На правах рукописи

Жданов Андрей Геннадьевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ АНАЛИЗА ДАННЫХ

ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ

ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2014

Работа выполнена на кафедре Электротехники и Интроскопии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Лунин Валерий Павлович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Фирстов В.Г.

Кандидат технических наук Бакунов А.С.

Ведущая организация:

ЗАО НПЦ «Молния»

Защита состоится 28 мая 2014г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 при ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр» по адресу : 119048, г.Москва, ул.Усачева 35, строение 1.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр».

Автореферат разослан « » апреля 2014г.

Учёный секретарь Диссертационного совета Д 520.010. Доктор технических наук, профессор Кузелев Н.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Безопасность эксплуатации атомной электростанции во многом определяется безаварийной работой парогенератора. На российских АЭС с реакторами типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 установлены парогенераторы (ПГ) горизонтального типа, представляющие собой цилиндрические сосуды диаметром более 3 и длиной 12- м. Теплоноситель поступает в парогенератор снизу через горячий коллектор и выходит из него через холодный коллектор. От горячего коллектора к холодному теплоноситель проходит через систему трубок (трубчатку). На ВВЭР-440 таких трубок в каждом ПГ более 5 тыс. На ВВЭР - 1000 число трубок в каждом ПГ увеличено до 11 тыс.

Парогенераторы в реакторах типа ВВЭР являются классическими теплообменными устройствами, в которых используется тепло от первичного (реакторного) хладагента, чтобы заставить пар во вторичном контуре вращать турбины генераторов. Типовая электростанция имеет от четырех до шести парогенераторов в реакторе (для ВВЭР–1000 и ВВЭР–440 соответственно).

Тонкостенные трубы парогенератора фактически могут представлять собой угрозу радиоактивного заражения в случае сохранения высокого давления системы первичного контура. Чтобы действовать как эффективный барьер, эти трубки должны быть свободными от трещин, коррозий, утонений и напряженного состояния металла трубки. К сожалению, в последнее время участились случаи выхода из строя теплообменных труб парогенераторов из-за деградационных процессов в металле этих труб.

Частота и последствия отказов труб парогенератора могут быть значительно уменьшены путем осуществления соответствующих и своевременных операций неразрушающего контроля с заменой или глушением чрезмерно поврежденных трубок. Большинство парогенераторов обычно контролируется при их останове и охлаждении, когда их внутренние структуры становятся доступными для неразрушающего инспекционного оборудования, а также для ремонта обнаруженных дефектных труб. Тем не менее, основной проблемой является достоверность контроля. Не менее сложной задачей также является вынесение заключения о том, какие именно трубки из частично-поврежденных являются все еще пригодными, а какие требуется заменить или вывести из эксплуатации.

Наиболее эффективным методом оценки состояния теплообменных труб ПГ на данный момент является вихретоковый метод контроля (ВТК). ВТК позволяет выявить не только сквозные дефекты, но и дефекты различной глубины и размеров, что позволяет превентивно глушить трубы с дефектами, которые еще не пропускают теплоноситель из первого контура во второй, но могут развиться до сквозных.

Многочастотный ВТК теплообменных труб (ТОТ) ПГ с использованием внутреннего проходного дифференциального преобразователя дает возможность проконтролировать трубы по всей длине, позволяет зафиксировать наличие дефекта, локализовать его и оценить глубину.

На российских АЭС многочастотный метод вихретокового контроля металла ТОТ ПГ применяется уже более 20 лет, но, несмотря на такой длительный срок, остаются проблемы с достоверностью получаемых результатов ВТК, связанной с субъективностью соответствующих экспертных решений. Одной из причин является сложность анализа эксплуатационных вихретоковых сигналов, обусловленная наличием множества мешающих факторов (шум, сигналы от элементов конструкций, отложения).

В связи с этим актуальной является постановка задачи, связанная с разработкой и исследованием эффективных и объективных алгоритмов автоматического выявления дефектов теплообменных труб ПГ как на свободных участках, так и под конструктивными элементами. Помимо обнаружения весьма важной задачей является определение геометрических параметров дефектов для дальнейшего заключения о возможной эксплуатации этой ТОТ или глушения.

