CN110726518B - 核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，所述系统包括：信号采集单元，用于采集核反应堆压力容器环形密封面上采集到的声发射信号，并将采集的信号传递给调理单元；调理单元，用于对从信号采集单元接收到的信号进行电气隔离、程控放大、带通滤波处理，并将处理后的信号传递给处理单元；处理单元，用于基于调理单元传输的信号，获得核反应堆压力容器环形密封面的声发射信号有效值，通过声发射信号有效值判断核反应堆压力容器环形密封面是否存在泄漏，解决了现有技术不能有效的对核反应堆压力容器环形密封面进行监测的技术问题，实现了能够有效的对核反应堆压力容器环形密封面的泄漏实时监测。

Description

核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统

技术领域

本发明涉及核反应堆的泄漏监测领域，具体地，涉及核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统。

背景技术

核反应堆的泄漏监测方法有很多，例如地坑监测、温湿度监测、辐射剂量监测等，这些方法虽然泄漏监测灵敏度尚可，但是泄漏量监测的准确性和泄漏位置监测的准确性都不高。基于声发射的泄漏监测方法在管道泄漏时会产生应力波，其声波值的大小与探测器距离泄漏点的位置及泄漏量的大小成比例，因此其泄漏定位定量的准确性较高，是一种核反应堆泄漏监测可行的方法。

然而现有的应用于核反应堆的基于声发射的泄漏监测方法，只能对一条管道内的声发射信号进行泄漏监测，即只能在一维空间上对一条直线上进行泄漏监测。压力容器环形密封面的泄漏在一个平面上产生，其泄漏与一维空间相比泄漏速度更快、空间更广，若不进行泄漏监测对核反应堆的影响不可忽视，但是二维面监测的技术研究仍然为一片空白且难度较大。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，不能对核反应堆压力容器环形密封面进行二维泄漏面监测，而这样的监测对于核电站和反应堆的意义却是相当大的。

发明内容

本发明提供了核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，解决了现有技术不能有效的对核反应堆压力容器环形密封面进行监测的技术问题，实现了能够有效的对核反应堆压力容器环形密封面的泄漏实时监测。

进一步的，本系统还综合两组数据减小了定位定量误差，能够对监测数据进行分析和记录，且系统本身配备六种故障诊断实时监测，便于对该系统在核反应堆的长期稳定运行进行管理。

为实现上述发明目的，本申请提供了核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，所述系统包括：

信号采集单元，用于采集核反应堆压力容器环形密封面上采集到的声发射信号，并将采集的信号传递给调理单元；

调理单元，用于对从信号采集单元接收到的信号进行电气隔离、程控放大、带通滤波处理，并将处理后的信号传递给处理单元；

处理单元，用于基于调理单元传输的信号，获得核反应堆压力容器环形密封面的声发射信号有效值，通过声发射信号有效值判断核反应堆压力容器环形密封面是否存在泄漏。

其中，本系统的主要功能为：压力容器环形密封面泄漏监测系统用于对反应堆压力容器环形密封面上的声发射信号进行甄别、程控放大、带通滤波等信号处理，并传输给上层采集系统进行泄漏定位定量的算法计算，以便于实时监测压力容器环形密封面的泄漏情况。

核反应堆压力容器环形密封面泄漏监测系统主要功能如下：

(1)对压力容器环形密封面的声发射信号甄别、信号调理并输出至采集系统；

(2)提供一种基于环形密封面的二维泄漏监测技术手段，能准确对环形密封面上的泄漏定位定量，该技术手段具有一定稳定性和故障容错性。

优选的，所述信号采集单元包括若干路声发射信号采集线路，每路声发射信号采集线路均包括：一个声发射传感器和前置放大器；声发射传感器用于在核反应堆压力容器环形密封面上采集到的声发射信号传递给对应的前置放大器进行前置放大，将前置放大后的信号转换为电压信号，将转换后的电压信号传递给调理单元。

