專利名稱：核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測方法及其監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種核電站壓力管道的監(jiān)測方法和監(jiān)測系統(tǒng)，具體涉及一種核電站壓
力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測方法及其監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
核電站的壓力容器和管道存在大量的焊接結(jié)構(gòu)，在眾多的焊縫中會存在焊接缺 陷，同時，壓力容器與管道在役期間，往往由于開、停及工況(溫度與壓力)的波動而承受交 變載荷，同時還受環(huán)境(如輻射)和介質(zhì)(如腐蝕)等影響，這都會使壓力容器和管道中的 原有缺陷產(chǎn)生起裂、擴展，有時還會萌生新的缺陷。含有缺陷的壓力容器及管道，在生產(chǎn)中 引起裂紋的萌生、擴展，最終導致壓力容器與管道的失效。其失效形式有泄漏和爆破兩種。 為避免爆破的發(fā)生，破前漏(LBB， Break Before Leak)評定準則由此產(chǎn)生。LBB失效過程 分為四個階段表面裂紋亞臨界擴展；局部失穩(wěn)(裂紋穿透)；穿透裂紋亞臨界擴展和整體 失穩(wěn)(爆破或大破口 )。 目前國際公認的LBB標準規(guī)定必須使用三種獨立的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，分別采用三種 不同的監(jiān)測方法，聯(lián)合對核反應堆主回路系統(tǒng)壓力邊界泄漏進行監(jiān)測和評估。普遍采用的 三種泄漏監(jiān)測方法包括壓力邊界泄漏聲發(fā)射監(jiān)測、壓力邊界泄漏絕對濕度監(jiān)測和環(huán)境放 射性監(jiān)測。通過壓力邊界泄漏聲發(fā)射監(jiān)測和壓力邊界泄漏絕對濕度監(jiān)測，實現(xiàn)泄漏定位和 泄漏率估計，為應用LBB分析技術對設備裂紋尺寸計算和評估提供依據(jù)，防止大破口失水 事故的發(fā)生。但是，目前的壓力邊界泄漏聲發(fā)射監(jiān)測方法只能實現(xiàn)壓力管道泄漏的鑒別和 定位，不能對泄漏進行精確的定量分析，缺乏對泄漏率的有效估計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測方法及其監(jiān)測系 統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)可實現(xiàn)對核電站壓力管道泄漏定位和泄漏率估計。
本發(fā)明的技術方案如下 —種核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測方法，其特征在于所述的監(jiān)測方法按以下 步驟進行 步驟一 制備貫穿泄漏的管道泄漏試驗件，模擬核電站管道缺陷萌生、起裂、擴 展 利用0Crl8Nil0Ti高壓管材作為試件，采用電火花刻蝕加工，在管道試件內(nèi)表面 刻蝕一個軸向V形溝槽，利用壓力管道裂紋開口面積計算模型和裂紋泄漏計算模型，計算 出預期泄漏率對應的貫穿裂紋尺寸，將管道試件連接到液壓疲勞試驗裝置上，通過循環(huán)加 載，使得疲勞裂紋萌生、擴展并貫穿壁厚，直至達到預定的穿透裂紋長度，由此制作出不同 長度裂紋的泄漏試驗件； 步驟二對壓力管道泄漏進行鑒別、定位與定量 通過試驗標定微泄漏時聲發(fā)射信號幅度，作為泄漏鑒別閾值，通過動態(tài)檢測聲發(fā)
4射信號幅度有效值，在設定的時間段內(nèi)，聲發(fā)射信號幅度持續(xù)超過閾值，則認為泄漏發(fā)生；
根據(jù)聲發(fā)射信號在金屬管道上傳播，具有指數(shù)衰減的特性，通過試驗標定衰減系數(shù)，在監(jiān)測
區(qū)間管道上，安裝聲發(fā)射傳感器，監(jiān)測傳感器通道響應的聲發(fā)射信號幅度，利用信號指數(shù)衰
減特性，實現(xiàn)泄漏定位；在一定壓力范圍內(nèi)和一定泄漏率范圍內(nèi)，泄漏聲發(fā)射信號幅度與泄
漏率間具有指數(shù)關系，通過試驗標定出該系數(shù)，并做壓力和泄漏率適應性修正，通過連續(xù)監(jiān)
測泄漏聲發(fā)射信號幅度，即實現(xiàn)泄漏率的估計； 步驟三模擬核電站高溫高壓環(huán)境的管道貫穿裂紋泄漏 采用模擬核電站管道壓力和溫度的動力設備綜合試驗裝置測量試件貫穿裂紋的
泄漏率；在試驗段上設溫度、壓力測點；聲發(fā)射傳感器采用波導安裝方式，首先利用無裂紋
試件，進行管道保溫層熱致聲效應試驗，然后換用貫穿裂紋試件，將動力設備綜合試驗裝置
升溫升壓至額定工況，利用穩(wěn)壓器中的高溫高壓過熱水，作為泄漏介質(zhì)；打開試驗接口前端
截止閥和試驗段后端排氣閥，待試驗段內(nèi)充滿水，并且管內(nèi)溫度恒定時，關閉排氣閥；利用
