基于超聲導波的核電設(shè)備缺陷監(jiān)測技術(shù)研究

劉 暢，鄧晶晶，王 浩，秦炎鋒，胡超杰，賀寅彪

基于超聲導波的核電設(shè)備缺陷監(jiān)測技術(shù)研究

劉 暢1，鄧晶晶1，王 浩2，秦炎鋒1，胡超杰3，賀寅彪1

（1. 上海核工程研究設(shè)計院有限公司工程設(shè)備所，上海 200233；2. 山東核電有限公司，山東 煙臺 264043；3. 華東理工大學，上海 200237）

核電廠承壓邊界的健康狀態(tài)直接影響機組運行的安全性和經(jīng)濟性。如在定期在役檢查中發(fā)現(xiàn)了承壓容器或管道的一定容許缺陷，對這些缺陷進行檢測、跟蹤和評估具有非常重要的意義。本文開展超聲導波技術(shù)對承壓邊界中缺陷的定位算法研究及裝置開發(fā)，進而完成了某核電廠的常規(guī)島某管道焊縫容許缺陷檢測的應(yīng)用。研究表明該方法能夠較為準確地對已有缺陷進行定位，現(xiàn)階段作為在役檢查的輔助手段，對在役承壓容器的使用壽命及其繼續(xù)運行的安全評估有非常重要的指導意義。

承壓邊界；導波技術(shù)；缺陷監(jiān)測

推進在役電廠智能運維，從而確保機組安全高效運行，是數(shù)字化電廠的重要發(fā)展方向。目前絕大多數(shù)電廠運維均為以時間為依據(jù)的預防性維修，其中存在一定程度的過度維修，因維修造成的老化、磨損、非必要的經(jīng)濟投入比比皆是。在大型先進壓水堆核電站的全生命周期運行維護中，針對關(guān)鍵設(shè)備運行情況保持設(shè)計要求、物理技術(shù)狀態(tài)和技術(shù)文件狀態(tài)之間的一致性，是核電廠運行維護的重要目標，也是定期安全評審和電廠許可證延續(xù)的重要檢查內(nèi)容。

與傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)相比，基于導波技術(shù)的設(shè)備缺陷監(jiān)測可作為其輔助手段，以不破壞被監(jiān)測設(shè)備本身為前提，利用導波激勵、接收及不間斷地獲得設(shè)備的狀態(tài)信息[1,2]。當設(shè)備中出現(xiàn)損傷時，導波會與設(shè)備缺陷發(fā)生相互作用并產(chǎn)生反射、散射等現(xiàn)象。通過傳感器接收到的帶有設(shè)備健康狀況信息的導波信號，并利用信號處理方法提取出反映損傷信息的信號特征，最終采用合適的損傷識別方法或定位成像方法確定結(jié)構(gòu)的健康狀況[3-5]。

本文將超聲導波技術(shù)應(yīng)用于核電廠承壓設(shè)備，形成一套“承壓邊界缺陷探測裝置”，其主要由硬件系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng)、缺陷定位軟件算法系統(tǒng)組成，其中硬件系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器、數(shù)字示波器、輸入輸出接口、壓電傳感器陣列及相關(guān)機箱與板卡等；控制系統(tǒng)用于控制導波信號的激發(fā)、采集、保存，并與定位程序交互調(diào)用，本文使用LabVIEW軟件平臺對控制系統(tǒng)進行開發(fā)；缺陷定位的軟件算法應(yīng)用了高精度改進橢圓算法，通過MATLAB語言開發(fā)。系統(tǒng)具有耐高溫、耐噪聲、微弱信號響應(yīng)敏感等特征。

1　缺陷信號的處理和定位

缺陷的精確定位是應(yīng)用超聲導波開展設(shè)備缺陷監(jiān)測的一項關(guān)鍵技術(shù)，導波信號的處理將直接決定本技術(shù)能否通過提取缺陷散射信號特征，從而對設(shè)備缺陷進行定位。

影響導波檢測信號的因素很多，比如環(huán)境背景噪聲、設(shè)備工作溫度、不連續(xù)的結(jié)構(gòu)形狀等，這些因素常常使得散射信號的信噪比不能達到理想的應(yīng)用要求。本文將通過如下三個關(guān)鍵技術(shù)的研究，來得到用于缺陷定位算法的較為合適的信號，分別是“檢測信號中的噪聲處理、損傷信號相對于基準信號的時間零點漂移以及非檢測模態(tài)波包的干擾”研究。這些分析研究所得的信號處理的方法，在本文第2章所述的核電廠工程探索中得到了應(yīng)用和驗證。