优选的，所述处理单元还用于通过声发射信号有效值获得核反应堆压力容器环形密封面的泄漏位置和泄漏量。

其中，本发明的系统结构框图见附图2，本发明的原理为：若环形密封面上发生泄漏会产生超声应力波，经泄漏面的传输后由四路声发射传感器将其转换为电压信号，其中传感器连接于波导杆并焊接在环形密封面上。四路电压信号经过前置放大器并将信号转换为电压信号，前置放大器的供电电压由调理系统提供。经过前置放大器之前的信号一般仅为几十mV左右，因此前置放大器保证了携带泄漏信息的声发射信号能够稳定传输。

调理系统(即调理单元)对声发射信号进行电气隔离、程控放大、带通滤波等信号处理并将其输出至采集系统，其中程控放大电路有1、10、50、100四种程控放大倍数的选择，带通滤波为八阶巴特沃兹滤波电路。调理后的声发射信号通过采集系统获得环形密封面上的四个有效值，如图1所示。四个有效值通过压力容器环形密封面的泄漏定位定量算法计算可以得到环形密封面是否存在泄漏、泄漏位置、泄漏量等结果。若存在泄漏，则由系统输出至报警机箱和DCS系统，泄漏数据库会进行存储，并保存泄漏时的时频域声发射信号，用于后续分析报告。

此外，采集系统(即处理单元)可以通过产生仿真泄漏信号数据的方式验证压力容器环形密封面的泄漏算法功能的正确性，保证泄漏监测定位定量算法参数设置的有效性，保证系统功能的正常运行和监测。

整个系统通过UPS系统经电源分配盘转换适当电压后为调理系统和采集系统供电，若断开220V电压，UPS电源通过电池为系统提供15分钟左右的紧急供电，并在电量小于30％时保存数据，安全退出。

本发明的核心技术为环形密封面泄漏定位定量监测流程。如图1所示，泄漏源点在一个环形密封面上产生，其泄漏会蔓延到圆上的每个区域，为一个平面的泄漏。4个传感器为声发射传感器，声发射信号的频率为50kHz-200kHz，其位置分布为十字对称且不位于环形密封面上，但其距离可以根据实际情况设置，这样设计的目的是：由于泄漏产生于圆环但在环形面上蔓延，传感器对称分布方便建立直角坐标系，方便定位定量的计算，减少定位定量的误差，传感器由于环形面温度过高的原因通过一个机械波导杆焊接于环形密封面上(若温度不高其本身可直接焊接在密封面上)，4个传感器各自对应的波导杆在环形密封面上的位置坐标表示为(x₁,0),(0,y₁),(-x₁,0),(0,-y₁)。

监测流程包括：

步骤1：测量压力容器环形密封面的半径r和泄漏声发射信号的指数衰减常数α；

步骤2：采用4个对称布置的声发射传感器测量泄漏声发射信号并转换为电压信号；

步骤3：电压信号经前置放大器、声发射调理模块后由同步采集卡实时采集得到4个声发射处理泄漏有效值；

步骤4：通过最大的两个泄漏有效值确定泄漏象限，并据此把数据分为两组，每组数据由三个有效值组成；

步骤5：每组数据经推导公式计算得到环形密封面泄漏角度θ，并根据泄漏位置(θ即为发生泄漏时前面四种情况推导的泄漏圆环位置对应的角度,位置可表示为(rcosθ,rsinθ)，若选择一种情况下的一组数据，则此情况下θ＝θ₁或θ＝θ₂，若选择两组数据，则为前面描述的综合平均后的结果)计算泄漏源点的声发射信号有效值，再由泄漏源点统计有效值(泄漏源点有效值为前述的U_P，统计表示可综合一段时间内求得的U_P做一个平均再进行泄漏率G的计算)根据声发射信号与泄漏率的关系式得到金属压力管道冷却剂泄漏率G。测量推导复杂但应用方便快捷，定位准确。

