吳偉，江麗娟，偶建磊

HFETR主泵振動測量數據偏差處理方法＊

吳偉，江麗娟，偶建磊

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610200）

針對HFETR故障診斷系統(tǒng)（簡稱“ZXR-2000”）主泵振動數據采集裝置偏差較大的問題，結合主泵結構及傳感器特點，設計了一套具備水平、垂直和軸向三個維度的傳感器位置調節(jié)專用支架，并采用有限元分析軟件ANSYS13.0對主泵和支架的三維實體模型進行了模態(tài)分析，計算結果顯示專用支架置于主泵間可有效避免共振發(fā)生導致的測量偏差。同時應用實踐表明，加裝該專用支架的故障診斷系統(tǒng)的監(jiān)測數據偏差明顯減小，驗證了專用支架設計合理，與模態(tài)分析結論相符。

主泵振動；模態(tài)分析；專用支架；故障診斷

HFETR運行至今已40余年，其反應堆一回路系統(tǒng)配備了5臺SC-1級的103型主循環(huán)泵（簡稱主泵）。該泵執(zhí)行一回路系統(tǒng)冷卻劑循環(huán)功能，其運行狀態(tài)納入重點監(jiān)控范圍。由于長期處于放射性環(huán)境，目前已進入老化階段，維修頻次逐年增加，設備故障風險較大。前期運行期間主要依靠運行人員采取就地間隔聽診方式進行離線監(jiān)測。維修方面主要采取兩年一次預防性維修，對潤滑油、易損件、密封件、軸承等進行更換。人員聽診方式完全依賴于經驗，設備故障先期判斷難度較大。而預防性維修方式的拆卸過程也會對泵結構性能造成一定額外損傷，直接影響泵的使用壽命。反應堆主泵運行時伴隨有振動、噪聲、發(fā)熱等現象，其中噪聲易受環(huán)境噪聲干擾影響不便監(jiān)測，而振動特性（振動位移、振動速度、振動加速度等）則直接反映主泵的運行狀態(tài)，受外界影響小[1-2]。因此振動監(jiān)測是掌握主泵運行狀態(tài)最為有效的技術途徑，為此引進ZXR-2000系統(tǒng)用于振動監(jiān)測。由于結構設計原因，HFETR配置的103型主泵磁鐵式振動加速度傳感器難以被固定在泵體相應位置。主泵工藝間內環(huán)境劑量水平偏高，人員操作輻射風險較高，必須設計一套具備水平、垂直和軸向三個維度的傳感器位置調節(jié)專用支架。更為重要的是，位置調節(jié)專用支架必須有效避免主泵和振動數據采集裝置發(fā)生共振導致的測量偏差問題，為設計和應用提出了較高要求。本文以主泵模態(tài)分析和無特定措施條件下的ZXR-2000系統(tǒng)振動數據監(jiān)測情況為基礎，討論并選定數據優(yōu)化采集策略，設計位置調節(jié)專用支架，通過分析和實測，驗證比較設計位置調節(jié)專用支架策略的應用效果。

1 模態(tài)分析

主泵模態(tài)分析是振動測量分析策略、無特定措施數據測量、專用支架設計與分析驗證等工作的基礎，準確的模態(tài)分析數據為解決策略的選擇做數據支撐。

103型主泵由泵體、主軸、葉輪、軸承座、軸承座支架、電機及基座等部件構成。葉輪、軸承等安裝在主軸上，軸承采用軸承座進行固定，電機通過穿墻軸與主軸連為一體。泵體是主要部件，承受工作內壓，軸承作為泵體與轉動部件間的中間傳遞，泵出入口通過法蘭與主管道相連。泵殼和支架被固定到底座之上，而底座通過螺栓固定在地面。

主泵模型的材料特性：泵殼、泵蓋材料為1Cr18Ni9Ti，軸承體、支架和底座材料為HT25-47。

主泵振動受電機、穿墻軸、墻體、基座等多種復雜因素影響。在劣化過程中泵體會出現振動加劇現象，過大的振動極易造成主泵內部結構破壞。本文在建立主泵有限元模型時，對整個系統(tǒng)的物理結構做一定簡化處理，即不考慮結構細微特征，如小的倒角、倒圓、凸臺等[4]。而對于主泵模態(tài)分析而言，此種簡化處理對分析結果的影響非常小。利用ansys13.0workbench的網格劃分功能進行有限元自由網格劃分。因固有頻率和振型主要取決于結構質量和剛度分布情況，不存在類似應力集中的現象，采用均勻網格可以使結構剛度矩陣和質量矩陣的元素不致相差太大，有利于提高計算精度和節(jié)約計算時間。在行有限元求解前須加載邊界條件，根據主泵現場實際的連接形式，底座與安裝基礎固定連接，對底座底面施加一個完全固定約束；支架、軸承座、泵殼、底座間靠螺栓連接，兩接觸面之間施加“bonded”類型的接觸約束，該約束能使接觸面之間不產生相對運動。此外對整個模型施加標準的慣性載荷，即慣性速度設為9.8 m/s2。主泵進出口法蘭與主管道系統(tǒng)相連，主管道系統(tǒng)在進出后法蘭接口位置對主泵有載荷作用，該類型載荷屬預應力載荷范疇。根據有限元模態(tài)分析的理論知識，欲求解具有預應力載荷模型的模態(tài)，首先應對其進行靜力分析，將分析結果作為模態(tài)分析的輸入條件之一。本文對主泵一～六階模態(tài)進行了分析，并分別給出了一階模態(tài)和三階模態(tài)分析結果，如圖1所示。

