摘要：主泵是核電廠的關鍵設備，其穩(wěn)定可靠地運行對提高核電廠的安全性、可靠性有著重要意義。近年來，國內核電站開始使用屏蔽電機主泵。然而，核電站僅采用單參數(shù)閾值監(jiān)測的方式對屏蔽電機主泵進行監(jiān)測，不能滿足故障診斷的需要。為此，在對屏蔽電機主泵典型故障進行分析的基礎上，根據(jù)核電廠的實際需求，對監(jiān)測系統(tǒng)提出了改進建議。

關鍵詞：核電站;屏蔽電機主泵;故障;監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

AP1000核電站中采用的屏蔽電機主泵在國內核電站中的應用尚屬首次。主泵若出現(xiàn)故障會觸發(fā)反應堆停堆，對于核電廠的可靠運行有著重大影響。屏蔽電機主泵結構復雜，不易現(xiàn)場拆解和查找故障。因此，對其運行狀態(tài)進行有效監(jiān)測并進行故障診斷，可以有效提升主泵維護效率，避免屏蔽電機主泵出現(xiàn)故障，引起不良后果。

1 屏蔽電機主泵簡介

屏蔽電機主泵的主要結構特點是，泵和電機都被密封在一個被泵送介質充滿的壓力容器內，由一個電樞繞組提供旋轉磁場并驅動轉子，取消了普通離心泵的旋轉軸密封裝置，只有靜密封。屏蔽套將電機的定子和轉子隔開，電機通過轉子與定子之間的循環(huán)介質對其進行冷卻。其主要結構示意圖如圖1所示。

屏蔽泵由于不需要動密封，完全實現(xiàn)了零泄漏，具有安全性高、結構緊湊、運行穩(wěn)定的優(yōu)點。其主要缺點在于：（1）由于屏蔽套的存在，泵工作效率較低;（2）電機繞組溫度運行較高，對繞組絕緣不利;（3）屏蔽泵完全密封，從外部難以判斷其軸承磨損等情況，不便于設備維護。

2 典型故障分析

盡管屏蔽電機主泵在國內核電站剛開始應用，但屏蔽泵在化工行業(yè)中的應用已經較為廣泛，工業(yè)領域對其故障的分析已經積累了不少經驗[1-3]。下面筆者結合上述屏蔽電機主泵的結構特點，對其典型故障進行分析。

2.1? ? 轉子質量不平衡

質量不平衡是旋轉機械最常見的故障，大多是由轉軸質量偏心造成，在軸承上產生動載荷，使設備發(fā)生振動。其振動頻率一般與旋轉頻率相同，因此其振動信號頻譜的典型特征是基頻振動占比很大，高頻振動占比較小。當主泵轉速一定時，振幅或相位變化比較平穩(wěn)，轉軸的軸心軌跡為偏心率較小的橢圓。

2.2? ? 轉軸裂紋

轉軸若出現(xiàn)裂紋，則會破壞轉軸截面的對稱性，在圓周方向存在最大和最小兩個抗彎剛度。轉子旋轉1周，動撓度變化2次，故引起2倍于轉速的頻率振動，裂紋越大，2倍頻的振動分量也越大。另外，由于帶裂紋的轉子剛度減小，除產生2倍頻的振動分量外，在通過一階臨界轉速時，1倍頻的振動峰值也會增大。在升速和降速過程中，當達到半臨界轉速時，由于2倍轉速剛好等于臨界轉速，會導致振幅突然增大，出現(xiàn)明顯的振動峰值。

2.3? ? 轉軸碰摩

由于主泵高速旋轉，為了提高機器效率，需要盡量減小軸承間隙、定子屏蔽套與轉子之間的間隙，由此增大了轉軸發(fā)生碰摩故障的可能性。

轉軸碰摩是一個復雜的過程，轉軸與靜止件發(fā)生摩擦時，受到的附加作用力是時變非線性的，所產生的非線性振動在頻譜圖上表現(xiàn)出頻譜成分豐富的特征，不僅有工頻，還有低次和高次諧波分量。當發(fā)生局部摩擦時，軸心軌跡向單方面傾斜，時域波形出現(xiàn)削波現(xiàn)象，以正進動為主。當發(fā)生全周摩擦時，隨著接觸弧度的增加，高次諧波分量有增加的趨勢，軸心軌跡出現(xiàn)不規(guī)則擴散，時域波形的削波現(xiàn)象嚴重，將出現(xiàn)反進動，其頻率總是略高于同階正進動的頻率。