1.1　檢測信號的降噪處理

導波在承壓容器中傳播，部分波形會發(fā)生頻率的改變，傳感器接收到的導波信號是混頻信號。本文采用Filter帶通濾波器對導波檢測信號進行濾波，濾除低頻與高頻雜波信號，只保留以激勵頻率為中心的一定帶寬的導波信號。

為了降低噪聲信號對檢測結(jié)果的影響，采用小波變換對檢測信號進行降噪處理。小波變換是基于傅里葉變換理論發(fā)展而來的，是一種時間-頻率分析方法[6]。本文應(yīng)用該方法對一組典型信號進行處理，原始信號與處理后的信號如圖1所示。

從圖中可以看出小波降噪可以有效地降低邊界反射以及其他因被檢測結(jié)構(gòu)的幾何特征所造成的影響，從而突出缺陷的信號特征。這樣的一組增強、濾波后的信號，可通過橢圓成像算法或者概率成像算法確定缺陷位置。

此外，超聲導波在檢測微小裂紋損傷時信號會非常微弱，此時應(yīng)進行信號增強的研究。本研究采用高階同步壓縮小波變換在頻率方向上對時頻能量進行壓縮得到時頻結(jié)果，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造基于Hessian矩陣和擴散張量的增強濾波器進一步增強損傷的時頻特征，再利用自適應(yīng)時頻脊線提取算法提取出損傷特征。同步壓縮變換方法通過估計時頻平面上每點的瞬時頻率，將瞬時頻率相近的點在頻率方向上壓縮，以提高時頻聚集性。而高階同步壓縮小波變換則是在同步壓縮變換的基礎(chǔ)上通過構(gòu)建高階瞬時頻率估計算子，提高時頻平面上每點的瞬時頻率估計精度，以達到提高信號時頻能量集中程度的目的。該方法從典型的快時變調(diào)幅調(diào)頻信號模型出發(fā)，對其進行泰勒展開，構(gòu)建高階調(diào)頻算子和高階群延時算子去計算瞬時頻率的高階近似結(jié)果，再進行壓縮重排，在頻率方向上對時頻能量壓縮。

圖1　導波信號的小波降噪處理結(jié)果

1.2　檢測信號的時間零點漂移

圖2為壓力容器筒身結(jié)構(gòu)缺陷定位成像獲得的一組經(jīng)過濾波降噪后的時域信號。

圖2 損傷信號與基準信號的時域波形

將圖2中基準信號與損傷信號放大可以看出損傷信號相對于基準信號存在著一定的時延，即損傷信號與基準信號的時間零點沒有準確對應(yīng)。這導致差值信號包絡(luò)出來的缺陷散射信號在幅值與傳播時間上都相對實際值發(fā)生了改變，利用成像算法程序?qū)@樣的信號處理得到的缺陷位置與實際缺陷位置將會存在一定的偏差。因此，為提高成像算法程序的缺陷定位精度，需要校準損傷信號與基準信號的時間零點。

分析信號的時域波形可以發(fā)現(xiàn)，除了缺陷反射信號以外，損傷信號與基準信號的直達波的波包形狀等特征基本是一致的，僅在幅值上存在一定削弱。而且直達波的波包幅值都是大于反射信號的幅值。因此，可以以直達波波包的最大峰值所對應(yīng)的時間點為基準來校準損傷信號與基準信號的時間零點。圖3是經(jīng)過時間零點校準后獲得時域信號，從圖中可以看出此時損傷信號與基準信號波形時間軸上完全重合了。因此，該差值信號包絡(luò)出的缺陷散射波將會更加接近真實情況，從而提高成像算法程序的缺陷定位精度。

