CN109655027B - 一种核电站常规岛管壁减薄探测装置及方法 - Google Patents

一种核电站常规岛管壁减薄探测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种核电站常规岛管壁减薄探测装置及方法，其中，探测装置包括：测温探头，布置在待测管件的管外壁面处，用于测量待测管件的管外壁面温度；中间存储装置，用于接收并储存所述测温探头发送的温度测量信号；便携式移动终端，插接在所述中间存储装置上，用于从所述中间存储装置接收待测管件的管外壁面温度，并基于导热反问题获取待测管件的管壁厚度。本发明能够省略拆保温、设置脚手架，节约大量人力资源，极具高效特点；一次性投资，仅存在测温探头的校准、移动终端的维护的周期性成本的支出，经济性上占据优势。

Description

一种核电站常规岛管壁减薄探测装置及方法
技术领域
本发明涉及核电厂安全技术领域，尤其涉及一种核电站常规岛管壁减薄探测装置及方法。
背景技术
核电站常规岛包含二回路给水/蒸汽供应系统，这类蒸汽系统介质多为高能蒸汽、汽液两相、冷凝水，它们对二回路设备，特别是管道的冲刷/冲蚀能力很强，为了预防二回路重要系统管件或管道内壁突然的减薄破坏，核电站会根据在役检查大纲，定期(一般为一个换料大修)对一部分敏感管道、管件进行检查，用以评估减薄情况。
目前，核电站采用超声探伤(UT)的方式，对敏感管道、管件进行探伤，每次探伤的数量为几百不等，具体和核电站自身设计、建造和运行、维护等多种因素有关。超声波探伤存在两个明显的缺点：
1.工作量大：对于某1根管件而言，UT检查需要拆除现场保温、搭制脚手架，在检查完成以后，原有保温回装；每次大修，核电站检查的管件多达数百根，工作量很可观，潜在的工业风险也是并存的；
2.成本高：这种定期检查的方式，在每次大修均为固定成本支出，耗费的人力、物力为周期性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种核电站常规岛管壁减薄探测装置及方法，简化探测流程，提高工作效率，同时降低成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种核电站常规岛管壁减薄探测装置，包括：
测温探头，布置在待测管件的管外壁面处，用于测量待测管件的管外壁面温度；
中间存储装置，用于接收并储存所述测温探头发送的温度测量信号；
便携式移动终端，插接在所述中间存储装置上，用于从所述中间存储装置接收待测管件的管外壁面温度，并基于导热反问题获取待测管件的管壁厚度。
其中，所述便携式移动终端进一步包括：
接收单元，用于从所述中间存储装置获取待测管件的管外壁面温度；
计算单元，用于根据导热微分方程，求解导热正问题，获得待测管件沿径向的温度场分布；
寻优单元，用于将从所述待测管件沿径向的温度场分布获取的待测管件的管外壁面温度，与测量得到的待测管件的管外壁面温度代入寻优算法公式，获取管外壁面温度最优解，并根据温度场与管壁厚度的对应关系获得待测管件的管壁厚度。
其中，所述便携式移动终端还包括：
判定单元，用于将所述寻优单元获得的待测管件的管壁厚度与预定的阈值进行比较，输出管壁是否减薄的结果。
其中，所述寻优算法公式如下：
Figure BDA0001896762380000021
其中，Tn,m,cal为从待测管件沿径向的温度场分布获取的待测管件的管外壁面温度，Tn,m,mea为所述测温探头测量得到的管外壁面温度，J(Tb)表示温度场与管壁厚度的对应关系，一个特定的温度场对应一个特定的管壁厚度，n为待测管件径向维度，m为每一径向维度上的测温点数。
其中，所述导热微分方程如下所示：
Figure BDA0001896762380000022
Figure BDA0001896762380000023
T＝T0，τ＝0 初始条件
其中，Tw是待测管件的壁面温度，T是待测管件沿径向的温度场分布，τ是时间变量，Tf,inner是待测管件内平均温度，Tf,outer是待测管件外平均温度。
本发明还提供一种核电站常规岛管壁减薄探测方法，包括：
步骤S1，利用布置在待测管件的管外壁面处的测温探头测量得到待测管件的管外壁面温度；
步骤S2，通过插接在中间存储装置上的便携式移动终端，从所述中间存储装置接收待测管件的管外壁面温度，并基于导热反问题获取待测管件的管壁厚度。
其中，所述步骤S2进一步包括：
步骤S21，设置求解导热正问题的初始赋值；
