机械故障诊断技术的发展及其在核机械中的应用

机械故障诊断技术的发展及其在核机械中的应用

张朋

（中国核电工程有限公司核化工院北京市100840）

摘要：随着现代大生产的发展和科学技术的进步，现代机械设备的结构越来越复杂，故障诊断技术的显得尤为重要，其意义就在于有效地遏制故障损失和设备维修费用，配置故障诊断系统延长设备检修周期，缩短维修时间，为制定合理的检修制度提供基础，极大地提高经济效益与社会效益。基于此，本文主要对机械故障诊断技术的发展及其在核机械中的应用进行分析探讨。

关键词：机械故障诊断技术；发展；核机械；应用

1、前言

随着世界各国能源的短缺，核能在未来的世界能源中将占主导地位，安全又是发展核电事业的前提条件。由于核电站投资多，建设工程浩大，专业技术内容繁多，核反应堆产生的放射性危险非常大，一旦发生事故，不仅会引起严重的后果，造成巨大的经济损失，甚至还可能导致灾难性的人员伤亡及恶劣的社会影响。因此，如何控制核电站的风险，保证机组安全可靠地运行，是核电站工作人员长期以来不断追求的目标。为了减少事故的发生，帮助操作人员尽快准确地确定发生的故障，研究和开发核电站故障监测和诊断系统具有十分重大的意义。

2、机械故障诊断技术的发展历程

故障诊断技术是近30年来国内外发展较快的一门新兴学科。故障诊断技术自身的发展过程，大致可归纳为3个阶段：

2.1离线的FFT分析仪阶段

20世纪80年代初、中期，通过磁带记录仪到现场记录振动信号，然后回实验室输入FFT分析仪回放，进行频谱分析，只有功率谱及波形，少数配置双通道时才能看到轴心轨迹，分析方法单一，基本上只能查幅值、频率。

2.2离线或在线的计算机辅助监测、诊断阶段

20世纪80年代末期至90年代中期，通过计算机完成信息采集、信号分析、数据库管理、甚至给出诊断结论，有各种图谱，分析方法多样，更加注重幅值、频率、相位信息的全面、综合利用，同时涌现出专家辅助诊断系统。

2.3网络化监测、诊断阶段

20世纪90年代末以来，充分利用企业内部局域网和Internet网络，做到资源共享、节省投资、远程诊断，所监测的参数不再局限于振动、轴位移、转速，进一步扩展到流量、压力、温度等工艺过程量，对设备运行状态的把握更加全面、准确，实现了真正意义上的专家远程诊断。有专家预言：基于人工智能的故障诊断专家系统和基于人工神经网络理论的诊断系统将是故障诊断技术进一步发展的方向。

3、核电站常见的故障类型

核设备机械诊断过程中，特征参数的选取即信号源的选取，是至关重要的。我们需了解设备自身的结构及设备常见的故障类型后，才能确定到底选择何种信号源。现将核电站可能发生的事故或故障归结为两大类：外界因素引起的故障和设备自身原因引起的故障。

3.1外界因素引起的故障

外界因素引起的故障，可分为人为故障和外来事件引起的故障。其中，人为故障是指由于操作失误引起的故障，这是由于核动力装置的复杂性，容易造成操作人员的误判断误操作。欧洲核装置委员会（CSNI）调查了1982年～1983年的103个事件，发现41%的事件与人为差错有关。1979年3月发生的美国三哩岛核电厂2号机组事故，就是由于操作人员未能识别出稳压器卸压阀未关闭，并执行了错误的动作而导致的；1986年4月前苏联切尔诺贝利4号机组事故的直接原因，便是一系列严重违反运行规定的操作。外来事件引起的故障，是指如地震、飞机坠落或爆炸冲击波引起的核电厂事故。

