CN101706039A - 核电站压力管道泄漏声发射监测方法及其监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电站压力管道泄漏声发射监测方法及其监测系统。该监测方法是制备压力管道泄漏试验件，模拟核电站管道缺陷萌生、起裂、扩展直至贯穿泄漏，进行泄漏声发射标定试验，模拟核电站高温高压环境的管道贯穿裂纹泄漏。监测系统采用基于PXI总线的标准化和模块化设计，方便系统检修和部件更换。采用本发明的监测方法及其监测系统可进行泄漏事件的数据记录和监测结果的数据库管理，完整反映泄漏发生位置及其泄漏率的动态变化。

Description

核电站压力管道泄漏声发射监测方法及其监测系统

技术领域

本发明涉及一种核电站压力管道的监测方法和监测系统，具体涉及一种核电站压力管道泄漏声发射监测方法及其监测系统。

背景技术

核电站的压力容器和管道存在大量的焊接结构，在众多的焊缝中会存在焊接缺陷，同时，压力容器与管道在役期间，往往由于开、停及工况(温度与压力)的波动而承受交变载荷，同时还受环境(如辐射)和介质(如腐蚀)等影响，这都会使压力容器和管道中的原有缺陷产生起裂、扩展，有时还会萌生新的缺陷。含有缺陷的压力容器及管道，在生产中引起裂纹的萌生、扩展，最终导致压力容器与管道的失效。其失效形式有泄漏和爆破两种。为避免爆破的发生，破前漏(LBB，Break Before Leak)评定准则由此产生。LBB失效过程分为四个阶段：表面裂纹亚临界扩展；局部失稳(裂纹穿透)；穿透裂纹亚临界扩展和整体失稳(爆破或大破口)。

目前国际公认的LBB标准规定必须使用三种独立的泄漏监测系统，分别采用三种不同的监测方法，联合对核反应堆主回路系统压力边界泄漏进行监测和评估。普遍采用的三种泄漏监测方法包括：压力边界泄漏声发射监测、压力边界泄漏绝对湿度监测和环境放射性监测。通过压力边界泄漏声发射监测和压力边界泄漏绝对湿度监测，实现泄漏定位和泄漏率估计，为应用LBB分析技术对设备裂纹尺寸计算和评估提供依据，防止大破口失水事故的发生。但是，目前的压力边界泄漏声发射监测方法只能实现压力管道泄漏的鉴别和定位，不能对泄漏进行精确的定量分析，缺乏对泄漏率的有效估计。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种核电站压力管道泄漏声发射监测方法及其监测系统。该方法和系统可实现对核电站压力管道泄漏定位和泄漏率估计。

本发明的技术方案如下：

一种核电站压力管道泄漏声发射监测方法，其特征在于：所述的监测方法按以下步骤进行：

步骤一  制备贯穿泄漏的管道泄漏试验件，模拟核电站管道缺陷萌生、起裂、扩展：

利用0Cr18Ni10Ti高压管材作为试件，采用电火花刻蚀加工，在管道试件内表面刻蚀一个轴向V形沟槽，利用压力管道裂纹开口面积计算模型和裂纹泄漏计算模型，计算出预期泄漏率对应的贯穿裂纹尺寸，将管道试件连接到液压疲劳试验装置上，通过循环加载，使得疲劳裂纹萌生、扩展并贯穿壁厚，直至达到预定的穿透裂纹长度，由此制作出不同长度裂纹的泄漏试验件；

步骤二  对压力管道泄漏进行鉴别、定位与定量：

通过试验标定微泄漏时声发射信号幅度，作为泄漏鉴别阈值，通过动态检测声发射信号幅度有效值，在设定的时间段内，声发射信号幅度持续超过阈值，则认为泄漏发生；根据声发射信号在金属管道上传播，具有指数衰减的特性，通过试验标定衰减系数，在监测区间管道上，安装声发射传感器，监测传感器通道响应的声发射信号幅度，利用信号指数衰减特性，实现泄漏定位；在一定压力范围内和一定泄漏率范围内，泄漏声发射信号幅度与泄漏率间具有指数关系，通过试验标定出该系数，并做压力和泄漏率适应性修正，通过连续监测泄漏声发射信号幅度，即实现泄漏率的估计；

