袁宇鵬，梅 勇，齊良才，張祖偉，李小飛，王登攀
(1.中電科技集團 重慶聲光電有限公司，重慶 401332；
2.中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶 400060；
3.上海中廣核工程科技有限公司 北京分公司，北京 100086)
“十三五”期間，我國核電機組保持安全穩定運行，商業核電機組總計達到48臺，總額定裝機容量達到4 988 kW，在建核電機組容量位居全球首位。華龍一號自主三代核電技術完成研發，大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站取得重大技術進展，與燃煤發電相比，全年核能發電相當于減少排放二氧化碳2.74億噸[1]。
核電站反應堆的冷卻劑泵(RCP，簡稱主泵)是核電機組主回路系統的關鍵設備，要求其振動小、噪聲低及可靠性高[2]。但主泵內壓水室等常采用非常規設計，流動不穩定、反向流動、葉片后緣渦脫落等非定常流動可導致強烈脈動和劇烈振動，嚴重影響主泵的安全穩定運行[3]。因此，核電廠常采用耐高溫耐輻射壓電加速度傳感器進行安全振動監測，做到視情維護。本文針對核電廠主泵振動狀態監測的需求，研究了一種壓電加速度傳感器的耐高溫、抗強輻射特性，提出了適用于核電現場的傳感器振動監測方案，并通過現場試驗對傳感器特性進行驗證。
壓電加速度傳感器的工作原理是基于壓電陶瓷的正壓電效應將待測物理的加速度信號轉變為電信號。本團隊前期研制了壓縮式壓電加速度傳感器，其簡化物理結構如圖1所示[4]。
圖1 壓縮式壓電加速度傳感器的物理結構
采用剛性連接的壓縮型結構方案設計并制備出耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器，傳感器實物圖如圖2所示。壓電加速度傳感器包括基座、絕緣塊、壓電陶瓷、質量塊、螺桿等主要結構。其中核心傳感元件壓電陶瓷采用鉍層狀壓電陶瓷材料。
圖2 耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器實物圖
根據某核電站反應堆廠房對加速度傳感器的耐極限環境要求，最高工作溫度需達到293 ℃，累計輻照指標需超過0.25×108rad(Si)。因此，重點對本團隊研制的耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器進行耐高溫和耐輻照測試。
為驗證耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器的耐高溫特性，在高低溫環境中分別對傳感器的參考靈敏度指標進行測試，測試結果如表1所示。對比20 ℃室溫環境下傳感器的參考靈敏度，其在低溫-55 ℃的變化率僅為0.15%，在150 ℃較高溫度時的變化率僅為0.75%，在最大設計工作溫度480 ℃時的變化率也僅為5.82%，滿足核電站對最高工作溫度需達到293 ℃的實用化需求。
表1 壓電加速度傳感器參考靈敏度溫漂測試
為驗證耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器的耐輻照特性，經中國科學院某研究所60Co-γ輻射源以94.99 rad(Si)/s輻照劑量率的γ射線照射，累計1×108rad(Si)后對比性能如表2所示。由表可見，輻射前后傳感器的頻率響應、幅值線性度無變化，參考靈敏度變化小于0.15%，未出現失效，核心性能指標滿足核電領域的耐輻照要求。
表2 壓電加速度傳感器輻射前后性能對比表
基于鉍層狀壓電陶瓷材料研制的耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器屬于無源器件。發生待測加速度后，器件將產生微弱的電荷信號，通常均需采用在線電荷放大器對電荷信號進行信號放大處理。在線電荷放大器采用恒流源供電的集成運放方式，利用電容反饋將高阻抗的電荷信號轉換成低阻抗的電壓輸出信號，同時機殼、接口與外接連線都采取嚴格的雙重屏蔽措施，以保證在強輻射環境正常工作。傳感器及在線電荷放大器的電路等效原理圖如圖3所示[5]。為了降低信號擾動，壓電加速度傳感器與在線電荷放大器之間通常采用鎧裝電纜進行信號傳輸。圖中，q、Ca和Ra分別為壓電加速度傳感器的自身電荷、固有電容、等效電阻，Cc為鎧裝電纜的分布電容，Ri和Ci分別為在線電荷放大器的等效電阻和電容，Cf為反饋電容，Ui和Uo分別為電荷放大器的輸入、輸出電壓。