衰减常数α与管道制作材料、信号波的频率等有关系，实际中采用不同泄漏率下的泄漏有效值求解。泄漏声发射信号衰减公式为：U_i＝U_P·exp(-αL_i)，其中泄漏处声发射信号值为U_P，与泄漏位置距离L_i处的信号值为U_i，α为距离衰减常数，其求解式为：

测出两组数据即可以使用此公式计算。

数据分组会优先选出两个最大的声发射信号有效值，利用四个对称传感器建立直角坐标系，确定泄漏区段，将数据分为(最大、次大、最小)和(最大、次大、次小)两组数据。泄漏定位推导公式根据泄漏区间分为四种情况，每种情况下的每组数据由圆环半径r、传感器位置x₁y₁、衰减常数α，泄漏有效值U_i求解泄漏位置和泄漏源点有效值U_p。具体分为以下4种情况：

(1)若U₁U₂最大，泄漏为第一象限，有效数据为U₁U₂U₃和U₁U₂U₄，具体表示为：

①U₁U₂U₃：

其值可以根据象限得到确定值。

其中

为已知量

②U₁U₂U₄：

其值也根据象限得到确定值，θ₀为中间变量，与第一组数据的中间变量无关。

其中

为已知量。

泄漏发生时可选择两组数据进行泄漏和定位的平均计算增强定位定量的准确性U_p＝(U_p1+U_p2)/2，cosθ＝(cosθ₁+cosθ₂)/2，

求得泄漏处声发射信号U_p和泄漏位置((rcosθ,rsinθ))；也可在一组数据明显错误的时候直接选择另一组数据运算得到结果，以增强系统容错性。

(2)若U₂U₃最大，泄漏为第二象限，有效数据为U₁U₂U₃和U₂U₃U₄，具体表示为：

①U₁U₂U₃：计算结果与第一种情况的第一组数据相同，不过计算的中间变量与sinθ₁需根据第二象限取值。

②U₂U₃U₄：中间变量sinθ₀的结果可根据第一种情况的第二组数据计算结果，根据相应象限取值，cosθ₂表示为：

其中

为常数。

参考第一组情况使用两组数据综合结果或使用其中一组数据完成定位定量计算；

(3)若U₃U₄最大，泄漏为第三象限，有效数据为U₁U₃U₄和U₂U₃U₄，具体表示为：

①U₁U₃U₄：中间变量cosθ₀与第一种情况的第一组数据相同，根据象限选择合适的值。sinθ₁表示为：

其中

为常数。

②U₂U₃U₄：结果与第二种情况的第二组数据相同，sinθ₂选择合适的象限即可。

参考第一组情况使用两组数据综合结果或使用其中一组数据完成定位定量计算；

(4)若U₄U₁最大，泄漏为第四象限，有效数据为U₁U₂U₄和U₁U₃U₄，具体表示为：

①U₁U₂U₄：计算结果与第一种情况的第二组数据相同。

②U₁U₃U₄：计算结果与第一种情况的第一组数据相同。

参考第一组情况使用两组数据综合结果或使用其中一组数据完成定位定量计算。

环形密封面泄漏定位监测算法既可以使用两组数据获得更佳的算术平均也可以只选用其中一组数据，因为其已经综合平均了3个泄漏有效值的测量结果来估算角度，实际使用时，在传感器故障的时候可切换另一组数据，具有一定的故障容错诊断能力，实用性更高。

得到泄漏有效值后，泄漏源点平均有效值和金属压力管道冷却剂泄漏率G的关系为：logG＝alogU_P+b，其中a、b为拟合的常数，可以求得核反应堆中通用的泄漏率。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)本发明具有核反应堆压力容器环形密封面二维平面泄漏定位定量实时监测的功能，推导公式根据泄漏区间而变化，测试简单快捷，能准确监测压力容器环形密封面的泄漏情况并进行准确定位定量，保障了压力容器的长期稳定运行。