步骤三  模拟核电站高温高压环境的管道贯穿裂纹泄漏：

采用模拟核电站管道压力和温度的动力设备综合试验装置测量试件贯穿裂纹的泄漏率；在试验段上设温度、压力测点；声发射传感器采用波导安装方式，首先利用无裂纹试件，进行管道保温层热致声效应试验，然后换用贯穿裂纹试件，将动力设备综合试验装置升温升压至额定工况，利用稳压器中的高温高压过热水，作为泄漏介质；打开试验接口前端截止阀和试验段后端排气阀，待试验段内充满水，并且管内温度恒定时，关闭排气阀；利用压力边界泄漏监测试验样机，对贯穿裂纹泄漏产生的声发射信号进行不间断采集、分析与记录；对试验数据进行处理，得到泄漏定位与定量模型的衰减系数和标定系数。

如上所述的核电站压力管道泄漏声发射监测方法，其特征在于：所述监测方法的步骤二中对压力管道泄漏进行鉴别、定位与定量需建立泄漏定位与泄漏率定量模型；泄漏监测以泄漏声发射信号水平为压力边界泄漏鉴别特征量，通过对各通道的浮动噪声水平进行跟踪监测，同时将各时刻的信号水平与浮动噪声水平进行比较，如果在一个比较长的时间段内，通道的信号水平均超过浮动噪声水平，就可判断出该区间发生了泄漏，同时进行压力边界泄漏定位与定量估计，并发送泄漏报警信号；压力边界泄漏点产生的声发射信号沿管道表面传播，传播过程中信号发生衰减，并具有随距离指数衰减的特性；根据这一特性，建立如下泄漏定位与泄漏率定量模型：

设泄漏信号水平与噪声水平叠加电压为V_L(单位：V)，噪声水平为V_B(单位：V)。压力边界泄漏率与V_L、V_B有下列经验公式：

G＝a(V_L-V_B)^k

其中：G为泄漏率，L/min；

a、k为常数，由试验标定；

设监测区间布置3只声发射传感器S_i(i＝1，2，3)，声发射传感器S_i在管道上位置坐标为X_i，泄漏位置P的坐标为X_p。G_i分别为三只传感器所在位置响应的泄漏率，则：

G₁＝a(V_L1-V_B1)^k    (1)

G₂＝a(V_L2-V_B2)^k    (2)

G₃＝a(V_L3-V_B3)^k    (3)

泄漏信号在金属表面近似按指数衰减，设泄漏点泄漏率为G_P则：

$G_i=G_P\·{\exp }^{-\mathrm{\α}\·L_i},i=\mathrm{1,2,3}---\left(4\right)$

其中：α为距离衰减常数，由试验标定；

L_i＝|X_i-X_P|是传感器到泄漏位置的距离。

根据具体情况代入标定的系数，通过以上算式建立的方程组可计算得到泄漏率和泄漏位置，即实现泄漏定位与定量目标。

一种核电站压力管道泄漏声发射监测系统，其特征在于：所述的监测系统由声发射信号探测器和电气柜组成，具体如下：

声发射信号探测器包括螺纹适配座、波导杆、声发射传感器、电缆和前置放大器；螺纹适配座通过螺纹与波导杆联结，声发射传感器安装在波导杆上，电缆的一端与声发射传感器连接，另一端与前置放大器相连。

电气柜是一个机柜，内设有电源适配单元、显示器、键盘鼠标和信号采集及处理模块；电源适配单元是一可将交流电源变换成直流电源，为声发射传感器前放提供工作电源的机箱；信号采集及处理模块内设有控制器、低频信号测量模块、报警输出模块和声发射信号测量模块，各模块之间通过信号传输连接。

如上所述的螺纹适配座、波导杆声发射传感器有均有4个；所述的电气柜内的声发射信号电缆有4路，温度信号电缆有1路，压力信号电缆有1路，流量信号电缆有1路；所述的信号采集及处理模块中的控制器有1个，低频信号测量模块有1个，报警输出模块有1个，声发射信号测量模块有3个。

本发明的效果在于：本发明的监测方法建立了核电站压力管道贯穿裂纹泄漏定量分析模型，实现了核电站压力管道贯穿裂纹泄漏率估计，可模拟核电站管道缺陷萌生、起裂、扩展、直至贯穿泄漏的管道泄漏，实现了泄漏区间定位和泄漏区间内泄漏具体位置确定，定位误差0.5m；对泄漏率的估计，误差±50％，提高了泄漏监测的实时性和灵敏度；采用泄漏声发射鉴别阈鉴别、时间持续和通道联合甄别，大大提高了系统的抗误报警能力；监测对象泄漏组态图形化，可视化强，在一个界面上完整反映了压力管道、传感器布置、泄漏发生位置、泄漏率、各通道本底噪声水平、信号水平等；采用了基于PXI总线的标准化和模块化设计，提高了系统的可靠性，方便了系统检修和部件更换。

