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高速3D-DIC测试技术在核电机组主给水泵与电机位移测量中的应用

主给水泵是核电站必不可少的设备,它的正常运行能确保蒸汽发生器的正常供水,对机组安全稳定运行及核安全都有重要的作用。

实验测试需求

在实际工况下,主给水泵会发生怎样的变化?

为了研究泵体和电机在暖泵、起泵、运行、停泵和冷却五个阶段的动态行为,采用新拓三维XTDIC-STROBE三维动态测量系统,基于高速3D-DIC技术分析5个阶段发生变形不对中的状况,并绘制在该阶段下泵体、出水管和入水管三者的位移变形曲线,分析变形具体位置和来源。

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3D-DIC技术采集测量水泵与电机位移

实验设备

采用新拓三维XTDIC-STROBE三维动态测量系统,基于3D-DIC数字图像相关法技术,采用两个高速摄像机实时采集主给水泵与电机各个变形阶段的图像,利用准确识别的标志点实现立体匹配,重建出被测表面点的三维空间坐标,并计算得到主给水泵与电机的变形量、三维轨迹姿态等数据。

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实验过程

在泵体,出水管、入水管和电机表面粘贴标志点,使用XTDIC-STROBE三维动态测量系统连续采集整个实验过程中的图像,计算标志点在整个测试过程中的坐标和位移数据,并绘制位移—时间曲线。

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高速3D-DIC技术测量动态位移试验现场

DIC测试实验数据

对87000多组数据采用1:12等间隔采样,对采样得到的图像进行处理,绘制泵体和电机表面的标志点位移曲线,确定哪个阶段出现了不对中的情况。

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泵坐标方向说明图

泵体和电机数据分析

分析图中泵体和电机表面关键位置的标志点,并分析所选点在变形过程中的位移曲线。

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泵体和电机表面所选点

泵体和电机表面的点的总位移曲线,以及各实验状态区间划分如下图所示。

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电机和泵体总位移曲线及实验状态划分说明

位移图的横坐标是相机的采集数量,由于相机在不同的试验阶段所采用的采集频率,对应到实际时间时,采用以下的对应关系进行换算:

0~36为暖泵每个状态间隔对应实际时间为12分钟;

36~1800为起泵每个状态间隔对应实际时间为1.2秒;

1800-19300为稳态每个状态间隔对应实际时间为12分钟;

1930-2380为停泵每个状态间隔对应实际时间为1.2秒;

2380-5450为二次起泵每个状态间隔对应实际时间为1.2秒;

5450-7340为二次停泵每个状态间隔对应实际时间为1.2秒。

下图分别是泵体和电机在X、Y和Z方向的位移曲线数据,从图形中可以看出:从暖泵开始,泵体和电机的位移不一致。

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泵体和电机X方向位移曲线
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泵体和电机Y方向位移曲线

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泵体和电机Z方向位移曲线

X方向:泵体和电机均向X+方向发生移动,在暖泵阶段,泵体位移量2.3mm,电机位移量1.9mm,二者有约0.4mm的位移偏差;

Y方向:泵体和电机在暖泵开始时均向Y-方向发生位移,并且有0.3mm的不对中,泵体的移动量更大,Y方向的偏差从起始一致延续至实验结束,在起泵和运行阶段偏差较为稳定,在停泵阶段偏差逐渐缩小。

Z方向:泵体向Z+方向移动,电机向Z-方向移动,二者所移动量基本一致,并且整个过程比较稳定,位移量基本维持在0.5mm-1.0mm。

泵体、出水管和入水管暖泵阶段数据分析

暖泵阶段,选取泵体、出水管和入水管表面比较稳定的三个点进行数据分析,选点位置如下图所示:

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3D-DIC技术测量泵体、入水管和弯水管表面选点位置

泵体、入水管和出水管在X、Y、Z方向位移随时间变化曲线如下图所示,每个状态间隔对应实际时间为12分钟:

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3D-DIC技术测量暖泵阶段泵体、入水管和出水管X方向位移曲线

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3D-DIC技术测量暖泵阶段泵体、入水管和出水管Y方向位移曲线

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3D-DIC技术测量暖泵阶段泵体、入水管和出水管Z方向位移曲线

从3D-DIC软件输出的位移曲线中可以看出,在暖泵阶段:

X方向:泵体、出水管和入水管都向X+方向移动,位移量基本一致,接近2.5mm。

Y方向:泵体向Y-方向移动,位移逐步增加,并在暖泵2小时时趋于稳定,位移值为1.1mm;入水管向Y+方向移动,位移逐步增加,至暖泵结束时共移动0.7mm;出水管在暖泵过程中整体向Y-方向移动,至暖泵结束时共移动0.3mm。

Z方向:入水管和泵体逐步向Z+向移动,泵体移动0.5mm,入水管移动0.3mm,而出水管向Z-方向发生移动,位移值为0.5mm。

误差分析

使用XTDIC-STROBE三维动态测量系统,基于3D-DIC技术对泵体和电机进行测量时,经过分析认为,实验中存在的误差主要来源于以下方面:

相机温度变化

3D-DIC技术设备单次测量时间超10小时,长时间运行相机自身会发热,导致芯片等物理器件发生微小的热翘曲变形,会导致相机在主点偏差上与初始的标定结果存在差异,使测量得到的数据存在噪声。

泵体高温发热

泵体在实验过程中表面会产生高温,造成3D-DIC设备采集时标志点出现变色、褶皱等情况,会导致标志点出现误差,3D-DIC技术软件计算过程中需选择数据比较稳定的点进行分析,但高温变化会带来部分噪声。

精度评估

综合上述两方面的影响,经过3D-DIC设备相机图像分析,评估整体3D-DIC设备测量精度在0.1mm以内。

实验结论

1)使用XTDIC-STROBE三维动态测量系统,借助高速摄像机能够在高帧速率下实现高分辨率,3D-DIC技术软件可以更清晰精确地分析被测物的位移和形变。

2)对泵体和电机进行测量,分析泵体和电机在完整测试阶段的变形,泵在暖泵阶段出现变形不一致的情况,导致泵体和电机发生不对中的情况。

3)通过泵体和电机表面的点的总位移曲线,以及各实验状态区间划分,可以看出泵体和电机在整个测试过程中,从暖泵开始,泵体和电机的位移不一致。

4)通过对泵体、电机、出水管和入水管的位移和变形数据分析,有助于在调试和试运行时发现问题,为后续分析处理及系统安全提供基础数据,为后续机组的安全运行提供有力保证。


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