Объект исследования Вихретоковые сигналы, полученные при контроле труб внутренним дифференциальным проходным преобразователем.

Предмет исследования Методы и алгоритмы на основе алгоритмов фильтрации и аффинных преобразований сигналов для отстройки от мешающих факторов и обнаружения дефектов. Методы и алгоритмы классификации и параметризации сигналов от дефектов на основе аппарата искусственных нейронных сетей (ИНС).

Цель работы Разработка алгоритмов автоматической обработки вихретоковых сигналов, получаемых при контроле теплообменных трубок парогенераторов. Повышение вероятности правильной регистрации дефектов при обработке сигналов, полученных при вихретоковом контроле. Разработка алгоритмов классификации и определения параметров дефектов с целью повышения достоверности результатов контроля с использованием как аппарата ИНС, так и стандартных калибровочных зависимостей.

Задачи, решаемые для достижения поставленных целей Решение прямой задачи вихретокового контроля для расчета сигнала на выходе вихретокового преобразователя;

Формирование базы модельных сигналов от дефектов с различными геометрическими характеристиками;

Формирование и анализ информативных признаков вихретокового сигнала от дефекта, используемых для классификации и Разработка алгоритмов автоматического обнаружения и локализации дефектов по ВТК сигналам, используя алгоритм согласованной Решение обратной задачи электромагнитного контроля с целью определения геометрических параметров дефектов, используя аппарат Экспериментальные исследования разработанных методов цифровой обработки вихретоковых сигналов и нейросетевого классификатора на данных, полученных при лабораторных исследованиях и штатных контролях парогенераторов.

Методы исследования.

В работе использованы методы цифровой обработки сигналов, теории распознавания образов, теории вероятностей и математической статистики, математический аппарат искусственных нейронных сетей.

При разработке и исследовании алгоритмов программ использовались следующие пакеты прикладных программ: Delphi, MathCAD, Maple, Matlab.

Научную новизну работы составляют следующие положения Разработка модели процедуры вихретокового контроля и получение сигнала вихретокового преобразователя при перемещении вдоль оси ТОТ. При этом проведены теоретические исследования влияния изменения геометрических параметров дефекта на сигнал ВТП, влияние наличия ферромагнитных и проводящих отложений на сигнал ВТП, влияние наличия элементов конструкций (дистанционирующих и антивибрационных решеток) на сигнал ВТП.

Разработка методики автоматического обнаружения дефектов по сигналам вихретокового контроля. При этом, с помощью согласованного фильтра выделяются области сигнала, соответствующие дефектам, а с использованием статистических алгоритмов выделяются области сигнала, соответствующие конструктивным элементам.

Разработка методики классификации и параметризации сигналов от дефектов, основанная на аппарате искусственных нейронных сетей. При этом производится классификация дефектов по расположению на трубке (внешние, внутренние, сквозные) и определяются геометрические параметры дефектов.

Практическая значимость.

Практическая ценность работы связана с разработкой алгоритмов, позволяющих в автоматическом режиме производить обработку вихретокового сигнала и выдавать заключение об обнаруженных дефектах и их геометрических параметрах. Разработанные в диссертации классификатор и параметризатор на основе искусственных нейронных сетей позволяют повысить эффективность и точность определения геометрических параметров дефектов.

Внедрение результатов работы Результаты диссертационной работы могут быть использованы для обработки сигналов, при многочастотном вихретоковом контроле.

Предложенные методики и алгоритмы обработки вихретоковых данных полностью реализованы в законченном программном обеспечении «PIRATE», позволяющем производить весь перечень операций по обработке данных и формированию заключения по обнаруженным дефектам.

Работа над диссертацией проводилась в рамках 4-х хоздоговорных НИОКР с Концерном РосЭнергоАтом, результатом которых явилась разработка программы «PIRATE» – нейросетевого классификатора дефектов ТОТ ПГ АЭС с реактороной установкой (РУ) ВВЭР. В настоящее время программа проходит этап опытнопромышленной эксплуатации на Кольской АЭС.

