核电站屏蔽电机主泵故障分析及监测系统改进建议

摘要：主泵是核电厂的关键设备，其稳定可靠地运行对提高核电厂的安全性、可靠性有着重要意义。近年来，国内核电站开始使用屏蔽电机主泵。然而，核电站仅采用单参数阈值监测的方式对屏蔽电机主泵进行监测，不能满足故障诊断的需要。为此，在对屏蔽电机主泵典型故障进行分析的基础上，根据核电厂的实际需求，对监测系统提出了改进建议。

关键词：核电站;屏蔽电机主泵;故障;监测系统

0 引言

AP1000核电站中采用的屏蔽电机主泵在国内核电站中的应用尚属首次。主泵若出现故障会触发反应堆停堆，对于核电厂的可靠运行有着重大影响。屏蔽电机主泵结构复杂，不易现场拆解和查找故障。因此，对其运行状态进行有效监测并进行故障诊断，可以有效提升主泵维护效率，避免屏蔽电机主泵出现故障，引起不良后果。

1 屏蔽电机主泵简介

屏蔽电机主泵的主要结构特点是，泵和电机都被密封在一个被泵送介质充满的压力容器内，由一个电枢绕组提供旋转磁场并驱动转子，取消了普通离心泵的旋转轴密封装置，只有静密封。屏蔽套将电机的定子和转子隔开，电机通过转子与定子之间的循环介质对其进行冷却。其主要结构示意图如图1所示。

屏蔽泵由于不需要动密封，完全实现了零泄漏，具有安全性高、结构紧凑、运行稳定的优点。其主要缺点在于：（1）由于屏蔽套的存在，泵工作效率较低;（2）电机绕组温度运行较高，对绕组绝缘不利;（3）屏蔽泵完全密封，从外部难以判断其轴承磨损等情况，不便于设备维护。

2 典型故障分析

尽管屏蔽电机主泵在国内核电站刚开始应用，但屏蔽泵在化工行业中的应用已经较为广泛，工业领域对其故障的分析已经积累了不少经验[1-3]。下面笔者结合上述屏蔽电机主泵的结构特点，对其典型故障进行分析。

2.1    转子质量不平衡

质量不平衡是旋转机械最常见的故障，大多是由转轴质量偏心造成，在轴承上产生动载荷，使设备发生振动。其振动频率一般与旋转频率相同，因此其振动信号频谱的典型特征是基频振动占比很大，高频振动占比较小。当主泵转速一定时，振幅或相位变化比较平稳，转轴的轴心轨迹为偏心率较小的椭圆。

2.2    转轴裂纹

转轴若出现裂纹，则会破坏转轴截面的对称性，在圆周方向存在最大和最小两个抗弯刚度。转子旋转1周，动挠度变化2次，故引起2倍于转速的频率振动，裂纹越大，2倍频的振动分量也越大。另外，由于带裂纹的转子刚度减小，除产生2倍频的振动分量外，在通过一阶临界转速时，1倍频的振动峰值也会增大。在升速和降速过程中，当达到半临界转速时，由于2倍转速刚好等于临界转速，会导致振幅突然增大，出现明显的振动峰值。

2.3    转轴碰摩

由于主泵高速旋转，为了提高机器效率，需要尽量减小轴承间隙、定子屏蔽套与转子之间的间隙，由此增大了转轴发生碰摩故障的可能性。

转轴碰摩是一个复杂的过程，转轴与静止件发生摩擦时，受到的附加作用力是时变非线性的，所产生的非线性振动在频谱图上表现出频谱成分丰富的特征，不仅有工频，还有低次和高次谐波分量。当发生局部摩擦时，轴心轨迹向单方面倾斜，时域波形出现削波现象，以正进动为主。当发生全周摩擦时，随着接触弧度的增加，高次谐波分量有增加的趋势，轴心轨迹出现不规则扩散，时域波形的削波现象严重，将出现反进动，其频率总是略高于同阶正进动的频率。

2.4    屏蔽套破损

为尽量减少能量损失，屏蔽泵的定子屏蔽套与转子之间的间隙很小且本身的厚度较薄，容易因轴承磨损等原因而与转子产生碰摩造成破损，同时也容易受冷却液内的异物撞击而破损。若屏蔽套破损，则冷却介质会侵蚀定子绕组而造成短路。

由于屏蔽套处于泵的内部，目前还没有比较可靠的方法直接检测其早期裂纹的情况，对于较大的碰摩或者异物撞击情况，可通过监测振动信号进行诊断。

2.5    定子绕组匝间短路

绕组匝间短路是感应电机的常见故障，对于屏蔽电机主泵来说，由于定子绕组温度相比常规电机高很多，绕组绝缘在高温下更容易因老化失效而发生匝间短路。定子绕组出现故障会导致电流变化以及三相电流不平衡，同时影响电机本身的振动，严重时甚至会出现接地故障。定子绕组匝间短路的在线诊断方法主要有不平衡电流法、相关分析法、局部放电监测法等。