圖3 在線電荷放大器的等效電路圖
圖3可簡化為電荷放大器輸出電壓：
(1)
通常情況A∈(104,106)，故式(1)可簡化為
(2)
式中：sq為傳感器的電荷靈敏度；
a為傳感器的輸入加速度信號值。由此可知，傳感器電荷靈敏度、反饋電容與在線電荷放大器的輸出電壓有關。
目前國內壓水堆核電機組的一回路通常包含反應堆壓力容器、蒸汽發生器、冷卻劑主泵和穩壓器4個核心部件，如圖4所示。核電機組一般設計有3個冷卻劑系統，每個系統安裝一臺冷卻劑主泵，每臺主泵上需部署2個轉速傳感器、2個加速度傳感器和2個位移傳感器。
圖4 壓水堆核電機組原理圖
在我國某核電站進行加速度傳感器的示范應用設計，傳感器的信號采集方式如圖5所示。耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器產生的電荷信號經由鎧裝電纜傳輸后，通過在線電荷放大器放大為電壓模擬信號。采用動態信號分析儀采集兩路電壓模擬信號，并轉換為數字信號傳輸至分析計算機。
圖5 傳感器信號采集框圖
將傳感器安裝在核電站核電機組輻射較強的紅色區域中主泵連軸器外表面，將在線電荷放大器及其后端采集設備均部署在輻射較弱的黃色區域，通過較長的鎧裝電纜進行信號傳輸，如圖6所示。為了降低對主泵的影響，傳感器與主泵間采用強磁鐵吸合并用扎帶固定，保證傳感器安裝牢固。
圖6 傳感器布局示意圖
每年核電站核電機組需開展例行檢查，檢查內容之一是執行點動實驗，驗證主泵運行是否正常。在進入核電機組進行應用監測前，通過標準振動試驗臺對傳感器的功能進行驗證性實驗，實驗結果如圖7所示。在振動臺上分別用5g(g≈9.8 m/s2)和10g的振動幅值進行驗證，由圖可見，耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器的振動峰值與振動臺發出的信號一致，證明了傳感器性能正常，可用于核電機組的振動監測實驗。
圖7 標準振動信號測試曲線
將耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器按照圖5、6所示的部署方案安裝在我國南部的某核電站核電機組主泵上進行監測實驗，并分別對主泵靜止狀態和主泵點動工作狀態時的振動信號進行采集。
3.1 靜止狀態采集數據
傳感器安裝后，在點動實驗未啟動前進行數據采集。此時主泵設備處于靜止狀態，傳感器采集的振動數據如圖8所示，其中除了較低程度的采集噪聲外，加速度的峰值接近于0。
圖8 靜止狀態的加速度采集信號
3.2 點動實驗狀態采集數據
以點動方式啟動主泵工作，實時采集主泵點動工作的初期、中期、末期3個階段的振動信號如圖9所示。由圖可知，實驗初期的加速度幅值為±2.3g，實驗中期的加速度幅值為±4.6g，采集實驗末期的振動信號加速度幅值約為±0.8g。與該主泵歷史數據相比，點動實驗振動信號測試曲線與歷史數據吻合，由此證明了該核電機組主泵處于正常狀態。
圖9 核電機組主泵實測振動信號測試曲線
冷卻劑主泵是我國常用壓水堆型核電機組的重要組成部分，對冷卻劑主泵的狀態監測是核電機組年度例行檢查的關鍵步驟之一。年檢過程中需使用加速度傳感器對冷卻劑主泵工作狀態的振動信號進行監測。為了滿足核電機組的實際應用需求，本文對開發的耐高溫抗強輻射壓電加速度傳感器溫漂、抗輻照特性進行了實驗驗證，設計了核電機組現場的信號采集方案，進行了傳感器的臺架實驗與主泵現場的安裝測試。實驗結果表明，傳感器輸出能在工作溫度-55～480 ℃、輻照強度1×108rad(Si)等極限環境下可靠工作，且在主泵現場應用效果良好，未來可支撐核電領域振動監測領域核心器件的自主可控。
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