2.4? ? 屏蔽套破損

為盡量減少能量損失，屏蔽泵的定子屏蔽套與轉子之間的間隙很小且本身的厚度較薄，容易因軸承磨損等原因而與轉子產生碰摩造成破損，同時也容易受冷卻液內的異物撞擊而破損。若屏蔽套破損，則冷卻介質會侵蝕定子繞組而造成短路。

由于屏蔽套處于泵的內部，目前還沒有比較可靠的方法直接檢測其早期裂紋的情況，對于較大的碰摩或者異物撞擊情況，可通過監(jiān)測振動信號進行診斷。

2.5? ? 定子繞組匝間短路

繞組匝間短路是感應電機的常見故障，對于屏蔽電機主泵來說，由于定子繞組溫度相比常規(guī)電機高很多，繞組絕緣在高溫下更容易因老化失效而發(fā)生匝間短路。定子繞組出現(xiàn)故障會導致電流變化以及三相電流不平衡，同時影響電機本身的振動，嚴重時甚至會出現(xiàn)接地故障。定子繞組匝間短路的在線診斷方法主要有不平衡電流法、相關分析法、局部放電監(jiān)測法等。

2.6? ? 轉子導條故障

轉子斷條是鼠籠式異步電機的典型故障。正常情況下，當三相異步電機正常對稱運行時，其定子電流中主要含有基波相關電流。當轉子斷條時，則轉子磁動勢發(fā)生變化，反饋到定子電流中，則會產生特定頻率的電流，不同數(shù)目的導條故障會在屏蔽電機主泵定子繞組電流中產生不同的諧波分量，通過對電流的監(jiān)測與諧波分析，可以對轉子的導條故障進行判斷。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的改進建議

目前國內核電站對屏蔽電機主泵狀態(tài)的監(jiān)測，主要是對主泵的各狀態(tài)參數(shù)（包括振動、電機電流、轉速、軸承溫度、定子繞組溫度等）單獨進行監(jiān)測，其傳感器測點分布情況如圖2所示。當某個狀態(tài)參數(shù)閾值超標時，則發(fā)出相應的警告。這種單參數(shù)閾值監(jiān)測方法可以用于異常狀態(tài)的監(jiān)測，但是基本不考慮主泵的實際運行工況，其報警設定值需考慮各種正常工況下的最大值，以免誤報警，導致系統(tǒng)檢測的靈敏度受限。

同時，目前屏蔽電機主泵的各監(jiān)測系統(tǒng)不能保存高頻采樣的數(shù)據(jù)。當發(fā)生故障時，可用于分析診斷的只有保存在電廠數(shù)據(jù)庫中的低頻采樣的歷史數(shù)據(jù)，故只能臨時增加一套數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)用于采集高頻數(shù)據(jù)。這樣不僅直接影響了故障處理的響應速率，而且錯失了故障早期和發(fā)生時的關鍵數(shù)據(jù)。此外，歷史數(shù)據(jù)庫中不同參數(shù)的采樣頻率也不一致，對數(shù)據(jù)的分析處理造成了不便。為此，筆者就屏蔽電機主泵的狀態(tài)監(jiān)測診斷提出了改進建議。

3.1? ? 多參數(shù)特征異常狀態(tài)在線監(jiān)測

主泵作為一個復雜的機電液系統(tǒng)，各狀態(tài)參數(shù)相互關聯(lián)，還會受環(huán)境溫度、電廠運行模式等的影響而有所變化，僅通過靜態(tài)監(jiān)測單通道閾值無疑存在局限性，檢測靈敏性不高，不利于發(fā)現(xiàn)故障前期征兆。