附图说明

图1是本发明的监测系统原理图。

图2是本发明的监测流程图。

图3是本发明的监测系统结构示意图。

图4是本发明的监测系统使用状态图。

图中：1.声发射信号探测器；2.螺纹适配座；3.波导杆；4.声发射传感器；5.电缆；6.前置放大器；7.电气柜；8.电源适配单元；9.显示器；10.键盘鼠标；11.信号采集及处理设备；12主控室；13.低频信号测量模块；14.报警控制模块；15.声发射信号测量模块；16.压力管道；17.保温层

具体实施方式

本发明的原理如图1所示，主要功能是在线监测核反应堆压力管道可能出现的泄漏，并进行泄漏鉴别、定位和泄漏率估计。

本发明的监测方法按以下步骤进行：

步骤一  制备贯穿泄漏的管道泄漏试验件，模拟核电站管道缺陷萌生、起裂、扩展。

利用4根外径Φ152mm、壁厚12mm，长度7700mm(由长500mm的裂纹试件，通过前后焊接长3600mm的管段构成)的0Cr18Ni10Ti高压管材作为试件，采用电火花刻蚀加工，在管道试件内表面刻蚀一个轴向V形沟槽，利用压力管道裂纹开口面积计算模型和裂纹泄漏计算模型，计算出预期泄漏率对应的贯穿裂纹尺寸，将管道试件连接到液压疲劳试验装置上，通过循环加载(循环加载参数：工作压力：18.75MPa、工作温度：常温、加载工质：液压油、加载频率：1Hz、加载波形：正弦波、工作流量：≥120L/min)，使得疲劳裂纹萌生、扩展并贯穿壁厚，直至达到预定的穿透裂纹长度，由此制作出不同长度裂纹的泄漏试验件.按照额定压力和温度下泄漏率分别为3.3L/min、5.8L/min、8.3L/min、11.7L/min左右的要求制作的裂纹，作为泄漏标定试件.4根裂纹试件的裂纹长度分别为39mm、46mm、51mm、55mm.

步骤二  对压力管道泄漏进行鉴别、定位与定量。

通过试验标定微泄漏时声发射信号幅度，作为泄漏鉴别阈值，通过动态检测声发射信号幅度有效值，在设定的时间段内，声发射信号幅度持续超过阈值，则认为泄漏发生。根据声发射信号在金属管道上传播，具有指数衰减的特性，通过试验标定衰减系数，在一个监测区间管道上，安装3个声发射传感器，监测3个传感器通道响应的声发射信号幅度，利用信号指数衰减特性，实现泄漏定位。在一定压力范围内和一定泄漏率范围内，泄漏声发射信号幅度与泄漏率间具有指数关系，通过试验标定出该系数，并做压力和泄漏率适应性修正，通过连续监测泄漏声发射信号幅度，即实现泄漏率的估计。

步骤三  模拟核电站高温高压环境的管道贯穿裂纹泄漏。

采用模拟核电站管道压力和温度的动力设备综合试验装置，试验段由回路隔离阀、文丘里流量计、快速电动截止阀、裂纹试件及其前后延长管道等组成。文丘里流量计测量试件贯穿裂纹的泄漏率。在试验段上设温度、压力测点。声发射传感器采用波导安装方式，首先利用无裂纹试件，进行管道保温层热致声效应试验，然后换用一根贯穿裂纹试件，将动力设备综合试验装置升温升压至额定工况，利用稳压器中的高温高压过热水，作为泄漏介质。打开试验接口前端截止阀和试验段后端排气阀，待试验段内充满水，并且管内温度恒定时，关闭排气阀。利用压力边界泄漏监测试验样机，对贯穿裂纹泄漏产生的声发射信号进行不间断采集、分析与记录。对试验数据进行处理，得到泄漏定位与定量模型的衰减系数和标定系数。

泄漏监测以泄漏声发射信号水平(声发射信号有效值RMS)为压力边界泄漏鉴别特征量，通过对各通道的浮动噪声水平进行跟踪监测，同时将各时刻的信号水平与浮动噪声水平进行比较，如果在一个比较长的时间段内(如5分钟，可设置)，通道的信号水平均超过浮动噪声水平3dB(泄漏鉴别阈，可设置)，就可判断出该区间发生了泄漏，同时进行压力边界泄漏定位与定量估计，并发送泄漏报警信号。压力边界泄漏点产生的声发射信号沿管道表面传播，传播过程中信号发生衰减，并具有随距离指数衰减的特性。根据这一特性，建立如下泄漏定位与泄漏率定量模型：

