二回路凝結水泵在線振動傳感器頻發故障原因

萬平生 劉 濤 陳 勇 高 培

（大亞灣核電運營管理有限責任公司 深圳）

一、概述

核電站二回路凝結水泵的作用是將水從冷凝器熱井中抽出，升壓后經低壓加熱器送到除氧器。機組由3臺50%容量的凝結水泵組成，為立式沉箱型離心泵，正常情況下2臺運行，1臺備用。為了監測泵組的正常運行，需要設置在線的振動傳感器監測電機和泵側的振動，并設置了振動報警值和停機值。凝結水泵在線振動測量值經常出現異常波動，傳感器頻繁損壞，導致在線監測失效。虛假的振動信號會干擾主控操作員對設備狀態的判斷，存在跳機、跳堆風險。從傳感器的工作原理、安裝要求及立式電機振動監測3方面分析原因。

二、簡介

核電站二回路凝結水泵電機的在線振動顯示值發生過多次異常，顯示數值與現場實測振動值偏差較大，且頻發探頭故障。從機組工程調試至發現問題時，2套機組共6臺凝結水泵的12個在線振動傳感器通道，5個通道發生過傳感器故障，故障率達42%，初次提出該問題時，機組處在功率運行狀態，仍有2個通道讀數為0。振動傳感器的現場安裝如圖1所示。電廠技術部門多次現場核實振動情況，使用便攜式振動測量儀器測量傳感器固定表面的振動，發現電機振動較小且無波動，儀表部門多次更換傳感器，問題仍舊得不到解決。

圖1 電機振動傳感器現場安裝

三、振動傳感器及失效原因分析

1.傳感器工作原理

現場用于監測電機振動的傳感器為EPRO公司生產的PR 9268/301型動圈式絕對速度傳感器。該類型振動傳感器是基于法拉第電磁感應定律，即導體在磁場中切割磁力線產生電動勢。

式中 B——均勻磁場的磁感應強度

L——導體長度

V——導體運動速度

A——V與磁感線的夾角

當B、L、A為一定值時，導體的運動速度就與電動勢E成正比關系，該比例值就是傳感器的靈敏度。

圖2為絕對速度傳感器的結構圖，圖2中軟彈簧片連接工作線圈，永久磁鐵固定在外殼內部提供磁場，外殼和被測物體剛性連接傳遞振動，工作線圈在磁場中切割磁力線輸出振動信號。

2.傳感器失效原因分析

從工作原理可以看出，速度型振動傳感器的工作線圈與軟彈簧片和阻尼器連接，該類型傳感器對于低頻振動衰減較大。傳感器工作時自身重量無法由軟彈簧片承擔，否則長期使用會造成軟彈簧片的失效變形，因此該類型的傳感器分為水平和垂直安裝兩種，其主要區別為垂直安裝的傳感器軟彈簧片設計上能夠承擔工作線圈的自重。

水平安裝的傳感器長期垂直向安裝使用，會導致傳感器失效，垂直安裝的傳感器水平安裝使用，會導致工作線圈在外殼內的靜態位置發生變化，導致虛假信號。根據廠方提供傳感器的使用說明，PR 9268/301型傳感器只能用于水平±10°安裝使用（30代表水平安裝，1代表信號線長度為5 m）。

3.傳感器在檢測中心標定結果

圖2 絕對速度傳感器結構圖

電廠技術人員將PR 9268/301型速度傳感器送至檢測中心進行標定，中心按照磁電式速度傳感器的檢定規程，對該型傳感器的靈敏度以及靈敏度幅值線性進行了檢測。垂直安裝探頭，加入固定頻率的振動源，在（3.75、7.5、11.25、15）mm/s幾個點進行校驗，測量探頭輸出電壓非常低，且不是線性關系，無法計算其靈敏度，且不滿足這4個點的標準電壓輸出要求。水平安裝探頭，加入固定頻率的振動源，在上述4點進行校驗，測量探頭的輸出電壓與標準電壓基本一致，滿足整個量程的線性關系。該檢定結果印證了電廠技術人員對傳感器失效原因的判斷。

四、立式泵的振動監測方式

電廠技術人員在初次發現傳感器的安裝該問題時，立即詢問了電機廠家。廠家最初的答復為該傳感器用來測量軸向的振動，監測電機上推力軸承的磨損，推力軸承承擔了電機轉子的所有重量，如果出現大的波動會導致軸承損壞。設備運行維護手冊EOMM里關于電機振動監測的描述為電機振動在2個水平方向監測，按照正常的理解，應該監測立式電機的徑向振動。凝結水泵電機的上軸承結構圖見圖3。

圖3 電機上軸承結構圖

立式泵組軸的重量基本是由推力軸承支撐，這種懸臂梁的結構導致軸的徑向擺動要大于軸向竄動，監測徑向振動更能有效地監測電機的運行情況；監測推力軸承有更加有效的方式，如瓦溫以及推力瓦兩面的磨損量等，監測推力瓦的磨損需要用的是渦流探頭，如汽輪發電機組的軸竄測量就是使用的非接觸式渦流探頭。即使要監測推力軸承的振動，傳感器的安裝測量位置與推力軸承相差較遠，不能準確反映推力軸承的實際振動。

美國水力協會標準中，關于立式泵振動監測傳感器安裝方式有明確的描述，該標準明確指出立式離心泵組電機的振動監測，徑向是主要的監測方向。

五、處理結果

電廠技術人員經過充分的分析，檢定中心對傳感器的檢定報告以及傳感器多次失效的事實，電機廠家同意了電廠的技術分析，并在機組大修中完成了傳感器安裝方向的改造，傳感器仍舊使用EPRO公司的PR 9268/301型速度傳感器，改為水平方向放置，改造后現場圖片見圖4。經過2年多時間的運行，傳感器運行正常，沒有發生過損壞，主控室顯示振動值與現場實測值一致。

圖4 改造后傳感器安裝現場圖片

六、結束語

立式泵電機的振動監測，應該以徑向振動為主要的監測方向，傳感器的位置應當盡量靠近軸承，且堅實的表面上。

現場使用磁電式速度傳感器測量振動時，需要確認該型號傳感器的使用條件，包括溫度條件、安裝要求、頻率使用范圍等，這些參數都能在產品手冊上查到，只有在正確使用傳感器的情況下，才能讀取到真實的振動數據。該核電站凝結水泵在線振動傳感器安裝錯誤問題的成功解決，對于在建的其他機組具有實際借鑒意義。

1 900 MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京：原子能出版社，2007

2 PR 9268電磁式絕對速度傳感器使用手冊

3 Centrifugal Pumps-Nomenclature，Definitions，Application and Operation.美國水力協會，ANSI/HI 1.1-1.2-2000