利用智能算法對主泵進行多參數(shù)異常狀態(tài)監(jiān)測，有利于提高檢測靈敏度，提前發(fā)現(xiàn)故障征兆。比如文獻[4]中提出了一種基于單維狀態(tài)數(shù)據(jù)特征分析和多維狀態(tài)數(shù)據(jù)特征分析相結合的方法，實現(xiàn)對主泵異常狀態(tài)的監(jiān)測，提高了參數(shù)監(jiān)測的實時性和準確率。

3.2? ? 保存必要的采樣數(shù)據(jù)

核電廠應保存主泵必要的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)的離線分析。比如，正常運行基準數(shù)據(jù)，包括不同工況、不同季節(jié)下的數(shù)據(jù)，可用于訓練異常檢測智能算法;定期采集的數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫，可作為劣化趨勢評估的判斷依據(jù);異常狀態(tài)時自動采集一段時間的數(shù)據(jù)，可用于故障診斷分析等。

是否保存高頻采樣數(shù)據(jù)，可結合數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和用途進行考慮，比如，對于溫度等變化較為緩慢的參數(shù)，可考慮只保存低頻采樣的數(shù)據(jù);對于用于故障診斷分析的振動、電流等，則需保存其高頻采樣的數(shù)據(jù)。

3.3? ? 提供基本信號分析工具

建議核電廠提供基本的信號分析工具或者專家支持系統(tǒng)，使運行人員對主泵的健康狀態(tài)有更全面的了解。

運行人員可定期利用軸心軌跡圖、波形圖、頻譜圖、波德圖等信號處理工具，分析主泵的振動、電流等狀態(tài)參數(shù)，查看主泵運行狀態(tài)，并與歷史正常運行數(shù)據(jù)進行比較，確認其狀態(tài)的變化趨勢，當發(fā)現(xiàn)有異常波動或者故障征兆時，再邀請故障診斷專家介入進行深入研究，確認是否需要進一步處理，避免因主泵出現(xiàn)故障而導致停泵。

3.4? ? 故障智能診斷

近年來，大數(shù)據(jù)、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘等技術在設備的狀態(tài)監(jiān)測與診斷領域的研究和應用較多，并取得了不錯的效果，但是基于主泵狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障智能監(jiān)測和診斷研究仍處于起步階段，主要原因在于，一方面主泵內部機理復雜，狀態(tài)數(shù)據(jù)維數(shù)高，另一方面主泵正常狀態(tài)下的監(jiān)測數(shù)據(jù)占絕大多數(shù)，異常數(shù)據(jù)只有極少部分，不能滿足智能算法模型訓練和驗證的需要。

為了獲取足夠的異常數(shù)據(jù)樣本，建議通過樣機試驗研究或者與其他同類型電廠共享數(shù)據(jù)等方式，積累有效數(shù)據(jù)樣本。

4 結語

本文對核電廠屏蔽電機主泵的典型故障進行了分析，針對現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的不足，提出了相應的改進建議。利用屏蔽電機主泵原有的測點，結合已經發(fā)展成熟的設備故障診斷技術，改進其狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，有利于及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，提高故障處理的響應速度，盡量減少核電廠的經濟損失。

[參考文獻]

[1] 鄭月珍.旋轉機械振動監(jiān)測和分析[J].燃氣輪機技術，2010（1）：39-44.

[2] 郝紀委，張曉娟.屏蔽泵典型故障處理與預防維護[J].中國機械，2014（18）：131-132.

[3] 周曉寧.核反應堆冷卻劑主循環(huán)泵常見故障分析[J].設備管理與維修，2012（2）：33-35.

[4] 龔安，史海濤.基于特征組合分析的主泵異常檢測方法[J].科學技術與工程，2019（12）：223-230.

收稿日期：2020-07-07

作者簡介：陳劍鋒（1984—），男，上海人，工程師，主要從事核電廠機電設備及振動監(jiān)測系統(tǒng)設計工作。