设泄漏信号水平与噪声水平叠加电压为V_L(单位：V)，噪声水平为V_B(单位：V)。压力边界泄漏率与V_L、V_B有下列经验公式：

G＝a(V_L-V_B)^k

其中：G为泄漏率，L/min；

a、k为常数，由试验标定；

设监测区间布置3只声发射传感器S_i(i＝1，2，3)，声发射传感器S_i在管道上位置坐标为X_i，泄漏位置P的坐标为X_p。G_i分别为三只传感器所在位置响应的泄漏率，则：

G₁＝a(V_L1-V_B1)^k        (1)

G₂＝a(V_L2-V_B2)^k        (2)

G₃＝a(V_L3-V_B3)^k        (3)

泄漏信号在金属表面近似按指数衰减，设泄漏点泄漏率为G_P则：

$G_i=G_P\·{\exp }^{-\mathrm{\α}\·L_i},i=\mathrm{1,2,3}---\left(4\right)$

其中：α为距离衰减常数，由试验标定；

L_i＝|X_i-X_P|是传感器到泄漏位置的距离。

根据具体情况代入标定的系数，通过以上算式建立的方程组可计算得到泄漏率和泄漏位置，即实现泄漏定位与定量目标。

本发明的监测系统如图3所示，监测系统由声发射信号探测器1和电气柜7组成。

声发射信号探测器1包括4个螺纹适配座2和4个波导杆3、4个声发射传感器4、4根连接电缆5和4个前置放大器6。螺纹适配座2通过螺纹与波导杆3联结，声发射传感器4安装在波导杆3上，电缆5的一端与声发射传感器4连接，另一端与前置放大器6相连。

电气柜7是一个600(宽)×1800(高)×800(深)的机柜，设有前后门和侧板，前门为透明门，前后门均上锁，前后门密封采用密封胶条密封，侧板采用卡扣安装，底座上装有四个滚轮。机柜顶部开有出风孔，装有1个带过滤器的风扇，下部开有进风孔，风扇电源220V 50Hz AC/40W，直径φ120mm。机柜底部后侧开有长方形孔，机柜内有4路声发射信号电缆、1路温度信号电缆、1路压力信号电缆、1路流量信号电缆、报警输出电缆，均通过此孔进出。

电气柜7内设有电源适配单元8、显示器9、键盘鼠标10和信号采集及处理模块11。电源适配单元8是一独立的4U高的19时上架机箱，最多可为12路的声传感器前放提供工作电源。该单元的主要功能是通过220V/50Hz的交流电源变换成12路24V/500mA的直流电源，并将信号从输出的直流电源中分离出来，进行输出缓冲后送入信号采集及处理模块11。信号的输入输出都从机箱的后部，并在机箱后部安装220V电源的保险管。前面板具有12路电源的信号指示灯、220V_AC电源开关和指示灯。

信号采集及处理模块11为一个9U的PXI总线机箱，包括1个PXI控制器12、1个低频信号测量模块13、1个报警输出模块14和3个声发射信号测量模块15，这些模块均为PXI总线，模块化结构。

低频信号测量模块13技术参数：：

模块尺寸：6U PXI标准模块，单道宽度；

通道数：4；

模块数：1；

模数变换采样率：10kHz/通道(可程控)；

信号分辨率：12bit±1LSB；

触发方式：本地触发、软件触发；

全通道信号动态范围：0～±10V；

输入阻抗：1MΩ；

信号输入方式：PXI机箱P6连接器，BNC，悬浮安装；

隔离方式：数字隔离。

报警控制模块14提供4通道的继电器触点输出模块，根据系统的控制命令控制继电器的通断状态来实现4通道状态报警状态指示。继电器接通时(报警状态)点亮对应的面板发光二级管，断开时熄灭对应的发光二极管。