壓力邊界泄漏監(jiān)測試驗樣機，對貫穿裂紋泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行不間斷采集、分析與
記錄；對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到泄漏定位與定量模型的衰減系數(shù)和標定系數(shù)。 如上所述的核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測方法，其特征在于所述監(jiān)測方法的
步驟二中對壓力管道泄漏進行鑒別、定位與定量需建立泄漏定位與泄漏率定量模型；泄漏
監(jiān)測以泄漏聲發(fā)射信號水平為壓力邊界泄漏鑒別特征量，通過對各通道的浮動噪聲水平進
行跟蹤監(jiān)測，同時將各時刻的信號水平與浮動噪聲水平進行比較，如果在一個比較長的時
間段內(nèi)，通道的信號水平均超過浮動噪聲水平，就可判斷出該區(qū)間發(fā)生了泄漏，同時進行壓
力邊界泄漏定位與定量估計，并發(fā)送泄漏報警信號；壓力邊界泄漏點產(chǎn)生的聲發(fā)射信號沿
管道表面?zhèn)鞑?，傳播過程中信號發(fā)生衰減，并具有隨距離指數(shù)衰減的特性；根據(jù)這一特性，
建立如下泄漏定位與泄漏率定量模型 設泄漏信號水平與噪聲水平疊加電壓為、(單位V)，噪聲水平為Ve(單位V)。壓
力邊界泄漏率與V。 VB有下列經(jīng)驗公式 G = a(VL-VB)k 其中G為泄漏率，L/min ; a、 k為常數(shù)，由試驗標定； 設監(jiān)測區(qū)間布置3只聲發(fā)射傳感器Si(i = 1，2，3)，聲發(fā)射傳感器Si在管道上位 置坐標為Xi，泄漏位置P的坐標為Xp。 &分別為三只傳感器所在位置響應的泄漏率，則
G丄=a(VL「VB1)k (1)
G2 = a(VL2-VB2)k (2)
G3 = a(VL3-VB3)k (3) 泄漏信號在金屬表面近似按指數(shù)衰減，設泄漏點泄漏率為GP則《=GP. exp-"' i=i,2,3 (4) 其中a為距離衰減常數(shù)，由試驗標定；
Li = I Xi-Xp I是傳感器到泄漏位置的距離。 根據(jù)具體情況代入標定的系數(shù)，通過以上算式建立的方程組可計算得到泄漏率和 泄漏位置，即實現(xiàn)泄漏定位與定量目標。
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—種核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的監(jiān)測系統(tǒng)由聲發(fā) 射信號探測器和電氣柜組成，具體如下 聲發(fā)射信號探測器包括螺紋適配座、波導桿、聲發(fā)射傳感器、電纜和前置放大器； 螺紋適配座通過螺紋與波導桿聯(lián)結(jié)，聲發(fā)射傳感器安裝在波導桿上，電纜的一端與聲發(fā)射 傳感器連接，另一端與前置放大器相連。 電氣柜是一個機柜，內(nèi)設有電源適配單元、顯示器、鍵盤鼠標和信號采集及處理模 塊；電源適配單元是一可將交流電源變換成直流電源，為聲發(fā)射傳感器前放提供工作電源 的機箱；信號采集及處理模塊內(nèi)設有控制器、低頻信號測量模塊、報警輸出模塊和聲發(fā)射信 號測量模塊，各模塊之間通過信號傳輸連接。 如上所述的螺紋適配座、波導桿聲發(fā)射傳感器有均有4個；所述的電氣柜內(nèi)的聲 發(fā)射信號電纜有4路，溫度信號電纜有1路，壓力信號電纜有1路，流量信號電纜有1路；所 述的信號采集及處理模塊中的控制器有1個，低頻信號測量模塊有1個，報警輸出模塊有1 個，聲發(fā)射信號測量模塊有3個。 本發(fā)明的效果在于本發(fā)明的監(jiān)測方法建立了核電站壓力管道貫穿裂紋泄漏定 量分析模型，實現(xiàn)了核電站壓力管道貫穿裂紋泄漏率估計，可模擬核電站管道缺陷萌生、起 裂、擴展、直至貫穿泄漏的管道泄漏，實現(xiàn)了泄漏區(qū)間定位和泄漏區(qū)間內(nèi)泄漏具體位置確 定，定位誤差0. 5m ;對泄漏率的估計，誤差±50%，提高了泄漏監(jiān)測的實時性和靈敏度；采 用泄漏聲發(fā)射鑒別閾鑒別、時間持續(xù)和通道聯(lián)合甄別，大大提高了系統(tǒng)的抗誤報警能力；監(jiān) 測對象泄漏組態(tài)圖形化，可視化強，在一個界面上完整反映了壓力管道、傳感器布置、泄漏 發(fā)生位置、泄漏率、各通道本底噪聲水平、信號水平等；采用了基于PXI總線的標準化和模 塊化設計，提高了系統(tǒng)的可靠性，方便了系統(tǒng)檢修和部件更換。


圖1是本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)原理圖。
圖2是本發(fā)明的監(jiān)測流程圖。