(2)本发明若使用两组有效数据，则综合了泄漏情况下的两组数据综合计算，减少了定位定量的误差，增强了方法的稳定性，若使用单组数据，则在一组数据无效的情况下切换另一组有效数据，因此具有一定的故障容错诊断的能力。

(3)本发明提供的仿真自检监测技术能在调试或停堆阶段对压力容器环形密封面监测系统进行算法功能的诊断，增强了整个系统的可靠性和稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为本发明的环形密封面上传感器布置示意图；

图2为本发明的系统框图；

图3为本发明中调理模块的系统框图；

图4为本发明中串口通信协议示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，本发明的环形密封面上传感器布置示意图见附图1，环形密封面上放置着四个传感器S1、S2、S3、S4，四个传感器成对称放置，以四个传感器的中心为直角坐标系的原点建立坐标系，四个传感器坐标依次为(x₁，0)、(0，y₁)、(-x₁，0)、(0，-y₁),其中x₁ y₁为可设置的已知变量。

管道传输发生在压力容器环形密封面的圆环上，因此泄漏源点只会产生在以r为半径的圆上，一旦泄漏则会在二维平面上延展，其中r为可以测量的已知量。本发明依据四个传感器的有效值检测大小和泄漏衰减的规律推导出其位置坐标(rcosθ,rsinθ)及其泄漏源点的有效值U_p，并把其转换为通用的泄漏率。

本发明的系统结构框图见附图2，若环形密封面上发生泄漏会产生超声应力波，经泄漏面的传输后由四路声发射传感器将其转换为电压信号，其中传感器连接于波导杆并焊接在环形密封面上。四路电压信号经过前置放大器并将信号转换为电压信号，前置放大器的供电电压由调理系统提供。经过前置放大器之前的信号一般仅为几十mV左右，因此前置放大器保证了携带泄漏信息的声发射信号能够稳定传输。

本发明的前置放大器性能指标如下：

放大倍数选择：20dB，40dB，60dB

输入方式：差分BNC输入

正常工作供电电压：28V

抗辐射：2MRad+3dB

220V电压通过UPS后经电源分配盘为调理系统和采集系统供电，若无电压或瞬间断电的情况下UPS系统也能使用电池供电一段时间，UPS的状态通过串口通信可由采集系统掌握。

调理系统包含1张控制卡和1张调理卡，调理卡的设计框图见附图3。调理系统对电压信号做电气隔离、程控放大、带通滤波的信号处理。

调理系统还具有故障诊断的功能，欠压检测为前置放大器的供电电压是否低于24V，断路检测前置放大器是否已连接好，过载检测输出信号是否超过规定范围，短路检测检查调理系统是否短路。

采集系统汇总4类故障诊断信息，并在软件界面上汇总显示并每隔一段时间将结果记录到数据库中，以方便后续的查询分析。监测软件(包括数据库程序)均采用Labview2012编写，系统为Windows7，数据库为Microsoft SQL 2005。

调理故障诊断检测、程控放大倍数控制均采用串口通信的方式和采集系统通信。串口通信的帧格式图如附图4所示，采集系统通过串口通信的方式发送询问帧给调理系统，调理系统通过应答帧将故障诊断的结果上传给采集系统。串口设置为波特率9600，数据位8，停止位1，校验位0。其中command为命令，可以查询各个调理模块的故障诊断状态，程控调理模块的放大倍数。