声传感器信号测量模块15技术参数：

模块尺寸：6U PXI标准模块，单道宽度；

通道数：12；

模块数：3；

每个模块的通道数：4；

全通道信号动态范围：0～±10V；

输入阻抗：1MΩ；

信号输入方式：PXI机箱P6连接器，BNC，悬浮安装；

隔离方式：数字隔离；

模拟信号通道频率范围：50kHz～200kHz；

模拟带通滤波：3dB频率50kHz～200kHz，8阶巴特沃斯(butterworth)带通滤波器；

模拟输入程控放大器：2ⁿ，n＝0～6，放大倍数程控选择，线性误差小于1％；

模数变换采样率：10kHz/通道(可程控)；

信号分辨率：12bit±1LSB；

触发方式：本地触发、软件触发和超值触发；

RMS计算时间：电位器调节1ms～1s，具有100ms间隔的时间刻度指示。

本发明监测系统的使用状态如图4所示：

使用时，将螺纹适配座2焊接在被测压力管道16的外壁，穿过压力管道16的保温层17与焊接在管道16上的螺纹适配座2的螺纹连接，波导杆3通过螺纹与螺纹适配座2联结，声发射传感器4安装在波导杆3上，波导杆3把泄漏所产生的声发射信号传给声发射传感器4，声发射信号通过电缆5经过前置放大器6输入到声发射信号测量模块15；同时，低频信号测量模块13接收来自主控室12的回路温度、流量、压力信号，当有泄漏发生时，报警控制模块14向主控室12输出报警信号。

本发明的核电站压力管道泄漏声发射监测系统性能指标如下：

序号	参数名称	参数指标
			1	泄漏监测	压力管线泄漏实时监测
2	声发射传感器安装方式	波导杆安装
			3	检测范围	可同时检测3个区间(可扩展)
4	声发射传感器谐振频率	150kHz

序号	参数名称	参数指标
			5	声发射检测通道工作频率范围	50kHz～200kHz
6	声发射信号动态范围	90dB
			7	泄漏率检测灵敏度	3.3L/min
8	泄漏率检测范围	3.3L/min～12L/min
			9	泄漏定位估计误差	±50％区间长度(监测到泄漏的相邻两只传感器的距离)，
10	泄漏率定量估计误差	±50％(泄漏率大于3.3L/min时)；

为使监测对象的泄漏组态图形化、可视化，本系统配置有计算机，并编制了基于监测对象泄漏组态图形化的软件，通过系统与软件的结合，在一个界面上可完整反映压力管道、传感器布置、泄漏发生位置、泄漏率、各通道本底噪声水平、信号水平等，从而进行泄漏事件的数据记录和监测结果的数据库管理。压力管道泄漏声发射监测软件设计为菜单管理、主界面与子界面显示、对话框设置界面的结构形式。主菜单与下拉式子菜单设计见下表：

菜单主界面对监测对象(压力管道)和声发射传感器运用图形化方式组态，传感器安装位置和压力管道图形尺寸等比例缩放，传感器测量的声发射信号水平用波形图和数字方式直观显示，便于观察各通道信号水平随时间变化的趋势。有泄漏事件发生时，泄漏定位的结果在压力管道图上标识出来，直观表示泄漏位置与各传感器安装点的相对位置。同时，在主界面的列表中显示当前泄漏发生的时间、各通道的本底噪声水平、各通道的声发射信号水平、泄漏定位结果、泄漏率估计值，同时报警输出。当用户选择菜单上其他操作时，泄漏监测自动停止。

用户设置对话框完成用户名和口令的重新设置，用户管理对话框对用户操作情况进行查看，包括用户、进入时间、退出时间。

硬件参数配置界面完成声发射信号测量模块、低频信号测量模块、报警输出模块的各种硬件参数的配置，包括：采样频率、采样长度、程控增益、采样间隔、通道校准数据等的配置。

算法参数配置界面完成压力管道和传感器位置的各种物理尺寸、泄漏鉴别阈、泄漏鉴别持续时间、泄漏定位通道选择、通道本底噪声水平、标定系数、距离衰减常数等的配置.

泄漏监测和停止监测用于确定软件的运行状态。

历史数据库和当日数据库分别实现选定时间内的泄漏事件和当日泄漏事件的泄漏信息查看。

实施例：

采用本发明的方法和系统，利用动力设备综合试验装置作为试验平台，分别将加工的微孔试件、压力管线贯穿裂纹的泄漏试验段，连接到动力设备综合试验装置试验接口上，对核电站压力管道进行保温层热致声效应试验、微孔泄漏试验和管道贯穿裂纹的泄漏声发射试验：