圖3是本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)使用狀態(tài)圖。 圖中1.聲發(fā)射信號探測器；2.螺紋適配座；3.波導桿；4.聲發(fā)射傳感器；5.電 纜；6.前置放大器；7.電氣柜；8.電源適配單元；9.顯示器；IO.鍵盤鼠標；ll.信號采集 及處理設備；12主控室；13.低頻信號測量模塊；14.報警控制模塊；15.聲發(fā)射信號測量模 塊；16.壓力管道；17.保溫層
具體實施例方式
本發(fā)明的原理如圖1所示，主要功能是在線監(jiān)測核反應堆壓力管道可能出現(xiàn)的泄 漏，并進行泄漏鑒別、定位和泄漏率估計。
本發(fā)明的監(jiān)測方法按以下步驟進行 步驟一 制備貫穿泄漏的管道泄漏試驗件，模擬核電站管道缺陷萌生、起裂、擴展。利用4根外徑①152mm、壁厚12mm，長度7700mm(由長500mm的裂紋試件，通過前
6后焊接長3600mm的管段構(gòu)成)的0Crl8Nil0Ti高壓管材作為試件，采用電火花刻蝕加工， 在管道試件內(nèi)表面刻蝕一個軸向V形溝槽，利用壓力管道裂紋開口面積計算模型和裂紋泄 漏計算模型，計算出預期泄漏率對應的貫穿裂紋尺寸，將管道試件連接到液壓疲勞試驗裝
置上，通過循環(huán)加載(循環(huán)加載參數(shù)工作壓力18. 75MPa、工作溫度常溫、加載工質(zhì)液
壓油、加載頻率lHz、加載波形正弦波、工作流量120L/min)，使得疲勞裂紋萌生、擴展 并貫穿壁厚，直至達到預定的穿透裂紋長度，由此制作出不同長度裂紋的泄漏試驗件。按照 額定壓力和溫度下泄漏率分別為3. 3L/min、5. 8L/min、8. 3L/min、11. 7L/min左右的要求制 作的裂紋，作為泄漏標定試件。4根裂紋試件的裂紋長度分別為39mm、46mm、51mm、55mm。
步驟二對壓力管道泄漏進行鑒別、定位與定量。 通過試驗標定微泄漏時聲發(fā)射信號幅度，作為泄漏鑒別閾值，通過動態(tài)檢測聲發(fā) 射信號幅度有效值，在設定的時間段內(nèi)，聲發(fā)射信號幅度持續(xù)超過閾值，則認為泄漏發(fā)生。 根據(jù)聲發(fā)射信號在金屬管道上傳播，具有指數(shù)衰減的特性，通過試驗標定衰減系數(shù)，在一個 監(jiān)測區(qū)間管道上，安裝3個聲發(fā)射傳感器，監(jiān)測3個傳感器通道響應的聲發(fā)射信號幅度，利 用信號指數(shù)衰減特性，實現(xiàn)泄漏定位。在一定壓力范圍內(nèi)和一定泄漏率范圍內(nèi)，泄漏聲發(fā)射 信號幅度與泄漏率間具有指數(shù)關系，通過試驗標定出該系數(shù)，并做壓力和泄漏率適應性修 正，通過連續(xù)監(jiān)測泄漏聲發(fā)射信號幅度，即實現(xiàn)泄漏率的估計。
步驟三模擬核電站高溫高壓環(huán)境的管道貫穿裂紋泄漏。 采用模擬核電站管道壓力和溫度的動力設備綜合試驗裝置，試驗段由回路隔離 閥、文丘里流量計、快速電動截止閥、裂紋試件及其前后延長管道等組成。文丘里流量計測 量試件貫穿裂紋的泄漏率。在試驗段上設溫度、壓力測點。聲發(fā)射傳感器采用波導安裝方 式，首先利用無裂紋試件，進行管道保溫層熱致聲效應試驗，然后換用一根貫穿裂紋試件， 將動力設備綜合試驗裝置升溫升壓至額定工況，利用穩(wěn)壓器中的高溫高壓過熱水，作為泄 漏介質(zhì)。打開試驗接口前端截止閥和試驗段后端排氣閥，待試驗段內(nèi)充滿水，并且管內(nèi)溫度 恒定時，關閉排氣閥。利用壓力邊界泄漏監(jiān)測試驗樣機，對貫穿裂紋泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號 進行不間斷采集、分析與記錄。對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到泄漏定位與定量模型的衰減系數(shù) 和標定系數(shù)。 泄漏監(jiān)測以泄漏聲發(fā)射信號水平(聲發(fā)射信號有效值RMS)為壓力邊界泄漏鑒別 特征量，通過對各通道的浮動噪聲水平進行跟蹤監(jiān)測，同時將各時刻的信號水平與浮動噪 聲水平進行比較，如果在一個比較長的時間段內(nèi)(如5分鐘，可設置)，通道的信號水平均超 過浮動噪聲水平3dB(泄漏鑒別閾，可設置)，就可判斷出該區(qū)間發(fā)生了泄漏，同時進行壓力 邊界泄漏定位與定量估計，并發(fā)送泄漏報警信號。壓力邊界泄漏點產(chǎn)生的聲發(fā)射信號沿管 道表面?zhèn)鞑?，傳播過程中信號發(fā)生衰減，并具有隨距離指數(shù)衰減的特性。根據(jù)這一特性，建 立如下泄漏定位與泄漏率定量模型 設泄漏信號水平與噪聲水平疊加電壓為、(單位V)，噪聲水平為VB (單位V)。壓
力邊界泄漏率與V。 VB有下列經(jīng)驗公式 G = a (VL_VB)k 其中G為泄漏率，L/min ; a、 k為常數(shù)，由試驗標定； 設監(jiān)測區(qū)間布置3只聲發(fā)射傳感器Si(i = 1，2，3)，聲發(fā)射傳感器Si在管道上位
7置坐標為Xi，泄漏位置P的坐標為Xp。 &分別為三只傳感器所在位置響應的泄漏率，則
G丄=a(VL「VB1)k (1)
G2 = a(VL2-VB2)k (2)
