核电管道振动数据采集系统故障诊断方法研究

李青华，杨 涛

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

0 引言

管道是核电站的重要设备，其良好的振动状态是核电机组稳定运行的前提，若运行期间出现管道振动异常，会对机组设备运行带来重大隐患，严重时甚至影响到核电站的安全。管道的结构设计特点，如管径、管道布置、节流孔板、膨胀节、管内介质流动、支吊架等，均会影响管道的振动状态。对于首次运行的管道，经常出现振动问题，因此非常有必要对运行期间的管道振动进行监测，并对振动问题进行治理。

DAQ（Data Acquisition，核电管道振动数据采集系统）是基于管道结构特性，在管道特定位置安装传感器，比如管路弯头、阀门、管径变化处等位置，并在机组役前热态功能性能试验阶段采集相关振动数据，用于验证分析管道结构及设计是否符合标准。该系统能实现振动信号的实时监测和趋势跟踪，并可对采集信号进行分析处理。

DAQ 对振动信号进行采集时，常出现环境干扰、子站故障、线缆故障、电荷放大器故障及软件故障等问题，导致采集到的数据信号异常，这会影响对管道结构和设计的正确分析。因此，本文结合某核电机组役前管道振动监测系统，对系统可能出现的故障模式分析，并对诊断方法进行研究。

1 管道振动数据采集系统架构

1.1 管道振动监测设备连接

管道振动监测设备通过采集系统和采集站，监测安装在管道上的传感器，完成对管道振动的监测，其设备连接示意如图1 所示。

图1 管道振动监测设备连接示意

1.2 管道振动数据采集系统架构

管道振动数据采集系统主要由工作站、交换机与同步设备、数据采集终端、电荷放大器和压电式加速度传感器组成。其中，工作站包含数据服务器、终端计算机和打印机，其主要功能是对采集系统进行操作及数据存储；软件部分作为一个独立的程序运行在服务器上，服务器作为DAQ 的数据处理中心；交换机与同步设备由千兆/百兆混合光纤交换机和主时钟同步设备组成，其主要作用是作为数据采集的枢纽和中转站，并实现采集系统时钟的同步；数据采集终端即采集子站采用NI-9232 板卡，内置24 bit ADC，抗混叠滤波，支持交流耦合，可以消除直流偏置的影响；压电式加速度传感器采用Meggitt 6233c-100，采样频率25 kHz；电荷放大器采用Meggitt 2771C 远程电荷转换器，是一种超低噪声、双线、单端设备的压电换能器，将传感器的高阻抗电荷输出转换成与传感器电荷成比例的低阻抗。压电式加速度传感器输出为电荷量，需经过电荷放大器转换为电压信号，随后这些电信号连接到数据采集子站的信号输入端，经过A/D 转换以及采样量化进入软件系统进行显示、分析及存储。其总体架构如图2 所示。

图2 管道振动数据采集系统架构

2 故障诊断流程

管道振动数据采集系统故障诊断流程如图3 所示。

图3 管道振动数据采集系统故障诊断流程

3 故障诊断方法研究

结合采集系统故障诊断流程图，分别从软件、数据采集终端、线缆、电荷放大器、传感器5 个方面，对系统故障诊断方法进行研究。

3.1 软件故障诊断

数据采集系统软件故障常见模式有：软件崩溃和软件配置错误。软件崩溃常见处理方式：采集系统重启，软件优化。软件配置主要名目和配置内容见表1，其诊断方法是根据试验规程，核实软件配置的正确性。

表1 采集系统配置诊断方法

3.2 采集子站故障诊断

采集子站常见故障分为板卡故障和单个通道故障。当板卡出现故障时，板卡上的所有通道均无法使用，其连接的传感器数据信号同时异常；当单个通道故障时，可通过信号发生器连接子站通道来验证。现场使用ENDEVCO 4830A 加速度模拟器验证子站通道，当输入10 g模拟加速度信号时，保持ENDEVCO 4830A 和DAQ相同的灵敏度，若DAQ 输出RMS 值在（7.07±1）%区间，则通道无故障（图4）；反之，则通道故障。

图4 ENDEVCO 4830A 加速度模拟器诊断子站通道

3.3 线缆故障诊断

线缆由连接头、电线及热缩套管组成，用来连接传感器、电荷放大器和子站。由于现场环境复杂、交叉作业多、试验期间环境温度高，很容易造成线缆断裂、受损、接头接触不良等故障。若线缆出现明显损坏，则更换线缆；若线缆无明显损坏，则用多用表检测线缆及接头完整性。

3.4 电荷放大器故障诊断

在保证采集子站通道正常的情况下，使用ENDEVCO 4830A加速度模拟器验证电荷放大器完好情况。将ENDEVCO 4830 连接电荷放大器并接入采集子站，当输入10 g 模拟加速度信号时，保持ENDEVCO 4830 和DAQ 相同的灵敏度，若DAQ 输出RMS值在（7.07±1）%区间，则电荷放大器无故障（图5）；反之，则电荷放大器故障（图6）。

图5 电荷放大器正常

图6 电荷放大器故障

3.5 传感器故障诊断

核电管道振动数据采集系统使用压电式加速度传感器，其常见故障模式有传感器损坏、接口接触不良、安装不到位等。在保证采集软件、采集子站、线缆及电荷放大器均正常的情况下，现场可采用敲击试验方式来诊断传感器是否故障，若DAQ 可采集到信号响应，则可排除传感器安装不到位；若DAQ 采集到0～1 Hz 异常信号（图7），则可能是传感器接口接触不良或者传感器质量问题，则需更换传感器；更换传感器后，异常信号消失（图8）。

图7 异常信号

图8 正常信号

3.6 外界信号干扰

在排除了上述设备故障后，采集系统还常因环境因素造成信号被干扰（图9、图10）。主泵采用60 Hz 的交流电源供电，其正常运行时，传感器因60 Hz 交流电磁场的干扰，出现干扰信号；当主泵切断电源后，电磁干扰信号也随之消失。

图9 有交流电磁信号干扰

图10 无交流电磁信号干扰

4 结束语

对管道进行现场振动测量和评价，可有效地防止由于管道振动疲劳失效而导致的管道开裂，进而引起介质泄漏事件的发生。在机组热态功能性能试验阶段，由于现场环境复杂、交叉作业多、环境温度高等特点，容易造成采集系统故障，从而影响试验进度。因此，当试验期间发生采集信号异常，能快速、准确的对采集系统故障进行诊断，并及时的处理故障信号，才能保证试验正常进行。