本系统的调理模块性能指标如下：

通道数：4

放大倍数：1,10,50,100，程控控制

输出量程：-10V～+10V

滤波特性：50kHZ～200kHz，正负1db，倍频程大于30dB

STM32芯片：STM32103VET6

输出电压：28VDC

串口通信功能：RS485转RS232，经控制卡传输。

本方法的控制模块性能指标如下：

信号输入类型：RS232通信

输入端口：DB9串口

信号输出类型：485通信

输出端口:PXI

数据类型：16进制

波特率：9600

调理后的4路信号由采集系统的高速采集卡汇总到上位机系统中。

采集卡的性能参数如下：

输入通道：4路(同步)；

模拟输入连接器：SMB；

采样速率：每通道最高不低于5MSPS；

ADC分辨率：16位；

输入量程：±10V；

输入阻抗：1MΩ/50Ω；

输入保护电压：±40V。

得到4路声发射信号的有效值后，便可以采用发明内容的压力容器环形密封面泄漏定位监测方法根据实际有效值的相对大小选择四种计算方法的其中一种进行泄漏定位定量计算。

泄漏源点有效值U_p得到后，由logG＝alogU_P+b可以得到冷却剂的具体泄漏率，其中a，b为预先设置的已知常数，若有泄漏数据由数据库记录。

本发明实施例提供了一种核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，通过本系统测量压力容器环形密封面的半径r和泄漏声发射信号的指数衰减常数α；本系统采用4个对称布置的声发射传感器测量泄漏声发射信号并转换为电压信号；本系统电压信号经前置放大器、声发射调理模块后由同步采集卡实时采集得到4个声发射处理泄漏有效值；本系统通过最大的两个泄漏有效值确定泄漏象限，并据此把数据分为两组，每组数据由三个有效值组成；本系统每组数据经推导公式计算得到环形密封面泄漏角度θ，并根据泄漏位置计算泄漏源点的声发射信号有效值，再由泄漏源点统计有效值根据声发射信号与泄漏率的关系式得到金属压力管道冷却剂泄漏率G。本系统应用方便快捷，定位准确。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，其特征在于，所述系统包括：

信号采集单元，用于采集核反应堆压力容器环形密封面上采集到的声发射信号，并将采集的信号传递给调理单元；

调理单元，用于对从信号采集单元接收到的信号进行电气隔离、程控放大、带通滤波处理，并将处理后的信号传递给处理单元；

处理单元，用于基于调理单元传输的信号，获得核反应堆压力容器环形密封面的声发射信号有效值，通过声发射信号有效值判断核反应堆压力容器环形密封面是否存在泄漏；

所述信号采集单元包括4路声发射信号采集线路，每个声发射传感器均对应一个波导杆，声发射传感器与波导杆的一端连接，波导杆的另一端焊接在核反应堆压力容器环形密封面上，其中，核反应堆压力容器环形密封面的中心为平面直角坐标系的坐标原点，4个声发射传感器各自对应的波导杆在环形密封面上的位置坐标分别为：第一声发射传感器(x₁,0)，第二声发射传感器(y₁,0)，第三声发射传感器(-x₁,0)，第四声发射传感器(-y₁,0)；

处理单元获得有效值数据，包括：4个声发射处理泄漏有效值；通过有效值数据中数值第一大和数值第二大的两个泄漏有效值，在核反应堆压力容器环形密封面对应的平面直角坐标系中确定泄漏象限，将有效值数据分为两组，包括：第一有效值分组数据和第二有效值分组数据，第一有效值分组数据包括：有效值数据中数值第一大的数值有效值、有效值数据中数值第二大的有效值、剩余两个有效值数据中的一个有效值；第二有效值分组数据包括：有效值数据中数值第一大的数值有效值、有效值数据中数值第二大的有效值、剩余两个有效值数据中的另外一个有效值；

基于第一有效值分组数据和第二有效值分组数据，计算得到环形密封面的泄漏角度θ，并根据泄漏位置计算泄漏源点的声发射信号有效值，再由泄漏源点统计有效值根据声发射信号与泄漏率的关系式得到金属压力管道冷却剂泄漏率G。

2.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，其特征在于，所述处理单元还用于通过声发射信号有效值获得核反应堆压力容器环形密封面的泄漏位置和泄漏量。

3.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，其特征在于，压力容器环形密封面的半径为r，泄漏声发射信号的指数衰减常数α，