步骤S22，根据导热微分方程求解导热正问题，获得待测管件的温度场分布；
步骤S23，从待测管件的温度场分布中获取待测管件的管外壁面温度，将其与测温探头测量得到的管外壁面温度带入寻优算法公式，判断获得的解是否满足验收准则，若是则根据温度场与管壁厚度的对应关系获得待测管件的管壁厚度。
其中，所述步骤S23还包括：
如果不满足验收准则，则将优化得到的新值替代初始值，再次求解导热正问题，直至满足验收准则。
其中，所述寻优算法公式如下：
Figure BDA0001896762380000031
其中，Tn,m,cal为从待测管件沿径向的温度场分布获取的待测管件的管外壁面温度，Tn,m,mea为所述测温探头测量得到的管外壁面温度，J为二者通过最小二乘法获得的数值，J(Tb)表示温度场与管壁厚度的对应关系，一个特定的温度场对应一个特定的管壁厚度，n为待测管件径向维度，m为每一径向维度上的测温点数。
其中，所述导热微分方程如下所示：
Figure BDA0001896762380000041
Figure BDA0001896762380000042
T＝T0，τ＝0 初始条件
其中，Tw是待测管件的壁面温度，T是待测管件沿径向的温度场分布，τ是时间变量，Tf,inner是待测管件内平均温度，Tf,outer是待测管件外平均温度。
本发明实施例的有益效果在于，能够省略拆保温、设置脚手架，节约大量人力资源，它和传统超声探伤方式相比，极具高效特点；替代传统的探伤工艺，能够规避普通工业风险，不存在坠落或高温烫伤风险；采用便携式移动终端，它与事先布置的中间存储装置接驳，直接给出探伤结论，整个过程不拆除核电站现场保温、无需搭制脚手架；本发明是一次性投资，仅存在测温探头的校准、移动终端的维护的周期性成本的支出，它和传统超声探伤(UT)方式相比，经济性上占据优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一一种核电站常规岛管壁减薄探测装置的结构原理示意图。
图2是本发明实施例中寻优算法逻辑示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
请参照图1所示，本发明实施例一提供一种核电站常规岛管壁减薄探测装置，包括：
测温探头1，布置在待测管件的管外壁面处，用于测量待测管件的管外壁面温度；
中间存储装置2，用于接收并储存所述测温探头1发送的温度测量信号；
便携式移动终端3，插接在所述中间存储装置2上，用于从所述中间存储装置2接收待测管件的管外壁面温度，并基于导热反问题获取待测管件的管壁厚度。
具体地，测温探头1一般为热电偶测温贴片，布置在待测管件的管外壁面处，布置的数量由具体的测量目标而确定。其将测量得到的待测管件的管外壁面温度以模拟信号——温度测量信号对外输出。
中间存储装置2是一种存储数据的固定装置，可长期、在线接收并储存测温探头1发送的温度测量信号。同时，中间存储装置2还设计有通讯接口，用于接驳便携式移动终端3。
便携式移动终端3作为移动载体与中间存储装置2通讯，获取中间存储装置2的暂存的待测管件的管外壁面温度，然后基于导热反问题对待测管件的管壁厚度进行运算和分析，并且还可通过人机交互界面，给出管壁是否减薄的确定性的结论。
本实施例中，便携式移动终端3基于导热反问题计算待测管件的管壁厚度的原理如下：
通常，导热微分方程是确定的，当边界条件和初始条件完备后，导热正问题是一个定解问题，如下公式所示：
Figure BDA0001896762380000051
Figure BDA0001896762380000052
T＝T0，τ＝0 初始条件
上述公式中，Tw是待测管件的壁面温度，T是待测管件沿径向的温度场分布，τ是时间变量，Tf,inner是待测管件内平均温度，Tf,outer是待测管件外平均温度。
导热反问题则是构建已知参数与未知参数差值的最小优化目标函数，通过一定的寻优算法，获得未知参数的反演值。本实施例中，该寻优算法公式如下：
Figure BDA0001896762380000061
上述公式中，Tn,m,cal为从待测管件沿径向的温度场分布获取的待测管件的“管外壁面温度”，Tn,m,mea为测温探头1测量得到的“管外壁面温度”，J为二者通过最小二乘法获得的数值，如果J为最小，表明Tn,m,cal与Tn,m,mea的差值最小，这时导热反问题获得的解(可以是管内壁面的温度，也可以是管道全场温度)就最接近“真”解。Tb是构建的最小优化目标函数的自变量，即Tn,m,cal与Tn,m,mea的差值；J(Tb)是因变量，表示温度场与管壁厚度的对应关系，一个特定的温度场对应一个特定的管壁厚度，如果通过计算获得管道外壁面温度，跟实际测量值比较以后满足最小二乘法原理，那么就认为此时计算获得的温度场是接近真实的数值。n代表待测管件径向维度，m代表每一径向维度上的测温点数，N和M值根据具体设计确定。