G3 = a(VL3-VB3)k (3) 泄漏信號在金屬表面近似按指數(shù)衰減，設泄漏點泄漏率為GP則 = Gp exp_ai' i=l,2,3 (4) 其中a為距離衰減常數(shù)，由試驗標定；
Li = |Xi-Xp|是傳感器到泄漏位置的距離。 根據(jù)具體情況代入標定的系數(shù)，通過以上算式建立的方程組可計算得到泄漏率和 泄漏位置，即實現(xiàn)泄漏定位與定量目標。 本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示，監(jiān)測系統(tǒng)由聲發(fā)射信號探測器1和電氣柜7組成。
聲發(fā)射信號探測器1包括4個螺紋適配座2和4個波導桿3、4個聲發(fā)射傳感器4、 4根連接電纜5和4個前置放大器6。螺紋適配座2通過螺紋與波導桿3聯(lián)結(jié)，聲發(fā)射傳感 器4安裝在波導桿3上，電纜5的一端與聲發(fā)射傳感器4連接，另一端與前置放大器6相連。
電氣柜7是一個600 (寬)X 1800 (高)X800 (深)的機柜，設有前后門和側(cè)板，前 門為透明門，前后門均上鎖，前后門密封采用密封膠條密封，側(cè)板采用卡扣安裝，底座上裝 有四個滾輪。機柜頂部開有出風孔，裝有l(wèi)個帶過濾器的風扇，下部開有進風孔，風扇電源 220V 50Hz AC/40W，直徑小120mm。機柜底部后側(cè)開有長方形孔，機柜內(nèi)有4路聲發(fā)射信號 電纜、1路溫度信號電纜、1路壓力信號電纜、1路流量信號電纜、報警輸出電纜，均通過此孔 進出。 電氣柜7內(nèi)設有電源適配單元8、顯示器9、鍵盤鼠標10和信號采集及處理模塊 11。電源適配單元8是一獨立的4U高的19時上架機箱，最多可為12路的聲傳感器前放提 供工作電源。該單元的主要功能是通過220V/50Hz的交流電源變換成12路24V/500mA的 直流電源，并將信號從輸出的直流電源中分離出來，進行輸出緩沖后送入信號采集及處理 模塊ll。信號的輸入輸出都從機箱的后部，并在機箱后部安裝220V電源的保險管。前面板 具有12路電源的信號指示燈、220VAc電源開關和指示燈。 信號采集及處理模塊11為一個9U的PXI總線機箱，包括1個PXI控制器12、 1個 低頻信號測量模塊13、 1個報警輸出模塊14和3個聲發(fā)射信號測量模塊15，這些模塊均為 PXI總線，模塊化結(jié)構(gòu)。 低頻信號測量模塊13技術參數(shù)
模塊尺寸6U PXI標準模塊，單道寬度；
通道數(shù)4 ;
模塊數(shù)l; 模數(shù)變換采樣率10kHz/通道(可程控)；
信號分辨率12bit士lLSB ;
觸發(fā)方式本地觸發(fā)、軟件觸發(fā)；
全通道信號動態(tài)范圍0 士10V ;
輸入阻抗1MQ ; 信號輸入方式PXI機箱P6連接器，BNC，懸浮安裝；
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隔離方式數(shù)字隔離。 報警控制模塊14提供4通道的繼電器觸點輸出模塊，根據(jù)系統(tǒng)的控制命令控制繼
電器的通斷狀態(tài)來實現(xiàn)4通道狀態(tài)報警狀態(tài)指示。繼電器接通時(報警狀態(tài))點亮對應的
面板發(fā)光二級管，斷開時熄滅對應的發(fā)光二極管。 聲傳感器信號測量模塊15技術參數(shù) 模塊尺寸6U PXI標準模塊，單道寬度； 通道數(shù)12; 模塊數(shù)3 ; 每個模塊的通道數(shù)4 ; 全通道信號動態(tài)范圍0 ±10V ; 輸入阻抗1MQ ; 信號輸入方式PXI機箱P6連接器，BNC，懸浮安裝； 隔離方式數(shù)字隔離； 模擬信號通道頻率范圍50kHz 200kHz ; 模擬帶通濾波3dB頻率50kHz 200kHz ， 8階巴特沃斯(butterworth)帶通濾波 器； 模擬輸入程控放大器2n， n = 0 6，放大倍數(shù)程控選擇，線性誤差小于1 % ; 模數(shù)變換采樣率10kHz/通道(可程控)； 信號分辨率12bit士lLSB ; 觸發(fā)方式本地觸發(fā)、軟件觸發(fā)和超值觸發(fā)； RMS計算時間電位器調(diào)節(jié)lms ls，具有100ms間隔的時間刻度指示。
本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)的使用狀態(tài)如圖4所示 使用時，將螺紋適配座2焊接在被測壓力管道16的外壁，穿過壓力管道16的保溫 層17與焊接在管道16上的螺紋適配座2的螺紋連接，波導桿3通過螺紋與螺紋適配座2 聯(lián)結(jié)，聲發(fā)射傳感器4安裝在波導桿3上，波導桿3把泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號傳給聲發(fā)射 傳感器4，聲發(fā)射信號通過電纜5經(jīng)過前置放大器6輸入到聲發(fā)射信號測量模塊15 ;同時， 低頻信號測量模塊13接收來自主控室12的回路溫度、流量、壓力信號，當有泄漏發(fā)生時，報 警控制模塊14向主控室12輸出報警信號。 本發(fā)明的核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)性能指標如下
