CN116052915A - 一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法和装置 - Google Patents

一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法和装置，本发明一方面通过关键位置传感器精确采集被测部件的温度状态，进而有效降低疲劳计算中的保守性，另一方面通过自动修正算法，在运行过程中构建了监测位置与现有传感器的对应关系，实现疲劳计算的自动修正，而无需对故障传感器进行更换和维修，保证了监测的准确性和可靠性，同时极大降低了监测装置的维修成本。

Description

一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法和装置
技术领域
本发明属于核反应堆/核电厂运行装置监测、疲劳分析技术领域，具体涉及一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法和装置。
背景技术
核电厂中关键设备的疲劳状态直接关系到一回路系统的健康状态和使用寿命，进而影响到电厂的安全性与经济性，因此对核电厂关键设备，特别是一回路系统中主要承压设备的疲劳状态计算是核电厂安全审查和延寿过程中重点关注的内容。当前对一回路系统关键设备疲劳计算主要有两种方式，一种方式是利用一回路系统中现有的温度传感器，结合设计阶段的热工计算结果，对关键位置进行推算，该方案的优点是不需要额外新增温度传感器，其缺点是由于被监测位置没有直接测量的温度传感器，推算过程中具有较大的保守性，不利于提高电厂运行的经济性；另一种方式是通过在被监测位置外壁增加温度传感器，先对温度进行反演计算，再进行疲劳状态计算，该方案的优点是温度计算结果更精确，能够有效去除设计过程中的保守性，有利于提高电厂运行的经济性，但是该方案也存在着明显的缺点，即增设的管道外壁温度传感器处于高辐照区，出现故障后维修和更换困难，不利于维护。
发明内容
为了解决现有疲劳状态监测技术存在监测准确度较低或传感器故障后维修和更换困难的问题，本发明提供了一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法和装置。
本发明通过下述技术方案实现：
一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法，包括：
将核反应堆一回路系统分解为若干部件；
根据设计输入对所有部件的关键位置截面进行疲劳分析计算；
根据疲劳分析计算结果，分别对所有部件中的偏劳系数进行排序，如果部件中包含疲劳系数大于0.5的截面，则选取该部件中所有截面为疲劳监测点；如果部件中不包含疲劳系数大于0.5的截面，则选取该部件中疲劳系数最大的截面为疲劳监测点；
检查确定的疲劳监测点预设范围内是否有温度传感器，如果有温度传感器，则将其确定为永久温度传感器；反正则在疲劳监测点新增临时温度传感器；
根据一回路系统架构，将确定的疲劳监测点与永久温度传感器、临时温度传感器建立网络关系；
当所有临时温度传感器正常工作时，分别采集临时温度传感器和永久温度传感器的温度时序数据，并根据网络关系，建立临时温度传感器和相邻永久温度传感器的映射关系，当某个临时温度传感器失效时，基于映射关系，根据永久温度传感器的历史数据反演已失效的临时传感器位置的温度时序数据；
针对每个疲劳监测点，利用对应的温度时序数据计算热应力变化情况；
根据热应力变化情况，结合核反应堆运行监测系统的监测数据，修正每个疲劳监测点的疲劳使用系数；
将部件中所有疲劳监测点中修正后的疲劳使用系数最大的值作为该部件的疲劳使用系数；
将核反应堆一回路系统中部件疲劳使用系数最大的值作为该一回路系统的疲劳使用系数。
作为优选实施方式，本发明的监测方法还包括：
根据部件的疲劳使用系数历史趋势预测该不部件的寿命。
作为优选实施方式，本发明的监测方法还包括：
根据核反应堆一回路系统的疲劳使用系数历史趋势预测一回路系统的寿命。
作为优选实施方式，本发明将核反应堆一回路系统分解为若干部件，包括压力容器、蒸汽发生器、稳压器、主泵、主管道冷段、主管道热段、主管道过渡段和波动管。
作为优选实施方式，本发明的设计输入包括设计瞬态、地震载荷和机械外载。
作为优选实施方式，本发明的关键截面为关键位置应力最大的截面。
作为优选实施方式，本发明的永久温度传感器指使用寿命与核反应堆相同的传感器，需要在使用过程中进行定期维修与更换；所述临时温度传感器指无需定期维修与更换的传感器，即临时温度传感器仅需要在投入使用时有效，达到寿命或意外失效后无需更换或拆除。
另一方面，本发明提出了一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测装置，包括疲劳计算服务器、永久温度传感器、临时温度传感器、通讯模块和数据储存模块；
其中，所述永久温度传感器和临时温度传感器用于测量疲劳监测点的温度并将测量得到的温度时序数据传输给疲劳计算服务器；
所述通讯模块用于获取核反应堆运行监测系统的历史数据，并将其传输给疲劳计算服务器；
所述数据储存模块用于通过通讯模块读取并储存核反应堆运行监测系统的历史数据；
所述疲劳计算服务器，用于执行上述权利要求1-7中任一项所述监测方法，实现疲劳分析计算、临时温度传感器和永久温度传感器的映射关系构建、以及疲劳使用系数的修正并输出。
