核电厂主泵轴位移传感器故障诊断及改进优化

Abstract： As an important monitoring signal of reactor coolant pump in nuclear power plant， the displacement signal around the main pump is related to the safe and stable operation of the main pump. This paper introduces the measurement principle of the displacement signal of the main pump shaft， analyzes the fault location of the displacement signal of the main pump shaft of a million nuclear power unit and how to improve the reliability of the equipment， and finally summarizes the problems encountered during the normal operation of the unit and the solutions. These methods provide reference for the operation and maintenance of the main pump and the subsequent improvement and reliability of the main pump instrument of the unit， and have certain practical value for the commissioning， operation and maintenance of the power station.

Key words： reactor coolant pump; Main pump shaft displacement; Malfunction; Maintenance; Reliability;

1. 前言

设备可靠性是全面质量管理所涉及的主要领域之一。一个可靠的设备应该是在整个使用期间能够执行设计要求功能的产品，可靠性是一种质量特性，它体现了现场对设备的一种主要要求。可靠性是一种综合性的技术，应该从成本性能、现场环境的要求等方面综合考虑。确定可靠性目标和方案，然后通过试验及现场出现的缺陷对可靠性方案进行评估，来控制设备的质量，满足现场的需求。在华龙及M310 压水反应堆核电机组中，反应堆冷却剂泵（又称“主泵”）是反应堆的心脏。主泵轴位移信号是监测主泵转动轴的运转偏离情况，当两个轴位移信号同时触发高报时，操纵员需进行手动停运主泵。根据某核电机组调试和运行的历史数据，主泵轴位移信号失效事件数量较多、影响较大，为了有效避免主泵轴位移信号故障报警，提高机组运行的稳定性及可靠性，本文研究了主泵轴位移信号的故障分析、维护策略和优化改进的可靠性提升。

2. 测量原理

2.1 主泵轴位移测量原理

根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

主泵轴位移传感器即测量转轴的径向振动，其探头中的线圈内部有高频电流通过时，产生高频电磁场并使得被测转轴表面产生感应电流，通过前置器转化成 表示出来。这个电压随转轴表面与传感器之间的间隙距离改变而变化，二次仪表通过对前置器输出电压的分析处理即实现了对转轴振动的测量。轴振动一般用位移值表示，单位为微米。

其计算公式可简单表示为：

，其中， A：轴振动值

Vrms：前置器输出电压有效

S：传感器灵敏度

泵轴每旋转一整圈触发一个完整的信号波形，通过计算公式：泵轴转速=频率×60 秒可求得泵轴转速为1500 转/分钟，与实际转速基本一致。

2.2.1 信号处理

图1：主泵轴位移信号测量系统结构图

2.2 轴位移信号处理

前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场，如下图 2 所示。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于此磁场的反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。

下面利用ANASYS Maxwell 和Multisim 软件对电涡流传感器进行简单的建模和仿真。

感应线圈和金属材质磨粒

为便于后续分析，电涡流传感器模型简化为三部分：金属材质磨粒、感应线圈和真空求解域。其建模模型图如下：

图3：建模模型图及剖面涡流密云图

在感应线圈上分割出两个横截面，再将两个横截面分成两个独立的切面，选择切面，给线圈施加大小为1A，相位为0°的电流激励，

（1） 激励频率结果分析

设置分析材料为不锈钢材质，磨粒半径为 50um、线圈半径为1600um、直径为 200um。改变激励频率得到不同的涡流密度，如图4 所示。可以明显看出，涡流密度与激励频率成正比，但其增长速度随着频率的增加而下降。

图4：不同激励频率的涡流密度图（2） 线圈内径结果分析

设置激励频率为280MHz，将线圈内径从1200-1800um 区域范围内等间隔，选取 4 组特征参数依次进行仿真分析，根据数据得出的曲线如图5 所示。

图5：不同线圈内径的涡流密度图由以上 2 个建模仿真可得出结论：

（1） 金属磨粒产生的涡流密度与激励频率变化呈正比，但增长速率显示为下降趋势。（2） 金属磨粒产生的涡流密度随线圈内径的增大而减小，且涡流作用衰减速率放缓。 典型的LC 振荡电路

图 6：LC 振荡电路示意图

振荡电路是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化。传感器线圈与电容并联组成LC 并联 谐振回路，并联谐振回路的谐振频率为：

