t）的相干函數(shù)Γ2為：

2.2 振動(dòng)模態(tài)分析

對(duì)核反應(yīng)堆壓力容器的振動(dòng)模態(tài)分析包括固有振動(dòng)頻率和振型分析，主要目的是：

1）跟蹤壓力容器固有頻率變化趨勢(shì)（趨勢(shì)分析），結(jié)合專家知識(shí)，確定壽期內(nèi)振動(dòng)狀態(tài)的變化，早期發(fā)現(xiàn)壓力容器的故障及其故障原因［19］。

2）尋找新型振動(dòng)特征（新出現(xiàn)的振動(dòng)特征譜），如邊帶（在已知特征譜周圍出現(xiàn)）、諧波出現(xiàn)或加強(qiáng)［18］。新譜線可能預(yù)示壓力容器故障。

3）結(jié)構(gòu)老化現(xiàn)象。壓力容器的振動(dòng)幅度可能變化不大，但振動(dòng)特征（如特征頻率漂移、噪聲源的特征譜相互疊混等）時(shí)有發(fā)生變化，這些變化預(yù)示著壓力容器結(jié)構(gòu)的老化程度［13］。

4個(gè)絕對(duì)位移傳感器安裝在反應(yīng)堆裝置同相關(guān)的信號(hào)。實(shí)踐表明，4個(gè)絕對(duì)位移傳感器信號(hào)的自功率譜相互之間很接近，而主要差別在于相互特性，其中主要的是相干和相位差［11，14］。而且，在該頻率上相干值愈高，相位差的評(píng)價(jià)就愈可信。反應(yīng)堆壓力容器固有振動(dòng)可根據(jù)對(duì)絕對(duì)位移傳感器信號(hào)相位進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)絕對(duì)位移傳感器信號(hào)進(jìn)行相干和相位分析，可有效獲得壓力容器的固有振動(dòng)［16］，本文關(guān)注壓力容器的垂直振動(dòng)、圓周振動(dòng)和梁式振動(dòng)，如圖8所示。

圖8 反應(yīng)堆壓力容器振動(dòng)相位關(guān)系

1）所有絕對(duì)位移傳感器信號(hào)零相——壓力容器垂直振動(dòng)；

2）相鄰絕對(duì)位移傳感器信號(hào)的所有相位90°——圓周振動(dòng)；

3）相鄰絕對(duì)位移傳感器信的相位0°和180°——梁式振動(dòng)。

3 核電站數(shù)據(jù)分析

利用某核電2號(hào)機(jī)組一個(gè)燃料周期的壓力容器互成90°的兩個(gè)絕對(duì)位移數(shù)據(jù)，結(jié)合本文提出的分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)反應(yīng)堆壓力容器狀態(tài)進(jìn)行判斷，以保證核電安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 壓力容器振動(dòng)幅度分析

定期采集數(shù)據(jù)并分析壓力容器的振幅，如圖9 所示，在燃料周期內(nèi)，壓力容器的最大振幅0.32μm，最小振幅0.24μm，振幅約0.27μm。由此說(shuō)明，壓力容器在該燃料周期內(nèi)振幅正常，振動(dòng)平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常情況。

圖9 燃料周期內(nèi)壓力容器振動(dòng)幅度變化趨勢(shì)

3.2 壓力容器振動(dòng)模態(tài)分析

對(duì)壓力容器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，獲取壓力容器的固有振動(dòng)頻率。圖10是壓力容器相鄰絕對(duì)位移傳感器信號(hào)的互功率譜和相干函數(shù)。在10.27Hz處，絕對(duì)位移傳感器信號(hào)具有高度的相干性，且所有相位差都接近于0°，說(shuō)明壓力容器在的垂直振動(dòng)固有頻率為10.27Hz。在21.95Hz處，絕對(duì)位移傳感器信號(hào)具有高度的相干性，且所有相位差都接近于180°，說(shuō)明壓力容器在的梁式振動(dòng)固有頻率為21.95Hz。

圖10 相鄰絕對(duì)位移傳感器信號(hào)相關(guān)性

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了核反應(yīng)堆壓力容器振動(dòng)探測(cè)及分析技術(shù)，結(jié)論有：

1）獲得了基于絕對(duì)位移傳感器對(duì)壓力容器進(jìn)行在線探測(cè)的方法，開(kāi)發(fā)了并驗(yàn)證了探測(cè)系統(tǒng)，研究了壓力容器振動(dòng)幅度和模態(tài)分析方法。

2）運(yùn)用該方法處理來(lái)自國(guó)內(nèi)某核電2號(hào)機(jī)組一個(gè)燃料周期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到壓力容器的振動(dòng)幅度及趨勢(shì)、振動(dòng)固有頻率和振型，結(jié)果表明壓力容器振動(dòng)狀態(tài)正常。

利用研究成果，對(duì)壓力容器振幅和模態(tài)進(jìn)行分析，獲得其振動(dòng)特性，可通過(guò)對(duì)振幅和固有振動(dòng)頻率的長(zhǎng)期跟蹤，判斷壓力容器的振動(dòng)狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)潛在的異常，以保障反應(yīng)堆安全可靠運(yùn)行。