作为优选实施方式，本发明的通讯模块包括与DCS系统通讯的模块、与PI系统通讯的模块。
作为优选实施方式，本发明的储存模块采用磁介质与光介质两层备份的方式进行历史数据储存。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明一方面通过关键位置传感器精确采集被测部件的温度状态，进而有效降低疲劳计算中的保守性，另一方面通过自动修正算法，在运行过程中构建了监测位置与现有传感器的对应关系，实现疲劳计算的自动修正，而无需对故障传感器进行更换和维修，保证了监测的准确性和可靠性，同时极大降低了监测装置的维修成本。
本发明通过传感器侧的数据对疲劳使用系数的算法进行初始的标定与校准，通过传感器组网的方式实现了信息的全面获取与分析，具有更高的计算精度。
本发明通过传感器分类分级设计，针对重点区域采用高可靠性温度传感器，针对非重点区域采用经济性更高的传感器，具有更低的降低了硬件成本。
本发明通过对历史数据的累积及算法训练逐渐实现对非重点区域传感器的替代，即在非重点区域传感器发生损坏时，采用基于历史数据的算法进行估算，避免了对非重点区域传感器的维修和更换，具有更低的维护成本。
本发明的疲劳使用系数计算过程自动化实现，大幅降低人为失误的概率，提高了计算结果的准确性和可靠性。
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。在附图中：
图1为本发明实施例的监测方法流程图。
图2为本发明实施例的监测装置图。
图3为本发明实施例的监测装置传感器布置示意图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
现有利用一回路系统中现有的温度传感器实现疲劳状态监测的技术，由于被监测位置没有直接测量的温度传感器，因此导致疲劳状态计算的准确性和可靠性较低；而通过在被监测位置外壁额外增加温度传感器实现疲劳状态监测的技术，由于增设的外壁温度传感器处于高辐照区，不便于维护。基于此，本实施例提供了一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法，具体如图1所示，本发明实施例提出的监测方法包括如下步骤：
步骤1，根据核电厂可维修及更换的实际情况将一回路系统分解为若干部件。
步骤2，根据设计输入对所有部件的交变应力大于疲劳持久极限的关键位置截面进行疲劳分析计算。
步骤3，根据疲劳分析计算结果，分别针对所有部件中的疲劳使用系数(CUF)进行排序，如果部件中包含CUF>0.5的截面，则选取所有截面为疲劳监测点；如果部件中不包含CUF>0.5的截面，则选取CUF最大的截面为疲劳监测点。
步骤4，检查确定的疲劳监测点附近是否有温度传感器，如果有温度传感器，则将其确定为永久传感器；如果没有温度传感器，则在疲劳监测点附近新增临时传感器。
步骤5，根据一回路系统架构，将确定的疲劳监测点与永久传感器和临时传感器建立网络关系。
步骤6，当所有临时传感器正常工作时，分别采集临时传感器和永久传感器的温度时序数据，并根据网络关系，建立临时传感器和邻近永久传感器的之间温度数据的映射关系，即T′＝f(T1,T2,,Tn)，其中T′为临时传感器处温度数据，T1,T2,,Tn为相邻的n个永久传感器的温度数据，当某个临时传感器失效时，基于映射关系，根据永久传感器的历史数据反演已失效的临时传感器位置的温度时序数据。
步骤7，针对每个疲劳监测点，利用对应的温度传感器数据作为边界条件，利用有限元方法进行热传导计算，进而计算热应力变化情况。
步骤8，利用热应力变化情况，结合一回路压力/流量的变化情况，叠加内压、机械外载等数据，计算总应力变化幅值，进而根据雨流计数法和Miner法则计算每个疲劳监测点的疲劳使用系数。
步骤9，将部件中所有疲劳监测点中CUF最大的值作为该部件的疲劳使用系数，并可根据历史趋势预测该部件的寿命。
步骤10，将核电厂一回路系统中部件疲劳使用系数最大的值作为该一回路系统的疲劳使用系数，并可根据历史趋势预测一回路系统的寿命。
本发明实施例提出的方法通过永久传感器和临时传感器的结合，实现了对所有疲劳监测点的子修正功能，即使在临时传感器失效后，也无需进行硬件设备更换即可根据自修正算法进行疲劳状态监测，确保系统监测的可靠性和精准性。
作为一种可选的实施方式，步骤1具体可将核电厂一回路系统分解为若干部件，包括压力容器、蒸汽发生器、稳压器、主泵、主管道冷段、主管道热段、主管道过渡段、波动管等。
作为一种可选的实施方式，步骤2的设计输入包括设计瞬态、地震载荷、机械外载等，采用有限元计算方法进行疲劳分析计算。
作为一种可选的实施方式，步骤2的关键截面包括设计接管嘴、支撑、人孔等位置应力最大的截面。
作为一种可选的实施方式，步骤4中的永久传感器指使用寿命与核电厂相同的传感器，需要在使用过程中进行定期维修与更换；临时传感器指无需定期维修与更换的传感器，即该传感器仅需要在该装置投入使用时有效，达到寿命或意外失效后无需更换或拆除。
本发明实施例提出的方法基于如图2所示的监测装置实现，该监测装置包括与核电厂运行监测系统通讯的通讯模块、永久传感器、临时传感器、疲劳计算服务器和数据储存模块。