其中： L 为振荡电路的等效电感值

C 为振荡电路的等效电容值

且当谐振时回路的阻抗最大，等于 ；式中，R'为回路的等效损耗电阻。 当电感L 发生变化时，回路的阻抗和谐振频率都将随L 的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗Z 的方法间接测出传感器的被测值。利用Multisim 软件对振荡电路部分进行仿真模拟，如下图7 所示：

图 7：振荡电路部分仿真模拟图

电路图中电感 L1=25.33mH，电容 C1=1uF，R1 为负载电阻，使用示波器XSC1 观察振荡波形，2 个临近的波峰间的时间 T 约为1.009ms，仿真测得的振荡频率f0=1/T 约为991Hz，与公式计算出的结果1000Hz 基本一致。 典型的有源低通滤波电路

图 8：有源低通滤波原理图及电路仿真模拟图

滤波器采用巴特沃兹有源低通滤波器，截止频率为 10KHz

一阶有源滤波器的截止频率是指在滤波电路中，信号的频率达到某一特定数值时，信号的幅度将被滤波器衰减至-3db。

其滤波器截止频率公式： 其中：fc：截止频率

R：电阻值

C：电容值

根据滤波电路参数计算可得：截止频率≈10KHz；

从仿真的幅频特性曲线来看，幅值在10KHz 时衰减至-3db，与公式计算结果基本一致，能有效的降低高频干扰对于电路的影响。

典型的运算放大电路

探头线圈测得的原始信号幅值较小，为得到我们所需的电压幅

值，通常需运用运算放大电路来将原始信号放大，运算放大电路一般由一个运算放大器和两个外部电阻所组成，其等效模型电路图如下图9 所示：

图 9：典型的运算放大电路

将 Vo/Vi 的比值记作A，由运算放大器的特性可得：

实际运用过程中，开环增益 a 无限趋近于无穷大，因此得到一个称之为理想的闭环增益：

3. 轴位移信号异常分析

3.1 传感器故障

3.1.1 传感器断裂（缺陷1）

2021.7.31 日，某电厂2 号机组在满功率运行期间，主泵电机轴位移 2RCP353MM 从 40um 左右突变超量程后显示“XXX”故障，主控KIC 报警画面持续触发2RCP609KAI 报警。

图 10：轴位移信号异常趋势图

最终检查发现传感器探头部分断裂，因此电机轴位移2RCP353MM 突变至超量程后显示“XXX”是由于传感器缺乏紧固螺母的力矩要求，工作负责人仅凭工作经验进行紧固，使得传感器在主泵运行振动过程中拉扯断裂。

图 11：轴位移传感器探头断裂图

3.1.2 传感器自带5m 电缆产生绞节（缺陷 2）

2022.2.25 日某电厂 1 号机组 1RCP352MM 分别在 02.25 多次出现波动最大波动至 210um，闪发波动间隔时间无规律。

图12：轴位移信号异常趋势图

最终通过晃动传感器电缆发现前置器的输出电压在波动，复现了日常波动现象，为了进一步定位故障位置，将传感器自带5m 的电缆剥开，发现电缆与传感器探头连接处产生绞节造成电缆损伤。

图13：传感器自带5m 电缆产生绞节

3.2 前置器故障（缺陷3）

2021.9.1 日，某电厂2 号机组在满功率运行期间，主泵电机轴位移 3RCP353MM 出现异常波动，主控 KIC报警画面频繁触发 3RCP609KAI 报警。

图14：前置器异常趋势图

由于在电涡流传感器应运中，电感 L 即探头线圈的电感值是由合金线绕制而成，属于纯金属材质，受辐照影响很小基本可以忽略不计；而前置器中电容的容值却会随着辐照剂量的累积而发生改变。

仿真模拟1：

当电容容值变化时，首先会直接影响到振荡电路的频率，下面就利用仿真软件模拟电容容值变化后对振荡 频率的影响。在上面仿真电路的基础上，假设因辐照剂量累积导致电感值L1 无变化，而电容C1 容值衰减 10% 即电容容值变化为0.9uF。

图15：改变电容后振荡电路部分仿真模拟图

2 个临近的波峰间的时间 T 由 1.009ms 变为 958.8uS，仿真测得的振荡频率也由 991Hz 变化为 1043Hz，由此可计算出在LC 振荡电路中，当电容容值受辐照影响衰减 10%H⋅f ，振荡频率约上升 5% ，振荡频率f0 的改变继而导致前置器输出电压的变化。