Основные положения, выносимые на защиту:

Способ отстройки от «размерного» шума на основе аффинного преобразования сигналов различных частот.

Способ отстройки от сигналов конструктивных элементов на основе автоматической адаптации аппроксимирующей функции.

Способ обнаружения дефектов на свободном участке и под дистанционирующими элементами ТОТ на основе применения согласованного фильтра.

Алгоритм классификации дефектов по вихретоковым сигналам на Алгоритм параметризации дефектов по вихретоковым сигналам на Достоверность Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается сопоставлением с публикациями в научных изданиях, а также проверкой с использованием экспериментальных данных, полученных на модельных и реалистичных образцах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе производится анализ современного состояния неразрушающего контроля труб парогенераторов АЭС. Описан принцип действия пароненератора и его роль в работе АЭС в целом (рис.1). Повреждения теплообменных труб парогенераторов от коррозионных воздействий воды второго контура являются одним из важнейших факторов, влияющих на ресурс парогенераторов блока. Повреждения имеют место главным образом между и под дистанционирующими решетками. Они обусловлены совместным действием механических напряжений, коррозионно-активных элементов и окислителя.

Поиск межконтурных неплотностей парогенераторов АЭС производится при планово-предупредительном ремонте. Предусмотрены следующие способы обнаружения дефектных труб:

• гидравлический с визуальным контролем протечек (ГВК);

• гидравлический с дистанционным контролем протечек (ГДК);

• гидравлический с люминесцентным индикаторным покрытием (ГЛИП);

• пневмогидравлический аквариумный способ контроля протечек (ПГА);

• вихретоковый контроль (ВТК).

Рис.1 Схема работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным энергетическим Рис.2 Основные типы дефектов, развивающиеся на ТОТ В работе приведено сравнение и характеристики всех применяемых методов.

Анализ эффективности вихретокового метода контроля с учетом результатов экспериментальных исследований показал, что:

• чувствительность используемой аппаратуры позволяет выделять дефекты глубиной примерно 20% от толщины стенки ТОТ; дефекты с глубиной более 40% от толщины стенки теплообменной трубы выявляются с высокой вероятностью, около 0,8;

• выявляемость дефектов на наших ПГ достаточно хорошо сопоставима с литературными данными по выявляемости дефектов ВТ-методом контроля в США (для дефектов глубиной выше 75% толщины стенки, вероятность выявления около 0,9).

Также проведено сравнение существующих систем вихретококвого контроля (рис.3) и методов обработки сигналов, используемых в этих системах.

Рис.3 Схема вихретокового комплекса контроля теплообменных труб ПГ АЭС Все применяемые в настоящее время программы обработки сигналов вихретокового контроля способны работать только с сигналами одной конкретной установки и полагаются на оператора для обнаружения дефектов по сигналам вихретокового преобразователя. При этом оператор подвержен усталости и утомляемости, имеет ограниченную скорость обработки данных, способен принимать необъективные решения (пропустить дефект, который необходимо отметить, или зафиксировать дефект, который по параметрам не обязателен к выявлению). Для решения этой проблемы необходим автоматизированный программный комплекс, обладающий необходимой выявляемостью дефектов и позволяющий исключить человеческий фактор при анализе сигналов ВТП ТОТ ПГ АЭС. При этом оператор не исключается, а должен подключаться после процедуры автоматической обработки, чтобы внести возможные корректировки в результат автоматического анализа и выдать диагностическое заключение по конкретной трубке.

Во второй главе диссертации описано моделирование процедуры вихретокового контроля. Для моделирования был выбран самый современный на сегодняшний день численный метод моделирования – метод конечных элементов (МКЭ). Модели создаются для предсказания сигналов вихретокового преобразователя как от дефектов, так и от мешающих факторов. Применение моделирования позволяет спрогнозировать сигнал для большого количества вариантов дефектов и мешающих факторов, которые создать для проведения эксперимента либо слишком долго и дорого, либо невозможно.

