电动主给水泵轴位移传感器零点标定优化方法

文 学

（福建福清核电有限公司，福建福清 350318）

0 引言

0.1 背景

某百万千瓦级压水堆核电站1～4 号机组APA（电动主给水泵系统，压水堆核电站专用词汇）均设计成3 列（两用一备），泵非驱动端轴承室设计1 个电涡流式轴位移传感器（H1 报警值：≥+130 μm 或≤-540 μm），其主要功能是监测泵轴位移变化，以反映推力盘与推力轴承的相对位置，避免推力瓦异常磨损，保障设备运行安全[1]。

在1～3 号机组运行期间，APA 主给水泵（如不特别说明，本文指前置泵和压力级泵）曾反复产生过轴位移高报警，影响了设备稳定运行。

根据机组事故运行规程：1 台主给水泵停运后备用泵启动，会在切换时造成机组瞬态，对蒸发器水位控制有较大负面影响，不利于机组稳定运行；一旦备用泵启动不及时或失败，则会导致机组大幅度快速甩负荷至50%负荷，甚至引起紧急停机停堆等瞬态。

经核实，历次轴位移高报警时的推力瓦温度、轴承振动等参数正常且平稳，故判断为非推力瓦磨损所致的轴位移高报警故障。

0.2 设备简介

APA 系统的前置泵和压力级泵结构原理基本一致，采用国外某公司供货的双吸入口离心式结构。泵非驱动端设置了滑动式自调节推力轴承（图1），其中驱动端侧（电机侧）设计为泵正常运行时的受力侧（工作瓦）；另一侧为非工作瓦，承受特殊状态下的反向推力。

APA 主给水泵轴位移传感器的基本原理[2-3]：接通电源后，在前置器内产生高频电流信号，该信号通过电缆送到探头，并在探头头部产生交变磁场H1。如果在磁场H1 的范围内有金属导体接近探头头部，则交变磁场H1 将在导体表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1 相反的交变磁场H2（楞次定律）。

为了可靠地表征转子位移方向（根本目的是监测推力瓦磨损程度），一般规定：转子向工作面（对APA 泵而言，是电机侧）的位移是为正方向，反之为负。

泵在正常稳定运行时，根据泵叶轮与口环的尺寸设计，轴向力将使推力盘与工作面推力瓦贴合。故一般将推力盘与工作面推力瓦贴合的状态设定为零点，以实现当转子显示正位移时，即表示推力瓦存在磨损的目的。

在泵解体检修等工作之后，需要将轴位移传感器重新进行零点标定，以准确显示泵运行过程中的轴位移量。

1 故障现象与原有标定方法

1.1 故障现象

对2014—2017 年的1-3APA 系统主给水泵轴位移传感器报警的19 个工单分析，得出轴位移高报警故障主要有如下现象。

（1）完成零点标定后，在起泵初期轴位移则达到较高的数值（如从0 μm 达到约99 μm）。即零点标定的准确度不足。

（2）触发轴位移高报警时，推力瓦温度、轴承振动等参数平稳正常，拆卸检查确认推力瓦及推力盘无异常磨损。即，故障为非推力瓦磨损所致的轴位移高报警。

1.2 原有的零点标定方法

原有的APA 主给水泵轴位移传感器零点标定的主要过程：①测量检查推力间隙是否合格；②将转子推向推力轴承的工作面（电机侧）贴合后松开；③调整传感器位置，直到其输出“0”位移值。

2 根本原因分析与优化方法

根据故障现象、设备结构等，列出可能导致故障的因素：①设计缺陷。即，设计不合理或不适用，而导致本故障；②环境影响。即外部电磁等干扰导致传感器数值失真；③设备缺陷。传感器或推力轴承组件等设备异常或损坏等原因，导致测量数据失真；④原零点标定准确度低。导致标定所得的“零点”与实际零位偏差过大，从而在泵运行（自动趋向于零位）产生轴位移高报警。

图1 推力轴承工作瓦侧结构

采用鱼骨图工具，对本故障的根本原因分析如图2 所示。

图2 APA 主给水泵轴位移高报警鱼骨图分析

2.1 设计缺陷因素分析

电涡流传感器广泛应用于汽轮机和泵类设备的轴位移和振动等监测，具有较好的可靠性和通用性[4]。

本型号传感器能可靠和灵敏测量的范围是（0.3～4.3）mm，包含设计推力间隙（0.3～0.41）mm 的测量区间，保障了测量数据准确，即传感器设计满足测量要求。

2.2 环境影响因素分析

经检查确认传感器邻近区域无电磁干扰的设备，且实际报警时运行工况未改变。据此，排除环境影响导致轴位移高报警的可能。

2.3 设备缺陷因素分析

（1）传感器缺陷因素分析。轴位移传感器定位不良、接线松脱或线性度低等也可能导致示值误差。对传感器及其接线等检查，确认无松脱等异常。将传感器、前置器等部件外送专业资质机构检查确认线性度等指标合格，即传感器不存在导致轴位移高报警的缺陷。