请再参照图2所示，便携式移动终端基于导热反问题计算待测管件的管壁厚度的过程如下：
首先，设置求解导热正问题的初始赋值，包括Tw、Tf,inner、Tf,outer等；
然后，求解导热正问题，获得待测管件的温度场分布数值T；
从待测管件的温度场分布数值T中获取待测管件的管外壁面温度(Tn,m,cal)，将其与测温探头1测量得到的管外壁面温度(Tn,m,mea)带入上述寻优算法公式，判断获得的解是否满足验收准则，若是则根据温度场与管壁厚度的对应关系获得待测管件的管壁厚度。
进一步地，如果不满足验收准则，则将优化得到的新值替代初始赋值，再次求解导热正问题，直至满足验收准则。验收准则即根据最小二乘法原理，寻优算法公式得出的最优解。
因此，管壁厚度作为一个未知参数，可以通过测量管外壁表面温度、通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)计算预测管内壁对流换热系数第三类边界条件，通过导热反问题进行反演，获得管壁厚度的数据。
获得管壁厚度后，与预设的阈值进行比较，从而得出是否减薄的结论。
由上可知，本实施例中，便携式移动终端进一步包括：
接收单元，用于从所述中间存储装置获取待测管件的管外壁面温度；
计算单元，用于根据导热微分方程，求解导热正问题，获得待测管件沿径向的温度场分布；
寻优单元，用于将从所述待测管件沿径向的温度场分布获取的待测管件的管外壁面温度，与测量得到的待测管件的管外壁面温度代入寻优算法公式，获取管外壁面温度最优解，并根据温度场与管壁厚度的对应关系获得待测管件的管壁厚度。
进一步地，便携式移动终端还包括：
判定单元，用于将所述寻优单元获得的待测管件的管壁厚度与预定的阈值进行比较，输出管壁是否减薄的结果。
本发明的探测装置具有便携的特点，只须对每根管件在线探伤，并且实时给出数据和结论，能够简化在役检查流程，提高工作效率；本发明可一次性在现场布置永久性测温点，一次性投资，无周期性成本支出。
相应于本发明实施例一，本发明实施例二提供一种核电站常规岛管壁减薄探测方法，包括：
步骤S1，利用布置在待测管件的管外壁面处的测温探头测量得到待测管件的管外壁面温度；
步骤S2，通过插接在中间存储装置上的便携式移动终端，从所述中间存储装置接收待测管件的管外壁面温度，并基于导热反问题获取待测管件的管壁厚度。
其中，所述步骤S2进一步包括：
步骤S21，设置求解导热正问题的初始赋值；
步骤S22，根据导热微分方程求解导热正问题，获得待测管件的温度场分布；
步骤S23，从待测管件的温度场分布中获取待测管件的管外壁面温度，将其与测温探头测量得到的管外壁面温度带入寻优算法公式，判断获得的解是否满足验收准则，若是则根据温度场与管壁厚度的对应关系获得待测管件的管壁厚度。
其中，所述步骤S23还包括：
如果不满足验收准则，则将优化得到的新值替代初始值，再次求解导热正问题，直至满足验收准则。
其中，所述寻优算法公式如下：
Figure BDA0001896762380000081
其中，Tn,m,cal为从待测管件沿径向的温度场分布获取的待测管件的管外壁面温度，Tn,m,mea为所述测温探头测量得到的管外壁面温度，J(Tb)表示温度场与管壁厚度的对应关系，一个特定的温度场对应一个特定的管壁厚度，n为待测管件径向维度，m为每一径向维度上的测温点数。
其中，所述导热微分方程如下所示：
Figure BDA0001896762380000082
Figure BDA0001896762380000083
T＝T0，τ＝0 初始条件
其中，Tw是待测管件的壁面温度，T是待测管件沿径向的温度场分布，τ是时间变量，Tf,inner是待测管件内平均温度，Tf,outer是待测管件外平均温度。
通过上述说明可知，本发明实施例的有益效果在于：
高效：本发明能够省略拆保温、设置脚手架，节约大量人力资源，它和传统超声探伤(UT)方式相比，极具高效特点；
安全：替代传统的探伤工艺，能够规避普通工业风险，不存在坠落或高温烫伤风险；
方便：采用便携式移动终端，它与事先布置的中间存储装置接驳，直接给出探伤结论，整个过程不拆除核电站现场保温、无需搭制脚手架；