При решении задач вихретокового контроля электромагнитное поле описывается следующим уравнением:

В решаемой задаче квазистационарного поля энергетический функционал для конечного элемента i представляется в виде:

В трехмерных задачах в качестве конечных элементов первого порядка используются тетраэдры, при этом для описания поведения функции внутри тетраэдра используется линейное распределение векторного потенциала.

При моделировании процедуры вихретокового контроля параметры преобразователя были выбраны равными параметрам реального вихретокового преобразователя, применяющегося при штатном контроле ТОТ парогенераторов АЭС. Наводимые ЭДС и напряжения в каждой катушке вычисляются по закону электромагнитной индукции:

Проведены исследования поведения сигналов вихетокового контроля от наиболее типичных дефектов при изменении их геометрических параметров.

Im (U), мВ Im (U), мВ Для выяснения влияния на полезный вихретоковый сигнал различных мешающих факторов было проведено моделирование процедуры вихретокового контроля при наличии мешающих факторов.

Im (U), мВ Создана репрезентативная база модельных сигналов ВТП от дефектов с различными геометрическими параметрами, местоположением, а также сигналов от дефектов с учетом мешающих факторов. Помимо модельных сигналов база пополнена набором экспериментальных сигналов ВТП от искусственных дефектов с известными геометрическими параметрами. Также произведен расчет ряда признаков для сигналов в базе данных. На основе сформированной базы признаков можно строить алгоритмы решения обратной задачи электромагнитного контроля, то есть определять геометрические размеры дефектов.

В третьей главе описана разработка алгоритмов автоматической обработки сигналов. Представлен общий алгоритм обработки и подробно описаны все основные блоки и применяемые в них алгоритмы (рис.12).

Геометрический шум (пильгер-шум) является одним из основных мешающих факторов при автоматической и экспертной обработке сигналов вихретокового контроля. Искажение формы и признаков сигналов этой помехой делает невозможным достоверное обнаружение и определение геометрических параметров дефектов. В настоящее время основным методом неразрушающего контроля ТОТ является многочастотный ВТК, который обладает хорошо известной способностью отстройки от мешающих факторов путём комбинирования сигналов на разных частотах, представленных в цифровой форме. В качестве алгоритма отстройки от влияния шумов предлагается линейный компенсационный метод подавления сигналов от различных мешающих факторов, базирующийся на векторной комбинации сигналов разных частот.

Рис.12 Алгоритм автоматической обработки данных ВТК ТОТ ПГ АЭС Отношение энергии сигнал-шум для дефекта на исходных сигналах и комбинированном сигнале.

Для надежного выделения дефектов, расположенных в области конструктивных элементов, необходимо сначала обнаружить сигналы от этих элементов конструкции и классифицировать их, т.е. определить, какой это объект.

На российских парогенераторах такие объекты можно разделить на 3 класса:

Решетки (дистанционирующие и антивибрационные);

Для выделения конструктивных элементов наиболее целесообразно использовать сигнал на самой низкой частоте, где максимально влияние внешних элементов (в случае установки Harmonic 210 – 60кГц, для MIZ30 и MIZ70 – 25кГц, для Teddy – 30кГц). Кроме того, необходимо выбрать абсолютный канал, так как на абсолютном сигнале легче выделить и классифицировать конструктивные элементы (рис.13).

Рис.13 Выделение конструктивных элементов на частоте 60кГц (абсолютный канал) Алгоритм выделения конструктивных элементов позволяет сначала выделить все конструктивные элементы (обозначить локальную область, в которой каждый из них расположен), а затем для каждого из них провести процедуру классификации и отнести к одному из ранее определенных классов. Алгоритм основан на построении в каждой точке сигнала энергетической функции, показывающей, что в данной точке есть возмущения сигнала. Расчет этой функции производится по формулам:

Возможность отстройки от влияния конструктивных элементов типа дистанционирующих решеток обусловлена их постоянными геометрическими и электрофизическими характеристиками. Следовательно, и сигнал проходного преобразователя от этой особенности достаточно стабилен по форме и параметрам.