泄漏声发射信号衰减公式为：U_i＝U_P·exp(-αL_i)，其中，泄漏处声发射信号值为U_P，与泄漏位置距离L_i处的信号值为U_i，α为距离衰减常数，其求解式为：

4.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，其特征在于，U₁、U₂、U₃、U₄分别为4个声发射处理泄漏有效值，压力容器环形密封面的半径为r，泄漏声发射信号的指数衰减常数α；

第一种情况：(1)若U₁的数值为第一大数值，U₂的数值为第二大数值，或若U₁的数值为第二大数值，U₂的数值为第一大数值，则判断泄漏为第一象限，有效数据分组为：U₁U₂U₃和U₁U₂U₄，具体表示为：

①U₁U₂U₃：

其中

为已知量；

②U₁U₂U₄：

θ₀为中间变量；

其中

为已知量；

泄漏发生时可选择两组数据进行泄漏和定位的平均计算U_p＝(U_p1+U_p2)/2，cosθ＝(cosθ₁+cosθ₂)/2，

求得泄漏处声发射信号U_p和泄漏位置((rcosθ,rsinθ))；也可在一组数据明显错误的时候直接选择另一组数据运算得到结果；

第二种情况：(2)若U₂的数值为第一大数值，U₃的数值为第二大数值，或若U₂的数值为第二大数值，U₃的数值为第一大数值，则判断泄漏为第二象限，有效数据分组为U₁U₂U₃和U₂U₃U₄，具体表示为：

①U₁U₂U₃：计算结果与第一种情况的第一组数据相同，其中计算的中间变量与sinθ₁根据第二象限取值；

②U₂U₃U₄：中间变量sinθ₀的结果根据第一种情况的第二组数据计算结果，根据相应象限取值，cosθ₂表示为：

其中

为常数；

参考第一组情况使用两组数据综合结果或使用其中一组数据完成定位定量计算；

第三种情况：(3)若U₃的数值为第一大数值，U₄的数值为第二大数值，或若U₃的数值为第二大数值，U₄的数值为第一大数值，则判断泄漏为第三象限，有效数据分组为U₁U₃U₄和U₂U₃U₄，具体表示为：

①U₁U₃U₄：中间变量cosθ₀与第一种情况的第一组数据相同，根据象限选择合适的值；sinθ₁表示为：

其中

为常数；

②U₂U₃U₄：结果与第二种情况的第二组数据相同，sinθ₂选择合适的象限；

参考第一组情况使用两组数据综合计算获得结果或使用其中一组数据完成定位定量计算；

第四种情况：(4)若U₄的数值为第一大数值，U₁的数值为第二大数值，或若U₄的数值为第二大数值，U₁的数值为第一大数值，则判断泄漏为第四象限，有效数据分组为U₁U₂U₄和U₁U₃U₄，具体表示为：

①U₁U₂U₄：计算结果与第一种情况的第二组数据相同；

②U₁U₃U₄：计算结果与第一种情况的第一组数据相同；

参考第一组情况使用两组数据综合计算获得结果或使用其中一组数据完成定位定量计算。

5.根据权利要求3所述的核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，其特征在于，获得泄漏有效值后，泄漏源点平均有效值和金属压力管道冷却剂泄漏率G的关系为：logG＝alogU_P+b，其中a、b为拟合的常数。

6.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，其特征在于，若存在泄漏，则由系统输出至报警机箱和DCS系统，泄漏数据库对数据进行存储，并保存泄漏时的时频域声发射信号，用于后续分析报告。

7.根据权利要求1所述的核反应堆压力容器环形密封面泄漏定位监测系统，其特征在于，系统通过UPS系统经电源分配盘转换预设电压后为调理单元和处理单元供电，若断开220V电压，UPS电源通过电池为系统提供预设时间段的紧急供电，并在剩余电量小于预设百分比时保存数据，安全退出。

Images