（2）推力轴承组件缺陷因素分析。结合推力轴承结构，分析推力轴承组件缺陷可能导致轴位移零点标定精度低，从而产生轴位移高报警的可能原因有：①推力瓦表面磨损或变形；②推力盘的传感器测量位置破损或变形。

对上述分析现场检查确认：①经检查确认推力瓦表面不存在磨损、变形或其他异常；②经检查确认推力盘测量位置平整光滑无异常。据此，排除推力轴承组件缺陷导致轴位移高报警的可能。

2.4 原有零点标定方法准确度低分析

由于推力瓦块的自适应调节特性，瓦块及其支撑块均存在一定的移动范围，若某一个或几个瓦块—平衡块—支撑块（单侧共6 个瓦块）与一侧整体推力轴承动作不一致时，会导致在此处的推力盘-瓦块间隙与推力盘-整体瓦面间隙不一致。当泵正常运行后，推力瓦块的自适应调节结构，原先的瓦块因适应油膜变化而重新自调整定位，可能使得推力盘沿着零点标定时已有的残余间隙往工作瓦侧移动，从而造成轴位移超标但其他参数均正常的现象。

选取1 台前置泵，对转子旋转圆周方向均分设置4 个测点，在4 个测点分别按照第2.2 节的方法测量“零位”（表1）。

从表1 分析可知，在180°方向与0°方向所得的“零点”值相差高达97 μm。即，将转子向电机侧顶起时（找零点），在推力轴承周向的不同位置，转子能够顶起的程度不同，这解释了反复产生的“完成零点标定，但起泵后轴位移即发生较大变化”的现象。

此外，经实测发现：转子在向电机侧顶起过程中，转子到达最大位置后，将转子松开后，推力瓦块存在大约（5～20）μm 的回弹量。

综上可知，原有零点标定方法因如下述缺点，导致设备反复产生了轴位移高报警故障：①未考虑瓦块弹量的影响，导致标定的“零点”失真。②未考虑瓦块组的周向动作不一致性，导致标定数据失真。

2.5 零点标定优化方法

为消除原零点标定方法的不足（未补偿瓦块回弹量和瓦块组件周向动作不一致性），根据泵及传感器原理，提出了消除瓦块周向不一致性和回弹量所致误差的零点标定法。过程如下。

（1）标点。在泵轴旋转的圆周方向，平均间距标记8 个点（或以上），并注意确保在转轴上作出标识，以便后续可靠定位泵轴旋转到第X 点（图3）。

（2）推力间隙测量。将泵转子分别推向驱动端和非驱动端，测量并记录推力间隙。

（3）将泵轴推向电机侧，分别记录第1 个点在保持顶起（Zx）和松开后（Sx）的传感器轴位移值。

（4）旋转泵轴，然后将泵轴推向电机侧，分别记录其余点在保持顶起和松开后的传感器轴位移值。

（5）盘动泵轴至原始位置，检查传感器轴位移值是否回到原位。否则，需对传感器仪控部件进行检查或调整。

（6）找出8 个（松开泵轴后的）测量点中，最大传感器轴位移值Sx，max（代数值）位置。注意，若8 个点的松开后传感器位移值全部为负数，则应重新进行上述步骤。

（7）分别计算8 个点的顶起和松开后的传感器轴位移变化值，并读取其最大（绝对）值Hmax（最大回弹量）。

（8）将泵轴旋转至最大位移值（Sx，max）的位置。

（9）将泵轴顶向电机侧后松开，记录此时的传感器位移值为a。

（10）计算最终的补充位移值C 为：

表1 推力轴承周向不同位置的转子顶起测量

图3 圆周标点示意

（11）按照已计算的补偿值C，将传感器进行零点标定。即当前的转子位置，应处于相对零位负方向，且距离为C 的位置。

2.6 效果验证

根据优化方法，在该电站1～4 号机组APA 主给水泵轴位移传感器实施零点标定，彻底解决了因零点标定准确度低而产生的轴位移高报警故障，取得了良好效果，避免了由此带来的机组功率损失。此外，本方法不通过千斤顶等强力顶起转子，既避免了因过度挤压导致推力瓦面变形甚至与推力盘“吸紧”，也提高了工作效率。

3 结论与建议

（1）经现场检查，最终诊断出了APA 主给水泵轴位移标准确度不足的根本原因。结合现场实际，提出了零点标定优化方法，并在1～4 号机组APA 主给水泵成功应用，也为同类工作提供了参考。

（2）根据API 等有关技术标准，轴位移测量一般设计成两个传感器监测，以便进一步排除传感器测量失真导致的误报警，故建议后续的APA 泵设计制造时参考API 标准设计轴位移监测装置。