基于加速度控制的核电设备运输管理

王秀祥，李 洋 （中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐314300）

WANG Xiu-xiang, LI Yang (CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd, Haiyan 314300, China)

0 引 言

核电设备的重要性及其特殊性，使得核电设备运输整个过程控制要求相当严格。加速度控制是运输过程控制的一种重要手段，而加速度计是其得以实现的主要工具。将加速度计应用于运输监控有助于填补质量管理体系的这一空白。本文就其在核电运输过程中使用的压电式加速度计为例，对其基本工作原理和实践应用进行分析，以期通过本文的方法研究可供相关领域参考。

1 加速度计基本原理

加速度计是根据惯性原理相对惯性空间工作。直接测量加速度本身是很困难的，虽然载体的加速度可以通过位移传感器或速度传感器获得，但通常大多数加速度计是借助敏感质量将加速度变成力进行间接测量的。根据牛顿第二定律，作用于物体上的力等于该物体的质量乘以加速度。换言之，加速度作用在敏感质量上，敏感质量将其感应为惯性力，测量该惯性力，就可以间接地测量到载体的加速度。

加速度计的基本力学模型是一个质量—弹簧—阻尼系统（如图1 所示）。

当有加速度输入时，敏感质量由于惯性力作用而发生位移，位移变化量与输入加速度的大小有确切的对应关系，可以描述为一个单自由度二阶弹簧阻尼振动系统，系统的数学模型即为：

式中：k为等效弹性系数，c为等效阻尼系数，m为等效惯性质量，a为输入加速度。

如果将加速度计的壳体固定在载体上，只要能把敏感质量在敏感轴方向相对壳体的位移x测出来，便可以把它作为加速度a的直接度量。敏感质量越大，弹性刚度越小，即系统的谐振频率越低，则加速度计的灵敏度就越高。

2 加速度计特点分析

根据记录元件分类，目前加速度计主要分为电子式和纸带打点式，电子式为主流；根据按传感元件分类，有压电式、压阻式和电位器式等。根据核电设备运输的实际情况，本文只针对电子式的压电式加速度计进行介绍。

目前核电设备运输过程中应用较为普遍的压电式加速度计是RD317 Micro ShockLog Recorder，曾在国内某核电扩建工程蒸发器的运输过程中使用，其基本工作原理：根据一个高性能低电量微处理器以128K 内部闪存和512K 闪存为存储。当处理器使用时会消耗许多电量，因此会尽量将它保留在一个低电量睡眼状态，并以一块非常低电量的时钟芯片以每秒钟的频率叫醒它一次。它的主要传感器是它的三方固定电子加速信号器。信号器获得的信号会被几组模式电路放大和过滤，并且根据用户的预先配置来选择获取正确反应。记录器预设有苏醒门限和警报门限，三个信号器得来的信号将会与它们作比较，如果信号超出苏醒门限，处理器将被叫醒并以每秒1 024 个样品率开始监测信号水平，如果信号超出警报门限，记录器将启动记录事件。

3 核电设备运输管理

基于加速度计应用的运输管理主要包括四个方面：运输方案审查、加速度计可靠性审查、运输过程监控、最终数据分析。其中运输方案审查主要是针对加速度的计算及其分析是否准确可靠；可靠性审查主要是针对加速度计本身的一些特性审查，如量程、校验记录等；运输过程的监控主要是对异常时间的记录和跟踪；最终数据分析主要是以图表及会议纪要的形式对加速度的数据进行分析，并补充到整个运输过程的质保体系中去，从而保证质保体系的完整性及可追溯性。

根据国内某核电工程设备运输过程中加速度计的应用实践，针对流程的主要环节可能存在的问题，总结如下注意事项：

（1） 运输方案审查阶段：主要是针对运输方案中的加速度计算的方法及计算依据进行验证，分析其是否准确可靠，并依此对设备的绑扎受力进行分析，如海运则可以计算其风浪对船舶稳性及设备本身的影响；若是公路运输则可以限定起步速度和制动速度以及转弯速度，从而保证加速度值在可控范围之内。