利用4根外径Φ152mm、壁厚12mm，长度7700mm(由长500mm的裂纹试件，通过前后焊接长3600mm的管段构成)的0Cr18Ni10Ti高压管材作为试件，采用电火花刻蚀加工，在管道试件内表面刻蚀一个轴向V形沟槽，利用压力管道裂纹开口面积计算模型和裂纹泄漏计算模型，计算出预期泄漏率对应的贯穿裂纹尺寸，将管道试件连接到液压疲劳试验装置上，通过循环加载(循环加载参数：工作压力：18.75MPa、工作温度：常温、加载工质：液压油、加载频率：1Hz、加载波形：正弦波、工作流量：≥120L/min)，使得疲劳裂纹萌生、扩展并贯穿壁厚，直至达到预定的穿透裂纹长度，由此制作出不同长度裂纹的泄漏试验件。按照额定压力和温度下泄漏率分别为3.3L/min、5.8L/min、8.3L/min、11.7L/min左右的要求制作的裂纹，作为泄漏标定试件。4根裂纹试件的裂纹长度分别为39mm、46mm、51mm、55mm(裂纹试件按裂纹长度顺序编号为No.1、No.2、No.3、No.4)。

动力设备综合试验装置设计压力：19.6MPa、设计温度：350□、流量：100t/h。

压力边界泄漏试验主要使用动力设备综合试验装置的主系统、回路冷却系统、压力安全系统、补水系统、电气系统、测控系统等。

主回路系统由屏蔽泵、DN100手动调节阀、DN80电动调节阀、测量孔板(测量范围0～100t/h)组成。其功能是通过主泵使流体循环达到试验额定工况。

压力安全系统由稳压器(容积8m³、电加热器功率420KW)、凝汽罐(容积5m³)、喷雾阀、单功能安全阀等组成。本系统调节系统运行压力、温度和超压保护。

回路冷却系统由回路冷却器、阀门及相应的管道、流量孔板等组成。冷却器功率300KW。该系统功能是调节回路温度和降温降压。

补水系统由水箱、三联柱塞泵、计量泵、阀门及管道组成。

泄漏试验段从主回路泵出口段三通盲板处连接。泄漏试验段由接管、试件给水管、回路隔离阀、文丘里管流量计、快速电动截止阀、试件等组成。试验段从主回路泵出口段三通盲板处接出，设DN25手动截止阀，用于试验段与主回路的隔离。在隔离阀后端布置一个文丘里管流量计，测量试件贯穿裂纹的泄漏率。流量计测量范围0～500l/h。在文丘里管的前端设置温度、压力测点，测量回路流体到试验支路的压力、温度变化。在文丘里管后段设预热排放管和排放截止阀，用于管道的预热排水。试件前段设置快速电动截止阀，使流体快速流通和截断；试件后段设置截止阀，即试验件排气阀，用于试件的预热排水。试验段后端除设有试验件排气阀外，还设有漏流排放阀和冷凝器。

保温层用于试验管道绝热，同时用于进行回路升温升压过程保温层热致声效应试验.

保温材料：复合硅酸盐，内外金属覆面；

保温层数量为4件：内径192mm；外径：440mm；每件长度：2m；4件保温层之间的连接方式为卡扣绝热密封连接。

每件保温层上预装有1个用于声发射传感器波导杆穿过保温层的内置接管。在保温层热致声效应试验、微孔泄漏试验和管道贯穿裂纹试验中，试件前端管道(3600mm长)和后端管道(3600mm长)上各焊接2个螺纹适配座，4根波导杆分别通过螺纹适配座连接到试验管道上，4个声发射传感器分别安装在4根波导杆上。

1.保温层热致声效应试验

将3600mm长的试件前段和后段管与500mm的无裂纹试件焊接起来，将微孔泄漏试验段安装就位，并包敷保温层。将试验段前端截止阀关闭，试验段后端排气阀和漏流排放阀关闭。

运行动力设备综合试验装置小环路，当回路压力分别达到3MPa、6MPa、9MPa、12MPa和15MPa时，开启试验接口前端截止阀，然后开启试验段后端排气阀，预热试验段管道，当试验段内介质温度稳定后，关闭试验段后端排气阀，保温保压5分钟。在整个升温升压和保温保压过程中，利用泄漏声发射监测系统对试验段压力和温度进行测量，对保温层及管路自身产生的声发射信号进行间断性采集，对升压、保压过程声发射信号进行分析。

2.微孔泄漏试验

保温层热致声效应试验完成后，回路压力已维持在15MPa，此时关闭前端截止阀，打开微孔板后端漏流排放阀，利用泄漏声发射监测系统对试验段压力、温度和泄漏率进行测量，对微孔泄漏产生的声发射信号进行间断性采集、分析与记录，同时用量杯接收冷凝器漏流并计时。直到系统测量不到声发射信号为止，对微孔泄漏自然降压过程中，测量压力为15MPa、12MPa、9MPa、6MPa、3MPa下较为稳定的泄漏率和泄漏声发射信号。分析各压力台阶下泄漏声发射信号水平与泄漏率的关系，建立泄漏鉴别阈值。

