基于聲信號(hào)的主管道裂紋研究

姜瑩瑩，夏 虹，朱少民

(哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

自第一座核電站并網(wǎng)發(fā)電以來，核電已經(jīng)歷經(jīng)80余個(gè)春秋。期間發(fā)生了三次較為嚴(yán)重的核電事故，每一次事故的發(fā)生都對(duì)核電安全提出更高的要求。反應(yīng)堆主管道作為一回路承壓邊界，其完整性對(duì)核電站運(yùn)行安全意義重大。傳統(tǒng)上，將主管道雙端剪切斷裂作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，設(shè)計(jì)了防甩擊系統(tǒng)等安全防護(hù)系統(tǒng)。但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析表明，主管道雙端剪切斷裂發(fā)生的概率很小，因此而設(shè)計(jì)的防護(hù)系統(tǒng)使得反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，成本過高。通常管道的斷裂由裂紋逐漸發(fā)展而來。裂紋是導(dǎo)致壓力管道失效較常見的原因[1]。

管道裂紋研究在城市輸水管道、城市輸氣管道、石油管道較為廣泛，在核領(lǐng)域也有所研究。裂紋研究方法可以分為仿真和試驗(yàn)兩大類。由于核級(jí)管道工況較為惡劣、試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)較為困難，因此本文采用有限元模擬的方法研究主管道裂紋。目前，在管道內(nèi)裂紋檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的有漏磁法[2]、紅外成像法[3]、超聲波法[4]、視頻成像法[5]等。聲發(fā)射是指材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[6]，管道產(chǎn)生泄漏是因?yàn)楣艿酪虿牧细g老化、溫度梯度或其他外力作用產(chǎn)生裂紋或者腐蝕孔，管道內(nèi)外存在壓力差而使管道中的流體向外泄漏的現(xiàn)象。其中，流體通過裂紋或者腐蝕孔向外噴射形成聲源，然后通過與管道的相互作用，聲源向外幅射能量形成聲波。這就是管道泄漏聲發(fā)射現(xiàn)象。通過儀器對(duì)這些因泄漏引起的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集和分析處理，就可以對(duì)泄漏及其位置進(jìn)行判斷。其優(yōu)點(diǎn)主要有：聲發(fā)射適用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；聲發(fā)射傳感器靈敏度高，可以監(jiān)測(cè)到管道中的微小裂痕；定位能力強(qiáng)；方法簡(jiǎn)單。

基于聲信號(hào)的無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用范圍目前包括金屬疲勞[7]、復(fù)合材料損傷[8]、航空航天領(lǐng)域[9]、建筑結(jié)構(gòu)[10]、化學(xué)結(jié)晶[11]和核能[12]等專業(yè)領(lǐng)域。本文主要研究主管道裂紋與聲發(fā)射信號(hào)間的關(guān)聯(lián)，為主管道完整性監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)。

1 完整管道穩(wěn)態(tài)流固耦合

1.1 前處理

ANSYS有限元流固耦合分析的前處理部分包括創(chuàng)建幾何模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格三部分。幾何建模部分采用SolidWorks建立固體管道的幾何模型，結(jié)合ANSYS DM模塊的填充功能建立管道內(nèi)流體模型。本文的研究對(duì)象為AP1000的主管道熱管段。管道由直管段和彎管兩部分構(gòu)成，其內(nèi)徑為787 mm，壁厚85 mm，彎管的彎曲半徑為1 429.3 mm，彎曲角度為56.4°[13]。管道幾何模型如圖1所示。

圖1 管道幾何模型

AP1000的主管道材料為316L型不銹鋼，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 物性參數(shù)

管內(nèi)流體為水，經(jīng)查物性參數(shù)表，15.51 MPa、321 ℃條件下水的密度677.552 68 kg/m3,動(dòng)力黏度為0.000 080 09 kg/m·s。主管道的固體部分和流體部分分別采用Tetrahedrons和Inflation的劃分網(wǎng)格方法，得到的網(wǎng)格質(zhì)量如表2所示，均達(dá)到了計(jì)算要求。

表2 網(wǎng)格質(zhì)量

1.2 求解與后處理

本文主要研究管道的受力情況，可以僅考慮流體對(duì)于管道的作用而忽略管道對(duì)流體的作用，因此利用ANSYS Workbench平臺(tái)進(jìn)行單向流固耦合。流體部分利用Fluid Flow(Fluent)模塊對(duì)流體進(jìn)行求解，設(shè)定流體的材料、邊界條件、收斂條件、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)對(duì)象，得到的流體與固體交界面壓力分布圖。

再將流體計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到Static Structural模塊，計(jì)算管道在流體作用下的受力分布情況，得到如圖2所示的管道變形云圖。