圖1 主泵有限元模型及一階和三階模態(tài)分析結果

主泵一～六階模態(tài)分析結果對比如下：一階模態(tài) 102.24 Hz，參與質量系數最大，泵殼處變形量為1.12 mm；三階模態(tài)為189.47 Hz，該模態(tài)下變形量最大，軸承座位置變形量為1.48 mm。

2 振動數據采集

在主泵模態(tài)分析基礎上，通過應用ZXR-2000故障診斷系統(tǒng)在無特定措施條件下測量主泵振動數據，對監(jiān)測數據進行分析，獲得“振動衰減”的原因追溯，為后續(xù)應對數據監(jiān)測策略分析提供實驗支撐。

根據HFETR現場的實際需求，配置了4通道的ZXR-2000故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有離、在線振動分析功能，通過專用的振動信號處理采集板，獲得現場振動信號，結合綜合分析軟件來實現設備的故障診斷。該系統(tǒng)由數據采集、數據轉換、數據傳遞、數據處理、數據顯示等組成，其中數據采集功能由磁鐵式振動加速度傳感器完成；數據處理通過故障診斷系統(tǒng)頻譜分析功能，將采集的時域數據經快速傅里葉轉化為頻譜圖，通過譜特征分析，結合主泵結構及運行特點進行故障診斷和預判，該系統(tǒng)數據流程如圖2所示。

圖2 主泵故障診斷系統(tǒng)的數據流程

數據采集點選擇是數據采集最關鍵的環(huán)節(jié)，應遵循的原則：對振動敏感、信息豐富、適應診斷目的、符合安全操作的要求、滿足診斷系統(tǒng)通道、適于傳感器安裝等?；趯χ鞅媒Y構的分析，軸承作為泵體與轉動部件的中間環(huán)節(jié)，轉動部件產生的沖擊、振動、偏心載荷等均通過軸承傳遞給泵體，軸承位置的信息較為豐富。

主泵模態(tài)分析結果：對轉動部件帶來的激勵軸承座振動響應更為敏感，因此軸承座為最佳的數據采集點。具體布置是在1#主泵軸承座水平、豎直、軸向三個方向各設一個數據采集點，如圖3所示。

圖3 主泵振動測點分布圖

在ZXR-2000系統(tǒng)現場使用中采用粘接劑輔助固定傳感器，在垂直向和水平向填充粘接劑厚度不均勻。該安裝方式優(yōu)點是操作簡單，對泵體結構不產生損傷，選點靈活，隨意性大。難點在于粘接劑的用量對傳感器頻率是否響應良好有關鍵影響，但最佳用量難以通過定量分析確定。當泵體表面為弧形結構時，粘接劑厚度控制難度將更大，因此實際應用較少采用粘接的安裝方式。缺點是不同批次之間采集的數據偏差會較大。2019-07運行人員通過ZXR-2000系統(tǒng)在不同時間段采集了軸承座水平、垂直、軸向測點位置的振動加速度數據，單次采集周期為2 000 s，泵轉速均為980 r/min。

通過分析對比數據，發(fā)現相同測點不同時間段采集的數據偏差較大。以1#主泵水平測點數據為例，如圖4和圖5所示。

圖4 主泵水平測點振動加速度數據1

圖5 主泵水平測點振動加速度數據2

07-11某時段數據結果：振動頻率為100 Hz時出現最大加速峰值0.18 m/s2，時間段內的加速度峰值為0.39 m/s2。

07-12某時段數據顯示：振動頻率為100 Hz時出現最大加速峰值0.12 m/s2，時間段內的加速度峰值為0.28 m/s2。

通過頻譜圖和時間歷程譜分析數據對比顯示：頻率為100 Hz時，振動最為劇烈，加速度出現峰值，與理論分析的主泵一階模態(tài)接近。前后兩時間段之間加速度在幅值和峰值上偏差較大。