序號參數(shù)名稱參數(shù)指標
1泄漏監(jiān)測壓力管線泄漏實時監(jiān)測
2聲發(fā)射傳感器安裝方式波導桿安裝
3檢測范圍可同時檢測3個區(qū)間(可擴展)
4聲發(fā)射傳感器諧振頻率150kHz
9序號參數(shù)名稱參數(shù)指標
5聲發(fā)射檢測通道工作頻率范圍50kHz 200kHz
6聲發(fā)射信號動態(tài)范圍90dB
7泄漏率檢測靈敏度3. 3L/min
8泄漏率檢測范圍3.3L/min 12L/min
9泄漏定位估計誤差±50%區(qū)間長度(監(jiān)測到泄漏的相鄰兩只傳感器 的距離)，
10泄漏率定量估計誤差±50% (泄漏率大于3. 3L/min時)； 為使監(jiān)測對象的泄漏組態(tài)圖形化、可視化，本系統(tǒng)配置有計算機，并編制了基于監(jiān) 測對象泄漏組態(tài)圖形化的軟件，通過系統(tǒng)與軟件的結(jié)合，在一個界面上可完整反映壓力管 道、傳感器布置、泄漏發(fā)生位置、泄漏率、各通道本底噪聲水平、信號水平等，從而進行泄漏 事件的數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)測結(jié)果的數(shù)據(jù)庫管理。壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測軟件設計為菜單管 理、主界面與子界面顯示、對話框設置界面的結(jié)構(gòu)形式。主菜單與下拉式子菜單設計見下 表
主菜單文件參數(shù)配置運行狀態(tài)數(shù)據(jù)査詢幫助
子用戶設置硬件參數(shù)配置泄漏監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)庫關于泄漏監(jiān)測
菜用戶管理算法參數(shù)配置停止監(jiān)測當曰數(shù)據(jù)庫泄漏監(jiān)測幫助
單用戶退出 菜單主界面對監(jiān)測對象(壓力管道)和聲發(fā)射傳感器運用圖形化方式組態(tài)，傳感 器安裝位置和壓力管道圖形尺寸等比例縮放，傳感器測量的聲發(fā)射信號水平用波形圖和數(shù) 字方式直觀顯示，便于觀察各通道信號水平隨時間變化的趨勢。有泄漏事件發(fā)生時，泄漏定 位的結(jié)果在壓力管道圖上標識出來，直觀表示泄漏位置與各傳感器安裝點的相對位置。同 時，在主界面的列表中顯示當前泄漏發(fā)生的時間、各通道的本底噪聲水平、各通道的聲發(fā)射 信號水平、泄漏定位結(jié)果、泄漏率估計值，同時報警輸出。當用戶選擇菜單上其他操作時，泄 漏監(jiān)測自動停止。 用戶設置對話框完成用戶名和口令的重新設置，用戶管理對話框?qū)τ脩舨僮髑闆r 進行查看，包括用戶、進入時間、退出時間。 硬件參數(shù)配置界面完成聲發(fā)射信號測量模塊、低頻信號測量模塊、報警輸出模塊 的各種硬件參數(shù)的配置，包括采樣頻率、采樣長度、程控增益、采樣間隔、通道校準數(shù)據(jù)等
的配置。 算法參數(shù)配置界面完成壓力管道和傳感器位置的各種物理尺寸、泄漏鑒別閾、泄
10漏鑒別持續(xù)時間、泄漏定位通道選擇、通道本底噪聲水平、標定系數(shù)、距離衰減常數(shù)等的配置。 泄漏監(jiān)測和停止監(jiān)測用于確定軟件的運行狀態(tài)。 歷史數(shù)據(jù)庫和當日數(shù)據(jù)庫分別實現(xiàn)選定時間內(nèi)的泄漏事件和當日泄漏事件的泄
漏信息查看。
實施例 采用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，利用動力設備綜合試驗裝置作為試驗平臺，分別將加 工的微孔試件、壓力管線貫穿裂紋的泄漏試驗段，連接到動力設備綜合試驗裝置試驗接口 上，對核電站壓力管道進行保溫層熱致聲效應試驗、微孔泄漏試驗和管道貫穿裂紋的泄漏 聲發(fā)射試驗 利用4根外徑①152mm、壁厚12mm，長度7700mm(由長500mm的裂紋試件，通過前 后焊接長3600mm的管段構(gòu)成)的0Crl8Nil0Ti高壓管材作為試件，采用電火花刻蝕加工， 在管道試件內(nèi)表面刻蝕一個軸向V形溝槽，利用壓力管道裂紋開口面積計算模型和裂紋泄 漏計算模型，計算出預期泄漏率對應的貫穿裂紋尺寸，將管道試件連接到液壓疲勞試驗裝
置上，通過循環(huán)加載(循環(huán)加載參數(shù)工作壓力18. 75MPa、工作溫度常溫、加載工質(zhì)液