随着前置器在辐照环境下的持续工作，放大电路中电阻的阻值也会发生偏移，且由于安装位置的不同，电阻所处环境的辐照剂量率也存在细微的差别，这也造成同一前置器中各电阻阻值的变化率存在不一致，从而直观的影响运算放大电路中放大倍数A 的变化。

仿真模拟2：

假设运算放大电路中 R1 由1kΩ变为0.9kΩ，R2 由1kΩ变为0.8kΩ。

图16：改变电阻值后运算放大电路部分仿真模拟图

仿真结果显示输出电压Vo 变为9.448V，放大倍数A 由2 倍放大变为1.89 倍，直接影响了放大电路的输出。为了验证辐照对前置器的影响，通过轴位移传感器及前置器辐照试验可以确定。实验方法是将轴位移传感器及前置器可靠的固定，使得探头和靶件之间距离恒定，然后放在平均辐照剂量为0.558Gy/s 的环境中，前置器的电压输出初始值为-9.8V，观察记录电压输出伴随着累积剂量的变化。得到如图18 的辐照时间-输出电压曲线。

图 17： 前置器输出电压受累积辐照影响的曲线

通过实验得出的曲线图可知当前置器的输出电压在位移不变的情况下，辐照累积会导致输出电压降低。主泵轴位移的改进优化

4. 主泵轴位移的改进优化

4.1 传感器探头优化（针对缺陷1）

针对传感器断裂问题，做了如下优化改进：

重新设计改进了传感器探头结构，如图19 所示，改进后，测量线圈部位结构优化，占用空间减小，螺杆单边壁厚加粗至 1.25mm，大大加强了探头螺杆的抗拉伸强度。通过使用力矩扳手反复试验测试，最终确认合适力矩值，同时将紧固锁紧螺母 1.8N 的力矩值落实到维修规程中。

图 18 传感器探头改进前后对比

4.2 传感器电缆优化（针对缺陷2）

由于传感器探头和延伸电缆是一体式结构，现场空间受限如下图 19，特别是主泵电机轴位移内部空间只能容纳一个人进去安装，很难做到传感器探头与自带的5m 延伸电缆同步旋转。

图 19：主泵电机轴位移传感器现场安装情况

因此将传感器探头及延伸电缆采用分体式结构，传感器探头部分尺寸及内部结构与一体式结构相同，探头自带0.5 米电缆，延伸电缆长度为4.5 米，探头自带电缆与延伸电缆间采用带自锁结构的高频连接器连接。

图 20：改进后传感器结构示意图

4.3 前置器优化（针对缺陷3）

由于原前置器不耐辐照，使得输出电压随累计辐照剂量的增加发生变化，进而导致信号测量失真。因此前置器外壳采用了316 不锈钢材料，可以在一定程度上减少辐照对元器件寿命的影响，同时前置器外壳各个内壁均镶嵌了5mm 的铅板，以及高频连接器的绝缘材料采用耐辐照的PPS 材料，也可进一步降低辐照对于前置器的损伤。改进后的前置器做辐照试验 144 小时，累计剂量10.08KGy，输出电压稳定整体曲线与试验前的前置器测试的曲线基本一致。

图 21：辐照试验前后输出电压曲线图

5. 结论及建议

本文首先分析了主泵轴位移信号的测量原理，在反应堆冷却剂系统中承担的保护作用，接着针对主泵轴位移信号故障后的现象进行了全面分析，定位故障原因，最后针对故障原因提出了相应的优化改进方案，对后续在建机组主泵仪表可靠性提升提供了借鉴经验。

主泵的运维过程引起从业者的深思，可靠性工作应当遵循不断改进，闭环管理的原则，必须重视和加强信息工作，建立故障报告、分析和纠正措 充分有效地 利 价和改进设计，实现可靠性持续增长。轴位移传感器虽然是主泵上一个非常小的部件 但是它的 泵的正常运行乃至整个电站的安全性和经济效益。整个机组 “心脏”上的每一个部件质量都要可靠，不能让一块短板降低了整桶水的水位。

参考文献

[1] 金继荣 金新，低通量慢中子辐照Tc 超导体正常态电阻的影响及其机理探讨，南京大学，物理学报，1993

[2] 钱双龙 林永嘉 潘江，核电厂主泵零转速传感器故障分析及优化研究，新能源系统与设备，2021

[3]反应堆冷却剂系统手册（RCP），中国核动力研究设计院

[4]张永海 ，对设备预测性维修发展趋势的思考，科技信息：2013 年第23 期

[5] 林桦， 核电厂主要仪控系统建模研究及应用，上海：上海交通大学，2009：001