其中，永久传感器和临时传感器用于测量疲劳监测点的温度并将温度时序数据传输给疲劳计算服务器。如图3所示的核电厂一回路系统疲劳状态监测装置的传感器布置示意图，其中，M1-M4为永久传感器，M5-M7为临时传感器。
根据不同核电厂情况，通讯模块可包括与DCS系统通讯的模块、与PI系统通讯的模块，其功能主要是读取核电厂运行监测传感器的历史数据，包括压力/流量数据等，并将其传输给疲劳计算服务器。
考虑系统长期运行状态及瞬态数据的重要性，数据储存模块采用磁介质与光介质两层备份的方式进行历史数据储存。磁盘阵列作为第一层数据储存和备份的介质，每月通过通讯模块进行数据读取和储存。光盘作为第二层数据备份介质，在需要时对硬盘中的数据进行刻录。
疲劳计算服务器，实现对数据的分析处理，包括计算疲劳使用系数并修正，以及根据历史趋势预测寿命，输出疲劳状态及寿命预测结果，并打印报告。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法，其特征在于，包括：
将核反应堆一回路系统分解为若干部件；
根据设计输入对所有部件的关键位置截面进行疲劳分析计算；
根据疲劳分析计算结果，分别对所有部件中的偏劳系数进行排序，如果部件中包含疲劳系数大于0.5的截面，则选取该部件中所有截面为疲劳监测点；如果部件中不包含疲劳系数大于0.5的截面，则选取该部件中疲劳系数最大的截面为疲劳监测点；
检查确定的疲劳监测点预设范围内是否有温度传感器，如果有温度传感器，则将其确定为永久温度传感器；反正则在疲劳监测点新增临时温度传感器；
根据一回路系统架构，将确定的疲劳监测点与永久温度传感器、临时温度传感器建立网络关系；
当所有临时温度传感器正常工作时，分别采集临时温度传感器和永久温度传感器的温度时序数据，并根据网络关系，建立临时温度传感器和相邻永久温度传感器的映射关系，当某个临时温度传感器失效时，基于映射关系，根据永久温度传感器的历史数据反演已失效的临时传感器位置的温度时序数据；
针对每个疲劳监测点，利用对应的温度时序数据计算热应力变化情况；
根据热应力变化情况，结合核反应堆运行监测系统的监测数据，修正每个疲劳监测点的疲劳使用系数；
将部件中所有疲劳监测点中修正后的疲劳使用系数最大的值作为该部件的疲劳使用系数；
将核反应堆一回路系统中部件疲劳使用系数最大的值作为该一回路系统的疲劳使用系数。
2.根据权利要求1所述的一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法，其特征在于，还包括：
根据部件的疲劳使用系数历史趋势预测该不部件的寿命。
3.根据权利要求1所述的一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法，其特征在于，还包括：
根据核反应堆一回路系统的疲劳使用系数历史趋势预测一回路系统的寿命。
4.根据权利要求1所述的一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法，其特征在于，将核反应堆一回路系统分解为若干部件，包括压力容器、蒸汽发生器、稳压器、主泵、主管道冷段、主管道热段、主管道过渡段和波动管。
5.根据权利要求1所述的一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法，其特征在于，所述设计输入包括设计瞬态、地震载荷和机械外载。
6.根据权利要求1所述的一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法，其特征在于，所述关键截面为关键位置应力最大的截面。
7.根据权利要求1所述的一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测方法，其特征在于，所述永久温度传感器指使用寿命与核反应堆相同的传感器，需要在使用过程中进行定期维修与更换；所述临时温度传感器指无需定期维修与更换的传感器，即临时温度传感器仅需要在投入使用时有效，达到寿命或意外失效后无需更换或拆除。
8.一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测装置，其特征在于，包括疲劳计算服务器、永久温度传感器、临时温度传感器、通讯模块和数据储存模块；
其中，所述永久温度传感器和临时温度传感器用于测量疲劳监测点的温度并将测量得到的温度时序数据传输给疲劳计算服务器；
所述通讯模块用于获取核反应堆运行监测系统的历史数据，并将其传输给疲劳计算服务器；
所述数据储存模块用于通过通讯模块读取并储存核反应堆运行监测系统的历史数据；
所述疲劳计算服务器，用于执行上述权利要求1-7中任一项所述监测方法，实现疲劳分析计算、临时温度传感器和永久温度传感器的映射关系构建、以及疲劳使用系数的修正并输出。
9.根据权利要求8所述的一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测装置，其特征在于，所述通讯模块包括与DCS系统通讯的模块、与PI系统通讯的模块。
10.根据权利要求8所述的一种核反应堆一回路系统疲劳状态监测装置，其特征在于，所述储存模块采用磁介质与光介质两层备份的方式进行历史数据储存。
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