壓油、加載頻率lHz、加載波形正弦波、工作流量120L/min)，使得疲勞裂紋萌生、擴展 并貫穿壁厚，直至達到預定的穿透裂紋長度，由此制作出不同長度裂紋的泄漏試驗件。按照 額定壓力和溫度下泄漏率分別為3. 3L/min、5. 8L/min、8. 3L/min、11. 7L/min左右的要求制 作的裂紋，作為泄漏標定試件。4根裂紋試件的裂紋長度分別為39mm、46mm、51mm、55mm(裂 紋試件按裂紋長度順序編號為No. l、No. 2、 No. 3、 No. 4)。 動力設備綜合試驗裝置設計壓力19. 6MPa、設計溫度350 口、流量100t/h。
壓力邊界泄漏試驗主要使用動力設備綜合試驗裝置的主系統(tǒng)、回路冷卻系統(tǒng)、壓 力安全系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等。 主回路系統(tǒng)由屏蔽泵、DN100手動調(diào)節(jié)閥、DN80電動調(diào)節(jié)閥、測量孔板(測量范圍
0 100t/h)組成。其功能是通過主泵使流體循環(huán)達到試驗額定工況。壓力安全系統(tǒng)由穩(wěn)壓器(容積8m3、電加熱器功率420KW)、凝汽罐(容積5m3)、噴
霧閥、單功能安全閥等組成。本系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行壓力、溫度和超壓保護。 回路冷卻系統(tǒng)由回路冷卻器、閥門及相應的管道、流量孔板等組成。冷卻器功率
300KW。該系統(tǒng)功能是調(diào)節(jié)回路溫度和降溫降壓。 補水系統(tǒng)由水箱、三聯(lián)柱塞泵、計量泵、閥門及管道組成。 泄漏試驗段從主回路泵出口段三通盲板處連接。泄漏試驗段由接管、試件給水管、 回路隔離閥、文丘里管流量計、快速電動截止閥、試件等組成。試驗段從主回路泵出口段三 通盲板處接出，設DN25手動截止閥，用于試驗段與主回路的隔離。在隔離閥后端布置一個 文丘里管流量計，測量試件貫穿裂紋的泄漏率。流量計測量范圍0 5001/h。在文丘里管 的前端設置溫度、壓力測點，測量回路流體到試驗支路的壓力、溫度變化。在文丘里管后段 設預熱排放管和排放截止閥，用于管道的預熱排水。試件前段設置快速電動截止閥，使流體 快速流通和截斷；試件后段設置截止閥，即試驗件排氣閥，用于試件的預熱排水。試驗段后 端除設有試驗件排氣閥外，還設有漏流排放閥和冷凝器。 保溫層用于試驗管道絕熱，同時用于進行回路升溫升壓過程保溫層熱致聲效應試
11CN 101706039 A 保溫材料復合硅酸鹽，內(nèi)外金屬覆面； 保溫層數(shù)量為4件內(nèi)徑192mm ;外徑440mm ;每件長度2m ;4件保溫層之間的連 接方式為卡扣絕熱密封連接。 每件保溫層上預裝有1個用于聲發(fā)射傳感器波導桿穿過保溫層的內(nèi)置接管。在保 溫層熱致聲效應試驗、微孔泄漏試驗和管道貫穿裂紋試驗中，試件前端管道(3600mm長)和 后端管道(3600mm長)上各焊接2個螺紋適配座，4根波導桿分別通過螺紋適配座連接到試 驗管道上，4個聲發(fā)射傳感器分別安裝在4根波導桿上。
1.保溫層熱致聲效應試驗 將3600mm長的試件前段和后段管與500mm的無裂紋試件焊接起來，將微孔泄漏試 驗段安裝就位，并包敷保溫層。將試驗段前端截止閥關閉，試驗段后端排氣閥和漏流排放閥 關閉。 運行動力設備綜合試驗裝置小環(huán)路，當回路壓力分別達到3MPa、6MPa、9MPa、12MPa 和15MPa時，開啟試驗接口前端截止閥，然后開啟試驗段后端排氣閥，預熱試驗段管道，當 試驗段內(nèi)介質(zhì)溫度穩(wěn)定后，關閉試驗段后端排氣閥，保溫保壓5分鐘。在整個升溫升壓和保 溫保壓過程中，利用泄漏聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對試驗段壓力和溫度進行測量，對保溫層及管路 自身產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行間斷性采集，對升壓、保壓過程聲發(fā)射信號進行分析。
2.微孔泄漏試驗 保溫層熱致聲效應試驗完成后，回路壓力已維持在15MPa，此時關閉前端截止閥，
打開微孔板后端漏流排放閥，利用泄漏聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對試驗段壓力、溫度和泄漏率進行
測量，對微孔泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行間斷性采集、分析與記錄，同時用量杯接收冷凝器
漏流并計時。直到系統(tǒng)測量不到聲發(fā)射信號為止，對微孔泄漏自然降壓過程中，測量壓力為
15MPa、12MPa、9MPa、6MPa、3MPa下較為穩(wěn)定的泄漏率和泄漏聲發(fā)射信號。分析各壓力臺階下
泄漏聲發(fā)射信號水平與泄漏率的關系，建立泄漏鑒別閾值。 3.裂紋泄漏試驗 (1)升降壓下裂紋泄漏試驗 將No. 1裂紋泄漏試件段安裝就位，并包敷保溫層。將試驗段前端截止閥和試驗
段后端排氣閥關閉。將波導桿、聲發(fā)射傳感器、前置放大器及信號電纜安裝就位，泄漏聲發(fā)
射監(jiān)測系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。運行動力設備綜合試驗裝置，當回路壓力分別達到3MPa、