圖2 管道變形云圖

從穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果可以得出如下結(jié)論：在彎管管道中，流體由于運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)方向的改變對(duì)彎管外部的沖擊作用最大，彎管部分變形最大。因此在運(yùn)行過程中，主管道的彎管部分最易發(fā)生裂紋和破損。為了保證研究工作意義和效率最大化，在接下來對(duì)于裂紋的研究中，將裂紋設(shè)定在管道的彎曲部分。

2 管道瞬態(tài)流固耦合

由于聲信號(hào)本質(zhì)上是機(jī)械信號(hào)，且由聲源振動(dòng)產(chǎn)生，本研究中將發(fā)生裂紋處視為發(fā)出信號(hào)的聲源。因此，可以研究聲源振動(dòng)的幅值和頻率特性研究裂紋的與聲信號(hào)間的關(guān)系。聲信號(hào)是與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，僅對(duì)管道進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流固耦合是不夠的。本節(jié)介紹瞬態(tài)條件下的流固耦合。

瞬態(tài)流固耦合同穩(wěn)態(tài)類似，分為前處理、求解與后處理。在裂紋建模階段，參考了文獻(xiàn)[14]中對(duì)油氣管道的裂紋研究結(jié)果，將裂紋形狀簡(jiǎn)化為橢圓形，彎管處的裂紋尺寸設(shè)定為寬2 mm、深10 mm,裂紋長(zhǎng)度分別取20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm、200 mm，并設(shè)定一組無裂紋的完整管道模型作為對(duì)比。裂紋位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)在管道上的位置如圖3所示。

圖3 裂紋及監(jiān)測(cè)點(diǎn)在管道上的位置

根據(jù)流體的流速、管長(zhǎng)等特性，設(shè)定迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 1 s，迭代步數(shù)為5 000次。將流體對(duì)管道的動(dòng)壓計(jì)算結(jié)果作用在管壁上，并對(duì)管道裂紋外表面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可得到時(shí)間與聲源加速度之間的關(guān)系圖。無裂紋管道聲源加速度-時(shí)間圖如圖4所示。

圖4 無裂紋管道聲源加速度-時(shí)間圖

3 裂紋條件下聲信號(hào)分析

通過ANSYS有限元模擬，可以直接得到聲源(即裂紋處)的加速度-時(shí)間圖。假定時(shí)間為t,聲源的加速度為a,則聲源的位移為加速度關(guān)于時(shí)間的積分。對(duì)振幅信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，可得到完整管道、不同裂紋長(zhǎng)度的頻譜圖，分別如圖5、圖6所示。從頻譜圖可以看出，完整管道與存在裂紋管道間頻譜差別較大。當(dāng)彎管出現(xiàn)裂紋時(shí)，聲源振動(dòng)頻率在3 500 Hz附近出現(xiàn)突變。

圖5 完整管道頻譜圖

將頻譜圖3 000～4 000 Hz部分進(jìn)行放大，如圖6所示。從圖6可知，彎管處不同長(zhǎng)度的裂紋其頻譜圖略有差異。

圖6 不同長(zhǎng)度裂紋局部頻譜圖

裂紋尺寸特性包括寬度、深度和長(zhǎng)度三個(gè)參數(shù)。為比較聲源頻譜圖在寬度和深度上差異敏感性，將寬2 mm、深10 mm、長(zhǎng)180 mm的裂紋與寬2 mm、深45 mm、長(zhǎng)180 mm的裂紋頻譜圖進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖7 不同深度裂紋頻譜圖

比較不同寬度、深度及長(zhǎng)度的頻譜圖可知，聲源頻率對(duì)于裂紋寬度的敏感性高于裂紋深度和裂紋長(zhǎng)度。但不同尺寸裂紋的頻譜圖存在差異，證明不同尺寸裂紋產(chǎn)生的聲信號(hào)是不同的。因此，基于聲信號(hào)進(jìn)行管道完整性監(jiān)測(cè)的方法是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過本仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了聲頻率在管道無裂痕和有裂紋時(shí)在3 500 Hz處存在明顯差異，證明以聲信號(hào)為依據(jù)監(jiān)測(cè)管道完整性的方法是可行的。頻率對(duì)于裂紋長(zhǎng)度的敏感度不及裂紋深度和寬度，但是不同尺寸的裂紋產(chǎn)生的聲音頻譜圖之間存在差異。在接下來的研究中，會(huì)對(duì)不同尺寸的非貫穿裂紋和貫穿裂紋的聲音頻譜圖進(jìn)行深度挖掘，探索聲信號(hào)與管道完整性之間的關(guān)系，建立基于聲信號(hào)的核電廠主管道完整性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。