3.裂纹泄漏试验

(1)升降压下裂纹泄漏试验

将No.1裂纹泄漏试件段安装就位，并包敷保温层。将试验段前端截止阀和试验段后端排气阀关闭。将波导杆、声发射传感器、前置放大器及信号电缆安装就位，泄漏声发射监测系统处于正常工作状态。运行动力设备综合试验装置，当回路压力分别达到3MPa、6MPa、9MPa、12MPa和15MPa时，试验管道预热后，保温保压5分钟，对试验段压力、温度和流量进行测量；对裂纹泄漏产生的声发射信号进行间断性采集、分析整个升温升压和保温保压过程中，No.1泄漏试件泄漏声发射信号水平与压力和泄漏率之间的关系。

关闭试验段前端截止阀，进行泄漏自然降压过程泄漏试验，对降压过程裂纹泄漏产生的声发射信号进行采集，直到系统测量不到声发射信号为止。分析降压过程No.1泄漏试件泄漏声发射信号水平与压力和泄漏率之间的关系。

(2)恒压与降压下裂纹泄漏试验

No.1裂纹泄漏试件完成升降压下裂纹泄漏试验后，马上开展恒压与降压下裂纹泄漏试验.将试验段前端截止阀和后端排气阀关闭，测试设备安装就位.运行动力设备综合试验装置，当回路压力达到15MPa时，开启试验接口前端截止阀和试验段后端排气阀，预热试验段管道，保温保压5分钟，在温度和压力稳定到15MPa时，对试验段压力、温度和流量进行测量，对裂纹泄漏声发射信号进行不间断采集，分析No.1泄漏试件额定压力下泄漏声发射信号水平与泄漏率之间的关系.

关闭试验段前端截止阀，进行泄漏自然降压过程泄漏试验，在15MPa、12MPa、9MPa、6MPa、3MPa压力下，当泄漏声发射信号趋于稳定后进行测量，对裂纹泄漏产生的声发射信号进行间断性采集，直到系统测量不到声发射信号为止。分析降压过程No.1泄漏试件泄漏声发射信号水平与压力和泄漏率之间的关系。

分别用No.2、No.3和No.4泄漏试件，替换No.1泄漏试件，重复上述升降压下裂纹泄漏试验和恒压与降压下裂纹泄漏试验过程。

通过对上述试验结果数据进行分析和处理，获得保温层热致声效应特性，获得泄漏声发射鉴别阈值，获得升压过程和降压过程中，泄漏声发射信号水平与压力和泄漏率之间的数学关系，利用各试件、在不同压力下，各传感器通道响应的的声发射信号水平与泄漏率之间的关系，通过数学处理，获得泄漏定位与定量算法中的距离衰减常数和试验标定系数。

Claims (4)

1.一种核电站压力管道泄漏声发射监测方法，其特征在于：所述的监测方法按以下步骤进行：

步骤一制备贯穿泄漏的管道泄漏试验件，模拟核电站管道缺陷萌生、起裂、扩展

利用0Cr18Ni10Ti高压管材作为试件，采用电火花刻蚀加工，在管道试件内表面刻蚀一个轴向V形沟槽，利用压力管道裂纹开口面积计算模型和裂纹泄漏计算模型，计算出预期泄漏率对应的贯穿裂纹尺寸，将管道试件连接到液压疲劳试验装置上，通过循环加载，使得疲劳裂纹萌生、扩展并贯穿壁厚，直至达到预定的穿透裂纹长度，由此制作出不同长度裂纹的泄漏试验件；

步骤二对压力管道泄漏进行鉴别、定位与定量

通过试验标定微泄漏时声发射信号幅度，作为泄漏鉴别阈值，通过动态检测声发射信号幅度有效值，在设定的时间段内，声发射信号幅度持续超过阈值，则认为泄漏发生；根据声发射信号在金属管道上传播，具有指数衰减的特性，通过试验标定衰减系数，在监测区间管道上，安装声发射传感器，监测传感器通道响应的声发射信号幅度，利用信号指数衰减特性，实现泄漏定位；在一定压力范围内和一定泄漏率范围内，泄漏声发射信号幅度与泄漏率间具有指数关系，通过试验标定出该系数，并做压力和泄漏率适应性修正，通过连续监测泄漏声发射信号幅度，即实现泄漏率的估计；