6MPa、9MPa、12MPa和15MPa時，試驗管道預熱后，保溫保壓5分鐘，對試驗段壓力、溫度和流
量進行測量；對裂紋泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行間斷性采集、分析整個升溫升壓和保溫保
壓過程中，No. 1泄漏試件泄漏聲發(fā)射信號水平與壓力和泄漏率之間的關系。 關閉試驗段前端截止閥，進行泄漏自然降壓過程泄漏試驗，對降壓過程裂紋泄漏
產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行采集，直到系統(tǒng)測量不到聲發(fā)射信號為止。分析降壓過程No. l泄漏
試件泄漏聲發(fā)射信號水平與壓力和泄漏率之間的關系。
(2)恒壓與降壓下裂紋泄漏試驗 No. 1裂紋泄漏試件完成升降壓下裂紋泄漏試驗后，馬上開展恒壓與降壓下裂紋泄 漏試驗。將試驗段前端截止閥和后端排氣閥關閉，測試設備安裝就位。運行動力設備綜合 試驗裝置，當回路壓力達到15MPa時，開啟試驗接口前端截止閥和試驗段后端排氣閥，預熱
12試驗段管道，保溫保壓5分鐘，在溫度和壓力穩(wěn)定到15MPa時，對試驗段壓力、溫度和流量進 行測量，對裂紋泄漏聲發(fā)射信號進行不間斷采集，分析No. 1泄漏試件額定壓力下泄漏聲發(fā) 射信號水平與泄漏率之間的關系。 關閉試驗段前端截止閥，進行泄漏自然降壓過程泄漏試驗，在15MPa、 12MPa、9MPa、 6MPa、3MPa壓力下，當泄漏聲發(fā)射信號趨于穩(wěn)定后進行測量，對裂紋泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號 進行間斷性采集，直到系統(tǒng)測量不到聲發(fā)射信號為止。分析降壓過程No. l泄漏試件泄漏聲 發(fā)射信號水平與壓力和泄漏率之間的關系。 分別用No. 2、No. 3和No. 4泄漏試件，替換No. 1泄漏試件，重復上述升降壓下裂紋 泄漏試驗和恒壓與降壓下裂紋泄漏試驗過程。 通過對上述試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析和處理，獲得保溫層熱致聲效應特性，獲得泄 漏聲發(fā)射鑒別閾值，獲得升壓過程和降壓過程中，泄漏聲發(fā)射信號水平與壓力和泄漏率之 間的數(shù)學關系，利用各試件、在不同壓力下，各傳感器通道響應的的聲發(fā)射信號水平與泄漏 率之間的關系，通過數(shù)學處理，獲得泄漏定位與定量算法中的距離衰減常數(shù)和試驗標定系 數(shù)。
1權(quán)利要求
一種核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測方法，其特征在于所述的監(jiān)測方法按以下步驟進行步驟一制備貫穿泄漏的管道泄漏試驗件，模擬核電站管道缺陷萌生、起裂、擴展利用0Cr18Ni10Ti高壓管材作為試件，采用電火花刻蝕加工，在管道試件內(nèi)表面刻蝕一個軸向V形溝槽，利用壓力管道裂紋開口面積計算模型和裂紋泄漏計算模型，計算出預期泄漏率對應的貫穿裂紋尺寸，將管道試件連接到液壓疲勞試驗裝置上，通過循環(huán)加載，使得疲勞裂紋萌生、擴展并貫穿壁厚，直至達到預定的穿透裂紋長度，由此制作出不同長度裂紋的泄漏試驗件；步驟二對壓力管道泄漏進行鑒別、定位與定量通過試驗標定微泄漏時聲發(fā)射信號幅度，作為泄漏鑒別閾值，通過動態(tài)檢測聲發(fā)射信號幅度有效值，在設定的時間段內(nèi)，聲發(fā)射信號幅度持續(xù)超過閾值，則認為泄漏發(fā)生；根據(jù)聲發(fā)射信號在金屬管道上傳播，具有指數(shù)衰減的特性，通過試驗標定衰減系數(shù)，在監(jiān)測區(qū)間管道上，安裝聲發(fā)射傳感器，監(jiān)測傳感器通道響應的聲發(fā)射信號幅度，利用信號指數(shù)衰減特性，實現(xiàn)泄漏定位；在一定壓力范圍內(nèi)和一定泄漏率范圍內(nèi)，泄漏聲發(fā)射信號幅度與泄漏率間具有指數(shù)關系，通過試驗標定出該系數(shù)，并做壓力和泄漏率適應性修正，通過連續(xù)監(jiān)測泄漏聲發(fā)射信號幅度，即實現(xiàn)泄漏率的估計；步驟三模擬核電站高溫高壓環(huán)境的管道貫穿裂紋泄漏采用模擬核電站管道壓力和溫度的動力設備綜合試驗裝置測量試件貫穿裂紋的泄漏率；在試驗段上設溫度、壓力測點；聲發(fā)射傳感器采用波導安裝方式，首先利用無裂紋試件，進行管道保溫層熱致聲效應試驗，然后換用貫穿裂紋試件，將動力設備綜合試驗裝置升溫升壓至額定工況，利用穩(wěn)壓器中的高溫高壓過熱水，作為泄漏介質(zhì)；打開試驗接口前端截止閥和試驗段后端排氣閥，待試驗段內(nèi)充滿水，并且管內(nèi)溫度恒定時，關閉排氣閥；利用壓力邊界泄漏監(jiān)測試驗樣機，對貫穿裂紋泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行不間斷采集、分析與記錄；對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到泄漏定位與定量模型的衰減系數(shù)和標定系數(shù)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測方法，其特征在于所述監(jiān) 