核電管道振動數據采集系統故障診斷方法研究

李青華，楊 濤

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

0 引言

管道是核電站的重要設備，其良好的振動狀態是核電機組穩定運行的前提，若運行期間出現管道振動異常，會對機組設備運行帶來重大隱患，嚴重時甚至影響到核電站的安全。管道的結構設計特點，如管徑、管道布置、節流孔板、膨脹節、管內介質流動、支吊架等，均會影響管道的振動狀態。對于首次運行的管道，經常出現振動問題，因此非常有必要對運行期間的管道振動進行監測，并對振動問題進行治理。

DAQ（Data Acquisition，核電管道振動數據采集系統）是基于管道結構特性，在管道特定位置安裝傳感器，比如管路彎頭、閥門、管徑變化處等位置，并在機組役前熱態功能性能試驗階段采集相關振動數據，用于驗證分析管道結構及設計是否符合標準。該系統能實現振動信號的實時監測和趨勢跟蹤，并可對采集信號進行分析處理。

DAQ 對振動信號進行采集時，常出現環境干擾、子站故障、線纜故障、電荷放大器故障及軟件故障等問題，導致采集到的數據信號異常，這會影響對管道結構和設計的正確分析。因此，本文結合某核電機組役前管道振動監測系統，對系統可能出現的故障模式分析，并對診斷方法進行研究。

1 管道振動數據采集系統架構

1.1 管道振動監測設備連接

管道振動監測設備通過采集系統和采集站，監測安裝在管道上的傳感器，完成對管道振動的監測，其設備連接示意如圖1 所示。

圖1 管道振動監測設備連接示意

1.2 管道振動數據采集系統架構

管道振動數據采集系統主要由工作站、交換機與同步設備、數據采集終端、電荷放大器和壓電式加速度傳感器組成。其中，工作站包含數據服務器、終端計算機和打印機，其主要功能是對采集系統進行操作及數據存儲；軟件部分作為一個獨立的程序運行在服務器上，服務器作為DAQ 的數據處理中心；交換機與同步設備由千兆/百兆混合光纖交換機和主時鐘同步設備組成，其主要作用是作為數據采集的樞紐和中轉站，并實現采集系統時鐘的同步；數據采集終端即采集子站采用NI-9232 板卡，內置24 bit ADC，抗混疊濾波，支持交流耦合，可以消除直流偏置的影響；壓電式加速度傳感器采用Meggitt 6233c-100，采樣頻率25 kHz；電荷放大器采用Meggitt 2771C 遠程電荷轉換器，是一種超低噪聲、雙線、單端設備的壓電換能器，將傳感器的高阻抗電荷輸出轉換成與傳感器電荷成比例的低阻抗。壓電式加速度傳感器輸出為電荷量，需經過電荷放大器轉換為電壓信號，隨后這些電信號連接到數據采集子站的信號輸入端，經過A/D 轉換以及采樣量化進入軟件系統進行顯示、分析及存儲。其總體架構如圖2 所示。

圖2 管道振動數據采集系統架構

2 故障診斷流程

管道振動數據采集系統故障診斷流程如圖3 所示。

圖3 管道振動數據采集系統故障診斷流程

3 故障診斷方法研究

結合采集系統故障診斷流程圖，分別從軟件、數據采集終端、線纜、電荷放大器、傳感器5 個方面，對系統故障診斷方法進行研究。

3.1 軟件故障診斷

數據采集系統軟件故障常見模式有：軟件崩潰和軟件配置錯誤。軟件崩潰常見處理方式：采集系統重啟，軟件優化。軟件配置主要名目和配置內容見表1，其診斷方法是根據試驗規程，核實軟件配置的正確性。

表1 采集系統配置診斷方法

3.2 采集子站故障診斷

采集子站常見故障分為板卡故障和單個通道故障。當板卡出現故障時，板卡上的所有通道均無法使用，其連接的傳感器數據信號同時異常；當單個通道故障時，可通過信號發生器連接子站通道來驗證。現場使用ENDEVCO 4830A 加速度模擬器驗證子站通道，當輸入10 g模擬加速度信號時，保持ENDEVCO 4830A 和DAQ相同的靈敏度，若DAQ 輸出RMS 值在（7.07±1）%區間，則通道無故障（圖4）；反之，則通道故障。

圖4 ENDEVCO 4830A 加速度模擬器診斷子站通道

3.3 線纜故障診斷

線纜由連接頭、電線及熱縮套管組成，用來連接傳感器、電荷放大器和子站。由于現場環境復雜、交叉作業多、試驗期間環境溫度高，很容易造成線纜斷裂、受損、接頭接觸不良等故障。若線纜出現明顯損壞，則更換線纜；若線纜無明顯損壞，則用多用表檢測線纜及接頭完整性。

3.4 電荷放大器故障診斷

在保證采集子站通道正常的情況下，使用ENDEVCO 4830A加速度模擬器驗證電荷放大器完好情況。將ENDEVCO 4830 連接電荷放大器并接入采集子站，當輸入10 g 模擬加速度信號時，保持ENDEVCO 4830 和DAQ 相同的靈敏度，若DAQ 輸出RMS值在（7.07±1）%區間，則電荷放大器無故障（圖5）；反之，則電荷放大器故障（圖6）。

圖5 電荷放大器正常

圖6 電荷放大器故障

3.5 傳感器故障診斷

核電管道振動數據采集系統使用壓電式加速度傳感器，其常見故障模式有傳感器損壞、接口接觸不良、安裝不到位等。在保證采集軟件、采集子站、線纜及電荷放大器均正常的情況下，現場可采用敲擊試驗方式來診斷傳感器是否故障，若DAQ 可采集到信號響應，則可排除傳感器安裝不到位；若DAQ 采集到0～1 Hz 異常信號（圖7），則可能是傳感器接口接觸不良或者傳感器質量問題，則需更換傳感器；更換傳感器后，異常信號消失（圖8）。

圖7 異常信號

圖8 正常信號

3.6 外界信號干擾

在排除了上述設備故障后，采集系統還常因環境因素造成信號被干擾（圖9、圖10）。主泵采用60 Hz 的交流電源供電，其正常運行時，傳感器因60 Hz 交流電磁場的干擾，出現干擾信號；當主泵切斷電源后，電磁干擾信號也隨之消失。

圖9 有交流電磁信號干擾

圖10 無交流電磁信號干擾

4 結束語

對管道進行現場振動測量和評價，可有效地防止由于管道振動疲勞失效而導致的管道開裂，進而引起介質泄漏事件的發生。在機組熱態功能性能試驗階段，由于現場環境復雜、交叉作業多、環境溫度高等特點，容易造成采集系統故障，從而影響試驗進度。因此，當試驗期間發生采集信號異常，能快速、準確的對采集系統故障進行診斷，并及時的處理故障信號，才能保證試驗正常進行。