步骤三模拟核电站高温高压环境的管道贯穿裂纹泄漏

采用模拟核电站管道压力和温度的动力设备综合试验装置测量试件贯穿裂纹的泄漏率；在试验段上设温度、压力测点；声发射传感器采用波导安装方式，首先利用无裂纹试件，进行管道保温层热致声效应试验，然后换用贯穿裂纹试件，将动力设备综合试验装置升温升压至额定工况，利用稳压器中的高温高压过热水，作为泄漏介质；打开试验接口前端截止阀和试验段后端排气阀，待试验段内充满水，并且管内温度恒定时，关闭排气阀；利用压力边界泄漏监测试验样机，对贯穿裂纹泄漏产生的声发射信号进行不间断采集、分析与记录；对试验数据进行处理，得到泄漏定位与定量模型的衰减系数和标定系数。

2.按照权利要求1所述的核电站压力管道泄漏声发射监测方法，其特征在于：所述监测方法的步骤二中对压力管道泄漏进行鉴别、定位与定量建立泄漏定位与泄漏率定量模型；泄漏监测以泄漏声发射信号水平为压力边界泄漏鉴别特征量，通过对各通道的浮动噪声水平进行跟踪监测，同时将各时刻的信号水平与浮动噪声水平进行比较，如果在一个比较长的时间段内，通道的信号水平均超过浮动噪声水平，就可判断出该区间发生了泄漏，同时进行压力边界泄漏定位与定量估计，并发送泄漏报警信号；压力边界泄漏点产生的声发射信号沿管道表面传播，传播过程中信号发生衰减，并具有随距离指数衰减的特性；根据这一特性，建立如下泄漏定位与泄漏率定量模型：

设泄漏信号水平与噪声水平叠加电压为V_L(单位：V)，噪声水平为V_B(单位：V)。压力边界泄漏率与V_L、V_B有下列经验公式：

G＝a(V_L-V_B)^k

其中：G为泄漏率，L/min；

a、k为常数，由试验标定；

设监测区间布置3只声发射传感器S_i(i＝1，2，3)，声发射传感器S_i在管道上位置坐标为X_i，泄漏位置P的坐标为X_p。G_i分别为三只传感器所在位置响应的泄漏率，则：

G₁＝a(V_L1-V_B1)^k    (1)

G₂＝a(V_L2-V_B2)^k    (2)

G₃＝a(V_L3-V_B3)^k    (3)

泄漏信号在金属表面近似按指数衰减，设泄漏点泄漏率为G_P则：

$G_i=G_P\·{\exp }^{-\mathrm{\α}\·L_i}$ i＝1，2，3  (4)

其中：α为距离衰减常数，由试验标定；

L_i＝|X_i-X_P|是传感器到泄漏位置的距离。

根据具体情况代入标定的系数，通过以上算式建立的方程组可计算得到泄漏率和泄漏位置，即实现泄漏定位与定量目标。

3.一种核电站压力管道泄漏声发射监测系统，其特征在于：所述的监测系统由声发射信号探测器(1)和电气柜(7)组成，具体如下：

声发射信号探测器(1)包括螺纹适配座(2)、波导杆(3)、声发射传感器(4)、电缆(5)和前置放大器(6)；螺纹适配座(2)通过螺纹与波导杆(3)联结，声发射传感器(4)安装在波导杆(3)上，电缆(5)的一端与声发射传感器(4)连接，另一端与前置放大器(6)相连。

电气柜(7)是一个机柜，内设有电源适配单元(8)、显示器(9)、键盘鼠标(10)和信号采集及处理模块(11)；电源适配单元(8)是一可将交流电源变换成直流电源，为声发射传感器(4)前放提供工作电源的机箱；信号采集及处理模块(11)内设有控制器(12)、低频信号测量模块(13)、报警输出模块(14)和声发射信号测量模块(15)，各模块之间通过信号传输连接。

4.按照权利要求3所述的核电站压力管道泄漏声发射监测系统，其特征在于：所述的螺纹适配座(2)、波导杆(3)、声发射传感器有(4)均有4个；所述的电气柜(7)内的声发射信号电缆有4路，温度信号电缆有1路，压力信号电缆有1路，流量信号电缆有1路；所述的信号采集及处理模块(11)中的控制器(12)有1个，低频信号测量模块(13)有1个，报警输出模块(14)有1个，声发射信号测量模块(15)有3个。

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