圖3 時間零點校準后的信號波形圖

1.3　信號區(qū)間長度的截取

圖4為壓力容器筒身缺陷定位成像獲得的一組經(jīng)過濾波降噪后的時域信號，區(qū)間長度為0.000 6 s。從圖中可以看出，（0，1）以及（0，1）這兩種非檢測模態(tài)的波包的差值信號包絡(luò)幅值較大，甚至接近（0，2）模態(tài)的差值信號包絡(luò)出的散射波幅值。本文采用（0，2）模態(tài)作為檢測模態(tài)，在成像算法程序中，采用固定的（0，2）模態(tài)的群速度。由成像算法的原理可知，當算法程序以（0，1）或（0，1）模態(tài)的傳播時間與（0，2）模態(tài)的波速的乘積作為橢圓軌跡時，該軌跡是大于真實的缺陷橢圓軌跡的，即缺陷并不位于該橢圓軌跡上，這使得成像算法程序所確定的缺陷位置與實際位置存在一定偏差[1]。因此，選取合適的檢測信號的時間長度有利于提高算法程序的缺陷定位精度[7]。以本研究中的筒身為例，信號中各模態(tài)差值信號包絡(luò)如圖5所示。檢測區(qū)域中所有PZT（壓電陶瓷驅(qū)動器）的相對距離之和為1.26 m，（0，2）模態(tài)的波速約為5 200 m/s，所需傳播時間2.423×10-4s，考慮波包寬度以及裕量[8,9]，所以選取檢測信號的時間長度為3×10-4s。

圖4 典型缺陷降噪時域信號

圖5　信號中各模態(tài)差值信號包絡(luò)

綜上所述，通過對檢測信號進行時間零點校準以及選擇合適的時長區(qū)間等方法優(yōu)化了成像算法程序后，得到的筒身上的缺陷定位成像結(jié)果如圖6所示。

分別對比橢圓成像算法定位和概率成像算法定位結(jié)果，缺陷定位精度均有了很大的提升。通過檢測信號時間零點校準以及選擇合適的時長區(qū)間優(yōu)化成像算法程序后，能夠較大地提高筒身的缺陷定位精度。

2 核電廠中的典型缺陷測量

某核電廠在定期無損檢測中發(fā)現(xiàn)常規(guī)島凝結(jié)水系統(tǒng)管道焊縫缺陷，加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道的壁厚減薄。本文應(yīng)用本次研究的基于導波技術(shù)的結(jié)構(gòu)缺陷在線監(jiān)測裝置進行了工程探索。搭建承壓裝備在線監(jiān)測的軟、硬件平臺，將系統(tǒng)所需的計算機、信號發(fā)生器、示波器、功率放大器、信號繼電器開關(guān)矩陣、測試傳感器部件進行模塊化組合，形成便攜式基于導波的承壓容器缺陷定位專用裝置。

圖6　筒身缺陷定位結(jié)果

2.1　控制系統(tǒng)的集成

將導波信號采集程序嵌入到多通道矩陣開關(guān)控制程序。軟件矩陣開關(guān)的控制參數(shù)輸入項包括配置傳感器數(shù)量、傳感器對的連通時間以及信號采集模式；軟件還包含導波信號采集與保存的參數(shù)設(shè)置，包括示波器的地址的確定、文件類型的選擇、波形長度區(qū)間的設(shè)置等。系統(tǒng)控制矩陣開關(guān)通道的閉合與打開，實現(xiàn)了傳感器陣列中不同傳感器對的互連，完成該傳感器對導波信號的激發(fā)與接收。系統(tǒng)再將示波器中信號保存成一個數(shù)據(jù)文件并存儲在指定文件夾中。一次通道的變化對應(yīng)采集一個導波信號，大大提高了承壓裝備超聲導波檢測的實驗效率。

2.2　測量與信號采集

對凝結(jié)水系統(tǒng)管道、加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道缺陷進行導波技術(shù)的缺陷檢測，測量包含以下方面的內(nèi)容：

（1）凝結(jié)水系統(tǒng)管道焊縫的缺陷識別；

（2）加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道壁厚減薄的缺陷識別。

對于凝結(jié)水系統(tǒng)管道焊縫缺陷，首先應(yīng)用有限元模型模擬缺陷，確定傳感器的布置方案，如圖7所示。后工程現(xiàn)場實施，如圖8所示，采集獲得的信號如圖9所示。

應(yīng)用本文第1章所述的方法進行信號處理和橢圓定位，缺陷的定位結(jié)果如圖10所示。

圖7　凝結(jié)水系統(tǒng)管道焊縫缺陷傳感器布置有限元模型

圖8　凝結(jié)水系統(tǒng)管道焊縫缺陷傳感器布置示意

圖9　凝結(jié)水系統(tǒng)管道焊縫缺陷導波信號

圖10　凝結(jié)水系統(tǒng)管道焊縫缺陷定位結(jié)果

對加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道壁厚減薄，首先應(yīng)用超聲導波信號獲得加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道壁厚數(shù)據(jù)，根據(jù)壁厚分布情況，選取壁厚最薄弱處設(shè)置導波缺陷測點，并對導波信號進行分析，獲得缺陷的位置、形狀、大小等信息（見圖11、圖12）。