（2） 加速度计可靠性审查：主要是针对加速度计本身可靠性的检查，如加速度计量程必须在规定要求之内，避免因量程过大或者过小导致数据失真；还要求对加速度计的校验记录及认证进行审查，一般要求每两年对加速度计进行一次重新校准，除此之外，还要进一步对加速度计的安装前测试及安装工作实施审查，值得注意的是加速度计本身就是测量振动的敏感元器件，所以安装前的测试要避免过度振动导致敏感元件引起共振和断裂。

（3） 运输过程监控：一般来说，具有加速度要求的核电设备基本是核电工程建设的关键设备，其重要性不言而喻，运输环节的监控是设备从制造到投入安装运行的有力保证。运输过程监控不仅可以监督运输服务商有效地按照运输方案实施运输，而且更重要的是可以对运输过程中的异常事件进行记录。因为加速度计在工作时主要以时间点来记录数据，即使设备处于静止状态也可能由于人为因素导致加速度的存在或者超标的可能。比如，在绑扎设备、中途对设备进行包装检查都有可能触碰加速度计，导致数据被污染。所以在运输过程监控中异常事件的记录是非常重要的。

（4） 最终数据分析：当设备安全抵达目的地后，需对加速度数据立即进行分析。此时需要在运输服务商代表、供货商代表、业主代表的共同见证下，对加速度的数据进行读取，并对数据中最大值进行记录和分析，判定是否满足设计要求。因为，加速度数据通常以电子的Excel 表或者柱状图的形式读出，数据量通常相当庞大，因此形成会议纪要记录三轴方向的最大加速度值是目前数据记录及分析的有效手段。

4 案例与结果分析

4.1 案例分析

在国内某核电扩建项目中关键设备蒸发器实施国外海上运输，由于该设备重量355 吨，尺寸21.7 米长，5.2 米宽，5.5 米高，且内部填装有用于热交换用的4 640 根inconel 690（镍基合金） U 型管，为防止变形，要求三维运输加速度都不超过0.9g。蒸汽发生器是核岛关键设备之一，任何损伤回修都对整个核电工期影响巨大，因此，需要对运输过程中加速度进行严格的控制。船舶在海上受波浪作用在三维方向产生摇荡，造成货物产生3 个方向的加速度。建立三维坐标系如图2 所示。

式中：a0y,a0x,a0z为货物在不同位置时的横向、纵向和垂向基本加速度（见表1）；k1为船长及航速修正系数；k2为船宽与初稳性高度比修正系数。

对于蒸汽发生器运输：船长97m，航速14 节，经查k1修正系数或根据计算公式（5） 得k1=0.99；

B/GM=14.9，大于13，所以k2=1；当货物装载在船的底舱0.6L 的位置，可依据表1 查得各向基本加速度值，则可求得货物的三维加速度值。

横向加速度：

纵向加速度：

垂向加速度：

表1 基本加速度值

4.2 结果数据分析

最终数据显示，蒸发器一次侧X 轴方向的最大加速度为0.2g，Y 轴方向的最大加速度为0.2g，Z 轴方向的最大加速度为0.2g；蒸发器二次侧X 轴方向的最大加速度为0.1g，Y 轴方向的最大加速度为0.5g，Z 轴方向的最大加速度为0.3g；符合运输过程中蒸发器对于三维加速度不超过0.9g 的要求。

5 结 论

本文主要是对压电式加速度计的基本原理及其在核电设备运输过程中的应用进行了简单的分析，随着科学的发展，加速度计也必将朝着体积更加微小，测量更加准确的方向发展下去，相信在核电设备运输过程中加速度计的应用将更加广泛。

[1] 杨立溪. 惯性技术手册[S]. 北京：中国宇航出版社，2013.

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