測方法的步驟二中對壓力管道泄漏進行鑒別、定位與定量建立泄漏定位與泄漏率定量模 型；泄漏監(jiān)測以泄漏聲發(fā)射信號水平為壓力邊界泄漏鑒別特征量，通過對各通道的浮動噪 聲水平進行跟蹤監(jiān)測，同時將各時刻的信號水平與浮動噪聲水平進行比較，如果在一個比 較長的時間段內(nèi)，通道的信號水平均超過浮動噪聲水平，就可判斷出該區(qū)間發(fā)生了泄漏，同 時進行壓力邊界泄漏定位與定量估計，并發(fā)送泄漏報警信號；壓力邊界泄漏點產(chǎn)生的聲發(fā) 射信號沿管道表面?zhèn)鞑?，傳播過程中信號發(fā)生衰減，并具有隨距離指數(shù)衰減的特性；根據(jù)這 一特性，建立如下泄漏定位與泄漏率定量模型設泄漏信號水平與噪聲水平疊加電壓為、(單位V)，噪聲水平為Ve(單位V)。壓力 邊界泄漏率與V。 VB有下列經(jīng)驗公式 G = a(VL-VB)k 其中G為泄漏率，L/min ; a、k為常數(shù)，由試驗標定；設監(jiān)測區(qū)間布置3只聲發(fā)射傳感器Sji = 1，2，3)，聲發(fā)射傳感器Si在管道上位置坐 標為Xi，泄漏位置P的坐標為Xp。 &分別為三只傳感器所在位置響應的泄漏率，則G,a(W)k (1) G2 = a(VL2-VB2)k (2) G3 = a(VL3-VB3)k (3)泄漏信號在金屬表面近似按指數(shù)衰減，設泄漏點泄漏率為GP則= G,exp_"'i = l，2，3 (4)其中a為距離衰減常數(shù)，由試驗標定； b = |Xi-Xp|是傳感器到泄漏位置的距離。根據(jù)具體情況代入標定的系數(shù)，通過以上算式建立的方程組可計算得到泄漏率和泄漏 位置，即實現(xiàn)泄漏定位與定量目標。
3. —種核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的監(jiān)測系統(tǒng)由聲發(fā)射 信號探測器(1)和電氣柜(7)組成，具體如下聲發(fā)射信號探測器(1)包括螺紋適配座(2)、波導桿(3)、聲發(fā)射傳感器(4)、電纜(5) 和前置放大器(6);螺紋適配座(2)通過螺紋與波導桿(3)聯(lián)結(jié)，聲發(fā)射傳感器(4)安裝在 波導桿(3)上，電纜(5)的一端與聲發(fā)射傳感器(4)連接，另一端與前置放大器(6)相連。電氣柜(7)是一個機柜，內(nèi)設有電源適配單元(8)、顯示器(9)、鍵盤鼠標(10)和信號 采集及處理模塊(11);電源適配單元(8)是一可將交流電源變換成直流電源，為聲發(fā)射傳 感器(4)前放提供工作電源的機箱；信號采集及處理模塊(11)內(nèi)設有控制器(12)、低頻信 號測量模塊(13)、報警輸出模塊(14)和聲發(fā)射信號測量模塊(15)，各模塊之間通過信號傳 輸連接。
4. 按照權(quán)利要求3所述的核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的 螺紋適配座(2)、波導桿(3)、聲發(fā)射傳感器有(4)均有4個；所述的電氣柜(7)內(nèi)的聲發(fā)射 信號電纜有4路，溫度信號電纜有1路，壓力信號電纜有1路，流量信號電纜有1路；所述的 信號采集及處理模塊(11)中的控制器(12)有1個，低頻信號測量模塊(13)有1個，報警 輸出模塊(14)有1個，聲發(fā)射信號測量模塊(15)有3個。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種核電站壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測方法及其監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測方法是制備壓力管道泄漏試驗件，模擬核電站管道缺陷萌生、起裂、擴展直至貫穿泄漏，進行泄漏聲發(fā)射標定試驗，模擬核電站高溫高壓環(huán)境的管道貫穿裂紋泄漏。監(jiān)測系統(tǒng)采用基于PXI總線的標準化和模塊化設計，方便系統(tǒng)檢修和部件更換。采用本發(fā)明的監(jiān)測方法及其監(jiān)測系統(tǒng)可進行泄漏事件的數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)測結(jié)果的數(shù)據(jù)庫管理，完整反映泄漏發(fā)生位置及其泄漏率的動態(tài)變化。
文檔編號F17D5/06GK101706039SQ20091021631
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者何攀, 劉才學, 宋健, 王瑤, 艾瓊, 黃禮淵 申請人:中國核動力研究設計院