3.2设备自身原因引起的故障

设备自身原因引起的故障，可分为先天性故障和使用性故障。其中，先天性故障是由于设计、制造不当而造成的设备固有缺陷，而引起的故障。上面提到的前苏联切尔诺贝利事故，虽然其直接原因是人为造成的，但据事故后的分析，苏联PMK型反应堆，在设计上也是存在严重缺陷的。使用性故障是由于维修、运行过程中使用不当，或设备因振动、微动损伤以及发生老化所产生的故障。而来源于转子不平衡、转子弯曲、转子不对中以及支撑系统联接松动等产生的振动，是核泵转子的最关键问题之一。微动损伤主要存在于一回路压力边界，主要分为微动磨蚀、微动腐蚀和微动疲劳共3类。设备老化是指辐照脆化、疲劳、腐蚀、机械磨损等而使设备提前老化。基于以上故障机理，从核电站易发生故障的重要设备及构件来对核电站的故障类型归纳如下：

（1）主泵。主冷却剂泵即主泵是保证水不断流过堆芯带出热量、不可须臾停止的重要设备。由于断电、主泵故障、管道破裂或阀门操作错误，引起的失去冷却剂事故，即失水事故，是反应堆可能发生的最严重事故之一。主泵发生过的一些损伤如下：轴承螺栓松动；静压密封垫片处发生泄露；轴承室的球面上发生点蚀；轴承销子断裂或有裂纹；密封潜入部件的滑动面严重磨蚀。

（2）蒸汽发生器和热交换器。蒸汽发生器的故障，大多是由于各种腐蚀使传热管或管与管板接头处发生泄漏，主要表现在蒸汽发生器U型管破裂、给水管断裂和主蒸汽母管破裂。

（3）燃料棒及燃料组件。外来颗粒的冲击造成严重磨蚀而穿孔，组件振动造成严重磨蚀而穿孔，堆芯部件振动造成元件盒磨蚀。

（4）控制棒组件。控制棒磨断，并跌落到燃料组件控制棒导向管底部，造成控制棒束卡死事故。

（5）一回路阀门。因密封性的散失而造成内漏或外漏。内漏是因起闭件与阀座两密封面间磨损或变形而关不严，使得一回路冷却剂不能按要求截断；外漏会造成冷却剂泄露，易导致放射性扩散。

4、核电站状态故障诊断技术的探讨

从前面对核电站故障类型的归纳，可知核动力设备故障类型繁多，诊断涉及的面很广，如果只从单一信号的监测和分析，来判断故障是否发生或故障的发生趋势，显然是很不可靠的。为了提高诊断内容的完整性和可靠性，对于复杂的机械系统来说，需测取不同的信号然后进行综合分析。根据以上的总结，可以把形成核电站事故或设备故障的原因分为以下类别：

（1）核反应堆冷却剂泵的机架和旋转轴的异常振动；

（2）因管道破裂或阀门磨损造成的泄漏；

（3）外来物质的冲击。基于第一类原因的故障，可以通过探测由油膜涡动或油膜振荡导致的异常振动，或者通过探测支架等的磨损或缺陷，来评估诊断冷却剂泵的性能，这可以用振动传感器和非接触位移传感器实现；

基于第二类原因的故障，可以通过监测声发射信号，来探测系统中的泄漏或裂缝，因为声发射信号不受物体位置的限制，对传感器的安装位置限制较少，灵敏度高，声发射对泄漏监测，尤其是压力容器及管道以及阀门的泄漏监测极为有效，而且声发射检测技术在我国核电厂已得到了初步应用；基于第三类原因的故障，可以通过在核反应堆的压力界外侧安装一组振动传感器来探测是否存在外来物质的冲击波，如果存在冲击波，则可以进一步探测其外来物质的位置和质量等。

5、结语

核电发展时间短，对其故障诊断所积累的知识和资料十分有限，尽管国内外在这个学科上做了一定的研究工作，但很多仍处于理论阶段，具体应用到核动力设备故障监测和诊断中，其准确性、有效性和使用性还远没有达到要求；加上核电站很多设备都存在密封保护、咬合运动等，这使得传感器的安装和布置有较大的难度；另外，在监测过程中，怎样减少系统输入误差的影响以及系统噪声的影响，也需要作进一步的研究。

参考文献：

[1]杨国安.机械设备故障诊断实用技术[M].北京：中国石化出版社，2007.

[2]蒋平，贾民平，许飞云，等.机械故障诊断中微弱信号处理特征的提取振动[J].测试与诊断，2005.3：48-50.