出現上述“振動衰減”現象的原因，包括主泵自身原因、診斷系統(tǒng)原因、環(huán)境因素，都可能對測量值產生影響[2]。具體如下：①受環(huán)境振動因素影響，導致傳感器數據發(fā)生零點漂移；②管線和泵體間連接不牢固，這些微振可能通過流體傳遞給管線，在管路系統(tǒng)剛度不夠的情況下發(fā)生共振；③泵底座與基礎連接出現松動，當泵本身的振動和基礎的振動頻率接近時，引發(fā)振動加劇；④泵殼受自身振動或其他因素影響發(fā)生變形，造成轉子與殼體不同心；⑤泵轉子不平衡的影響因素，包括轉子系統(tǒng)的質量偏心及轉子部件的缺損；⑥一次水對管道產生壓力脈動，流體遇到管線的直角彎頭時，流體對轉彎處管壁產生很大的力。

經過現場對管線和泵體間法蘭連接情況、泵底座與基礎連接狀況檢查后，①和②因素被排除；在主泵大修時，拆開主泵對其泵殼變形、轉子平衡性檢查后，③和④因素被排除；主回路運行時，一次水流量、壓力、溫度基本穩(wěn)定，所產生的壓力脈動對不同時間段采集的數據偏差影響很小。主泵處于同一房間，受環(huán)境的影響基本相同，因此環(huán)境對采集數據偏差影響可忽略不計。最后偏差的原因只可能是故障診斷系統(tǒng)自身。通過排查發(fā)現傳感器與主泵表面通過粘接固定，數據采集過程中傳感器受主泵振動影響測點位置發(fā)生偏離。

3 解決策略分析

在主泵模態(tài)分析和無特定措施條件下測量主泵振動數據監(jiān)測實驗基礎上，針對“振動衰減”問題，本文提出了幾種解決策略。

策略一：在泵體上焊接用于固定傳感器的金屬附件。采用該方法施焊過程中，泵體局部發(fā)生熱膨脹和冷卻收縮，形成較大內應力。在主泵長期運行時，持續(xù)的振動可能促使角焊縫形成裂紋，同時對主泵結構可能造成不可逆的影響。主泵為安全1級設備，需面臨復雜的焊接工藝評定問題；該方案技術上可行，但在振動工況下的焊縫質量得不到保障。

策略二：在泵體上開孔用于安裝傳感器支架等。該方案優(yōu)點在于可實現傳感器的良好固定，但缺點是損傷主泵結構，開孔數量較多，對泵體造成局部永久破壞。

策略三：根據主泵結構特點，設計一套專用支架。該支架要求與主泵、傳感器之間具備良好的安裝接口，不對主泵結構造成損傷，便于現場快速安裝和拆卸。

通過對比，本文擬采用第三種解決策略。

4 專用支架設計

按第三種解決策略的總體思路，本文設計了一套專用支架，可同時滿足水平、垂直和軸向傳感器固定需求，結構如圖6所示。該支架采用抱箍式原理設計，抱箍上部分設有安裝平臺，帶中空的外螺紋連桿被固定在該平臺之上，螺桿下端固定振動速度傳感器；通過螺紋副可實現螺桿沿軸承座徑向伸縮量調節(jié)，螺母有定位功能；上下抱箍上開有M14螺紋孔，旋進螺母頂緊軸承座實現抱箍周向定位。為避免專用支架與泵體發(fā)生共振，對其進行模態(tài)分析。

支架采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料，材料特性不贅述。網格劃分采用“Hex Dominant Method”，有限元模型大部分為六面體，少數為四面體；單元大小控制在3 mm以內。另外影響結果準確性的重要因素是邊界約束條件，支架與軸承座緊密貼合且無相對位移，因此對支架抱箍內表面施加固定約束。通過試算發(fā)現，支架上抱箍平臺的變形量相對較大，因此設計時采用局部加強結構剛度的方法。實際安裝時，所有連接螺栓、定位螺栓擰緊。

通過模態(tài)分析求得支架一階固有頻率為1 307，該值遠高于主泵電機工作轉速頻率和主泵體固有頻率10倍以上，因此不易發(fā)生共振。即使有共振現象發(fā)生，共振頻率高達上千，對振動加速度的影響非常小。

實施情況：采用專用支架重新對1#主泵軸承座水平、垂直和軸向進行數據采集。不同時間段之間最大加速度幅值和峰值偏差明顯減小。證明本文采取的解決措施合理、有效。

5 結論

通過上述分析和論證表明，文中設計的專用支架解決了傳感器在主泵軸承座三個測點位置的安裝問題，消除了測量數據偏差大的問題，充分驗證了本文采取的處理策略合理和可行性，對準確掌握主泵運行狀態(tài)，減少運行人員所受輻射劑量具有積極意義。同時，對于核電站和研究堆主泵故障診斷系統(tǒng)配置具有重要的借鑒意義。

TM623

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.024

2095－6835（2020）12－0060－03

中國核動力院青年基金

吳偉（1985—），男，四川樂山人，碩士，工程師，現主要從事核反應堆運行與維護工作。

〔編輯：王霞〕