Для подавления влияния сигнала от решетки строится параметрическая аппроксимирующая функция, которая описывает сигнал от бездефектной решетки.

При этом свободные параметры аппроксимирующей функции подбираются для каждой решетки индивидуально с помощью симплексного алгоритма поиска минимума различий между реальным и аппроксимированным сигналами.

Im(U), мВ В результате отстройки от пильгер-шума и влияния элементов дистанционирования вихретоковый сигнал может быть обработан для поиска В работе разработан алгоритм на основе согласованного фильтра, который позволяет распознавать участки сигналов от дефектов не как возмущения, а выявлять их по характерной форме. Согласованный фильтр - это фильтр, передаточная функция которого пропорциональна основной характеристике диагностического сигнала. Неизвестный (тестируемый) сигнал затем автоматически относится к какому-либо из классов по результатам откликов его свертки с фильтрами из этого массива. Результат согласованной фильтрации для дискретного сигнала может быть представлен:

где – сигнал, получаемый в результате проведения процедуры согласованной фильтрации, – исходный сигнал (одна из компонент комплексного сигнала ВТП или комбинированного канала), – шаг сканирования ВТП, – масштабный коэффициент, – передаточная характеристика фильтра, – эффективная ширина передаточной функции.

Форма сигналов ВТП от дефектов совпадает с формой первой производной функции Гаусса, поэтому в качестве передаточной функции согласованного фильтра используется сигнал этой функции. Шаг сканирования определяется по известным расстояниям между реперными точками на сигнале, предполагая, что скорость движения ВТП на этом участке не изменялась. Масштабный коэффициент вычисляется таким образом, чтобы расстояние между экстремумами сигнала ВТП от дефекта совпадало с расстоянием между экстремумами передаточной функции (это фиксированная величина для конкретного сигнала, но должна пересчитываться для другого сигнала, исходя из шага сканирования).

Таким образом, алгоритм позволяет анализировать сигналы, полученные при различной скорости движения вихретокового преобразователя внутри ТОТ.

В четвертой главе описано применение разработанного программного комплекса для обработки вихретоковых сигналов эталонных дефектов и штатного контроля парогенератора.

По результатам испытаний на сигналах эталонных дефектов были рассчитаны выявляемость для дефектов на свободном участке, дефектов под дистанционирующей решеткой, а также выявляемость по всем дефектам (рис.16).

Рис.16 Выявляемость реалистичных дефектов по итогам испытаний По результатам обработки вихретоковых сигналов штатного контроля труб парогенераторов АЭС было произведено сравнение результатов обработки аналитиками и программным обеспечением в автоматическом режиме. Основной задачей программы на этом этапе тестирования была задача корректного выявления дефектов, отмеченных аналитиками, то есть программное обеспечение при работе в автоматическом режиме не должно пропускать дефектов.

Проведен также анализ применения амплитудного критерия для глушения теплообменных труб. Анализ статистических распределений различных параметров вихретоковых сигналов и оценок геометрических параметров дефектов (глубины и осевой протяженности - длины) проводился на трех рабочих частотах (F1 – 280кГц;

F2 – 130кГц; F3 – 60кГц).

Рис.17 Двумерное распределение амплитуд Рис.18 Двумерное распределение амплитуд координатами длина-глубина для частоты координатами длина-глубина для частоты При выборе критериальных значений амплитуды были использованы кривые допустимых дефектов ТОТ при гидроиспытаниях, полученных в ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС». На рис.19 приведены эти кривые для парогенераторов ВВЭР- и ВВЭР-1000, а на рис.20 – определение критериальных значений амплитуд.

Рис.19 Допустимые дефекты при Амплитудные критерии допустимости дефектов ТОТ ПГ при условии обработки данных эксплуатационного контроля программой PIRATE (основная рабочая частота 130 кГц или 100 кГц, нормировка 1 В) сведены в таблицу:

Допустимая Допустимая амплитуда Допустимая амплитуда