经济：本发明是一次性投资，仅存在测温探头的校准、移动终端的维护的周期性成本的支出，它和传统超声探伤(UT)方式相比，经济性上占据优势。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种核电站常规岛管壁减薄探测装置，其特征在于，包括：
测温探头，布置在待测管件的管外壁面处，用于测量待测管件的管外壁面温度；
中间存储装置，用于接收并储存所述测温探头发送的温度测量信号；
便携式移动终端，插接在所述中间存储装置上，用于从所述中间存储装置接收待测管件的管外壁面温度，并基于导热反问题获取待测管件的管壁厚度；
所述便携式移动终端进一步包括：
接收单元，用于从所述中间存储装置获取待测管件的管外壁面温度；
计算单元，用于根据导热微分方程，求解导热正问题，获得待测管件沿径向的温度场分布；
寻优单元，用于将从所述待测管件沿径向的温度场分布获取的待测管件的管外壁面温度，与测量得到的待测管件的管外壁面温度代入寻优算法公式，获取管外壁面温度最优解，并根据温度场与管壁厚度的对应关系获得待测管件的管壁厚度；
所述寻优算法公式如下：
Figure FDA0002608772820000011
其中，Tn，m，cal为从待测管件沿径向的温度场分布获取的待测管件的管外壁面温度，Tn，m，mea为所述测温探头测量得到的管外壁面温度，J(Tb)表示温度场与管壁厚度的对应关系，一个特定的温度场对应一个特定的管壁厚度，n为待测管件径向维度，m为每一径向维度上的测温点数。
2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述便携式移动终端还包括：
判定单元，用于将所述寻优单元获得的待测管件的管壁厚度与预定的阈值进行比较，输出管壁是否减薄的结果。
3.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述导热微分方程如下所示：
Figure FDA0002608772820000021
导热微分方程
Figure FDA0002608772820000022
T＝T0，τ＝0 初始条件
其中，Tw是待测管件的壁面温度，T是待测管件沿径向的温度场分布，τ是时间变量，Tf，inner是待测管件内平均温度，Tf，outer是待测管件外平均温度。
4.一种核电站常规岛管壁减薄探测方法，其特征在于，包括：
步骤S1，利用布置在待测管件的管外壁面处的测温探头测量得到待测管件的管外壁面温度；
步骤S2，通过插接在中间存储装置上的便携式移动终端，从所述中间存储装置接收待测管件的管外壁面温度，并基于导热反问题获取待测管件的管壁厚度；
所述步骤S2进一步包括：
步骤S21，设置求解导热正问题的初始赋值；
步骤S22，根据导热微分方程求解导热正问题，获得待测管件的温度场分布；
步骤S23，从待测管件的温度场分布中获取待测管件的管外壁面温度，将其与测温探头测量得到的管外壁面温度带入寻优算法公式，判断获得的解是否满足验收准则，若是则根据温度场与管壁厚度的对应关系获得待测管件的管壁厚度；
所述寻优算法公式如下：
Figure FDA0002608772820000023
其中，Tn，m，cal为从待测管件沿径向的温度场分布获取的待测管件的管外壁面温度，Tn，m，mea为所述测温探头测量得到的管外壁面温度，J(Tb)表示温度场与管壁厚度的对应关系，一个特定的温度场对应一个特定的管壁厚度，n为待测管件径向维度，m为每一径向维度上的测温点数。
5.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于，所述步骤S23还包括：
如果不满足验收准则，则将优化得到的新值替代初始值，再次求解导热正问题，直至满足验收准则。
6.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于，所述导热微分方程如下所示：
Figure FDA0002608772820000031
导热微分方程
Figure FDA0002608772820000032
T＝T0，τ＝0 初始条件
其中，Tw是待测管件的壁面温度，T是待测管件沿径向的温度场分布，τ是时间变量，Tf，inner是待测管件内平均温度，Tf，outer是待测管件外平均温度。
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