從圖13中可以明顯看出，當結(jié)構(gòu)中存在缺陷時導波信號模態(tài)復雜，激勵信號與缺陷相互作用出現(xiàn)了模態(tài)轉(zhuǎn)換，因此要根據(jù)傳感器位置優(yōu)化波速參數(shù)。在此基礎(chǔ)上進行損傷定位，定位結(jié)果如圖14所示。

圖11　加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道壁厚減薄傳感器布置有限元模型

圖12　加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道壁厚減薄傳感器布置圖

圖13　加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道壁厚減薄無損傷導波信號

圖14　加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道損傷定位結(jié)果

3 缺陷定位的誤差分析

本節(jié)對基于超聲導波的缺陷監(jiān)測結(jié)果與定期無損檢測結(jié)果進行對比，以分析本文提出的方法測量結(jié)果的誤差情況。分別對比缺陷在管道中的周向位置、軸向位置和二者的均方根情況。

選擇均方根誤差（RMSE）表示整體定位誤差，具體公式如下：

通過與定期無損檢測結(jié)果中缺陷周向、軸向位置的記錄數(shù)據(jù)比較，可以看出本次研究對管道焊縫缺陷和壁厚減薄，本案例顯示超聲導波監(jiān)測的定位誤差控制在3%以內(nèi)（見表1、表2）。

表1　凝結(jié)水系統(tǒng)管道焊縫缺陷定位誤差分析

表2　加熱器疏水排汽系統(tǒng)管道的壁厚減薄誤差分析

4 總結(jié)

本文通過對超聲導波在承壓容器典型構(gòu)件中的傳播特性、承壓容器缺陷在線監(jiān)測信號處理與缺陷信號特征的精確識別等關(guān)鍵技術(shù)研究，掌握了通過超聲導波檢測提取結(jié)構(gòu)信息、定位缺陷的方法，開發(fā)了相應(yīng)的缺陷探測裝置，突破了導波技術(shù)應(yīng)用在核電領(lǐng)域所帶來的結(jié)構(gòu)復雜、高溫、背景噪聲明顯等難點，實現(xiàn)了某電廠承壓管道的初步應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下：

（1）承壓容器運行環(huán)境多存在較為明顯噪聲、振動、溫度變化、壓力變化等環(huán)境干擾信號，因此微小裂紋所產(chǎn)生微弱損傷信號的增強技術(shù)尤為重要。本文提出的方法能夠?qū)ξ⑷跣盘栠M行有效的時頻特征增強及提取，使得該技術(shù)在電廠的應(yīng)用成為可能。

（2）利用橢圓算法和概率算法成像程序?qū)毫θ萜魍采淼娜毕葸M行定位成像發(fā)現(xiàn)，“信號的時間零點漂移”和“信號區(qū)間長度的截取”是缺陷準確定位的敏感性因素，應(yīng)用本文研究的信號處理方法能夠有效提高缺陷定位算法的精度。

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Defects Monitoring based on Ultrasonic Guided Wave Technology for the Pressure Boundary in NPP

LIU Chang1，DENG Jingjing1，WANG Hao2，QIN Yanfeng1，HU Chaojie3，HE Yinbiao1

（1. Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Co.LTD，Shanghai，200233；2. Shangdong Nuclear Power Company LTD，Yantai of Shandong Prov.，264043；3. East China University of Science and Technology，Shanghai，200237）

The health of the pressure boundary of nuclear power plant operation affects the safety and economy of NPP directly. Pressure vessels and pipelines may have manufacturing defects such as pores, slag inclusion during manufacturing, or certain allowable defects are found in regular in-service inspection. It is of great significance to detect, track and evaluate these defects. In this paper, the localization algorithm and device development of defects in the pressure boundary by ultrasonic guided wave technology are studied and applied. As an auxiliary means of in-service inspection, this method has very important guiding significance for the pressure vessels and evaluation of their continuous operation

Pressure boundary; Ultrasonic guided wave technology; Crack monitoring

TL48

A

258-0918（2022）06-1417-08

2021-12-31

上海市科技人才揚帆計劃19YF1420600“核電廠關(guān)鍵承壓設(shè)備基于導波方法的缺陷在線監(jiān)測和診斷技術(shù)研究”

劉 暢（1987—），女，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，碩士研究生，長期從事壓水堆核電站反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學研究，以及與力學失效機理有關(guān)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和智能運維研究