2.6    转子导条故障

转子断条是鼠笼式异步电机的典型故障。正常情况下，当三相异步电机正常对称运行时，其定子电流中主要含有基波相关电流。当转子断条时，则转子磁动势发生变化，反馈到定子电流中，则会产生特定频率的电流，不同数目的导条故障会在屏蔽电机主泵定子绕组电流中产生不同的谐波分量，通过对电流的监测与谐波分析，可以对转子的导条故障进行判断。

3 监测系统的改进建议

目前国内核电站对屏蔽电机主泵状态的监测，主要是对主泵的各状态参数（包括振动、电机电流、转速、轴承温度、定子绕组温度等）单独进行监测，其传感器测点分布情況如图2所示。当某个状态参数阈值超标时，则发出相应的警告。这种单参数阈值监测方法可以用于异常状态的监测，但是基本不考虑主泵的实际运行工况，其报警设定值需考虑各种正常工况下的最大值，以免误报警，导致系统检测的灵敏度受限。

同时，目前屏蔽电机主泵的各监测系统不能保存高频采样的数据。当发生故障时，可用于分析诊断的只有保存在电厂数据库中的低频采样的历史数据，故只能临时增加一套数据采样系统用于采集高频数据。这样不仅直接影响了故障处理的响应速率，而且错失了故障早期和发生时的关键数据。此外，历史数据库中不同参数的采样频率也不一致，对数据的分析处理造成了不便。为此，笔者就屏蔽电机主泵的状态监测诊断提出了改进建议。

3.1    多参数特征异常状态在线监测

主泵作为一个复杂的机电液系统，各状态参数相互关联，还会受环境温度、电厂运行模式等的影响而有所变化，仅通过静态监测单通道阈值无疑存在局限性，检测灵敏性不高，不利于发现故障前期征兆。

利用智能算法对主泵进行多参数异常状态监测，有利于提高检测灵敏度，提前发现故障征兆。比如文献[4]中提出了一种基于单维状态数据特征分析和多维状态数据特征分析相结合的方法，实现对主泵异常状态的监测，提高了参数监测的实时性和准确率。

3.2    保存必要的采样数据

核电厂应保存主泵必要的监测数据，以便于后续的离线分析。比如，正常运行基准数据，包括不同工况、不同季节下的数据，可用于训练异常检测智能算法;定期采集的数据，建立历史数据库，可作为劣化趋势评估的判断依据;异常状态时自动采集一段时间的数据，可用于故障诊断分析等。

是否保存高频采样数据，可结合数据变化的规律和用途进行考虑，比如，对于温度等变化较为缓慢的参数，可考虑只保存低频采样的数据;对于用于故障诊断分析的振动、电流等，则需保存其高频采样的数据。

3.3    提供基本信号分析工具

建议核电厂提供基本的信号分析工具或者专家支持系统，使运行人员对主泵的健康状态有更全面的了解。

运行人员可定期利用轴心轨迹图、波形图、频谱图、波德图等信号处理工具，分析主泵的振动、电流等状态参数，查看主泵运行状态，并与历史正常运行数据进行比较，确认其状态的变化趋势，当发现有异常波动或者故障征兆时，再邀请故障诊断专家介入进行深入研究，确认是否需要进一步处理，避免因主泵出现故障而导致停泵。

3.4    故障智能診断

近年来，大数据、机器学习、数据挖掘等技术在设备的状态监测与诊断领域的研究和应用较多，并取得了不错的效果，但是基于主泵状态数据的故障智能监测和诊断研究仍处于起步阶段，主要原因在于，一方面主泵内部机理复杂，状态数据维数高，另一方面主泵正常状态下的监测数据占绝大多数，异常数据只有极少部分，不能满足智能算法模型训练和验证的需要。

为了获取足够的异常数据样本，建议通过样机试验研究或者与其他同类型电厂共享数据等方式，积累有效数据样本。

4 结语

本文对核电厂屏蔽电机主泵的典型故障进行了分析，针对现有监测系统的不足，提出了相应的改进建议。利用屏蔽电机主泵原有的测点，结合已经发展成熟的设备故障诊断技术，改进其状态监测及故障诊断系统，有利于及时发现故障征兆，提高故障处理的响应速度，尽量减少核电厂的经济损失。

[参考文献]

[1] 郑月珍.旋转机械振动监测和分析[J].燃气轮机技术，2010（1）：39-44.

[2] 郝纪委，张晓娟.屏蔽泵典型故障处理与预防维护[J].中国机械，2014（18）：131-132.

[3] 周晓宁.核反应堆冷却剂主循环泵常见故障分析[J].设备管理与维修，2012（2）：33-35.

[4] 龚安，史海涛.基于特征组合分析的主泵异常检测方法[J].科学技术与工程，2019（12）：223-230.

收稿日期：2020-07-07

作者简介：陈剑锋（1984—），男，上海人，工程师，主要从事核电厂机电设备及振动监测系统设计工作。