RU120276U1

RU120276U1 - ACOUSTIC CONTROL SYSTEM FOR NPP PIPELINES

Info

Publication number: RU120276U1
Application number: RU2012119270/07U
Authority: RU
Inventors: Алексей Леонидович Матвеев; Алексей Юрьевич Мишенин; Владимир Александрович Овчинников; Алексей Владимирович Овчинников
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-сервисный центр диагностики оборудования АЭС НИКИЭТ"
Priority date: 2012-05-12
Filing date: 2012-05-12
Publication date: 2012-09-10

Abstract

1. Система акустического контроля течи трубопроводов, покрытых цилиндрической блочной съемной тепловой изоляцией, установленной аксиально трубопроводу с образованием кольцевой воздушной полости между поверхностью трубопровода и внутренней поверхностью изоляции, содержащая электрически связанные по меньшей мере два микрофона и электронный блок обработки сигналов, отличающаяся тем, что система включает в себя по меньшей мере две цилиндрические втулки, каждая из которых снабжена фиксирующим фланцем, закрепленным на верхнем торце втулки, при этом втулки установлены вдоль центральной оси трубопровода на толщину изоляции, а центральная ось каждой втулки расположена радиально относительно центральной оси трубопровода, корпус каждого микрофона выполнен цилиндрическим и снабжен цилиндрическим упорным фланцем, жестко закрепленным соосно на цилиндрической поверхности корпуса микрофона, каждый микрофон установлен в соответствующей втулке и соединен с ней по привалочным плоскостям соответствующих фланцев. ! 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве чувствительного элемента микрофона использована пьезокерамика. ! 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что электронный блок обработки сигналов состоит по меньшей мере из двух многофункциональных нормирующих усилителей, шины последовательного интерфейса и вычислительного комплекса, вход каждого нормирующего усилителя соединен с соответствующим микрофоном, а выход каждого нормирующего усилителя подключен к шине последовательного интерфейса, которая присоединена к входу вычислительного комплекса. 1. System of acoustic control of leakage of pipelines covered with a cylindrical block removable thermal insulation, installed axially to the pipeline with the formation of an annular air cavity between the surface of the pipeline and the inner surface of the insulation, containing at least two electrically connected microphones and an electronic signal processing unit, characterized in that the system includes at least two cylindrical bushings, each of which is equipped with a fixing flange attached to the upper end of the bushing, while the bushings are installed along the central axis of the pipeline for the thickness of the insulation, and the central axis of each bushing is located radially relative to the central axis of the pipeline, the housing of each microphone made cylindrical and equipped with a cylindrical thrust flange rigidly fixed coaxially on the cylindrical surface of the microphone body, each microphone is installed in a corresponding sleeve and connected to it along the mating planes of the corresponding f lantsev. ! 2. The system according to claim 1, characterized in that piezoceramics is used as the sensitive element of the microphone. ! 3. The system according to claim 1 or 2, characterized in that the electronic signal processing unit consists of at least two multifunctional normalizing amplifiers, a serial interface bus and a computer complex, the input of each normalizing amplifier is connected to the corresponding microphone, and the output of each normalizing amplifier is connected to the serial interface bus, which is connected to the input of the computer complex.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к атомной энергетике, а именно к проверке или обслуживанию трубопроводов в ядерных установках и может быть использована для обнаружения течи контролируемого трубопровода с использованием звуковых колебаний, в частности, для обнаружения течи трубопроводов с высокотемпературным рабочим телом и съемной тепловой изоляцией первого контура АЭС с реакторами ВВЭР.The utility model relates to nuclear energy, namely to checking or servicing pipelines in nuclear installations and can be used to detect leakage of a controlled pipeline using sound vibrations, in particular, to detect leakage of pipelines with a high-temperature working fluid and removable thermal insulation of the primary circuit of nuclear power plants with VVER reactors.

Уровень техникиState of the art

Известны системы для определения места течи в трубопроводе путем измерения звука истечения среды через неплотность (повреждение) с использованием микрофона (SU 62668 А1, 01.01.1943; SU 1657995 A1, 23.06.1991; SU 1118880 A1, 15.10.1984; SU 1201704 A1, 30.12.1985; RU 2117271 C1, 10.08.1998; RU 2404416 C1, 20.11.2010. Однако эти системы не приспособлены для использования обнаружения течи теплоносителя в трубопроводах АЭС и как следствие этого имеют низкие эксплуатационные и технические характеристики.Known systems for determining the location of a leak in a pipeline by measuring the sound of a medium flowing through leaks (damage) using a microphone (SU 62668 A1, 01/01/1943; SU 1657995 A1, 06/23/1991; SU 1118880 A1, 10/15/1984; SU 1201704 A1, 12/30/1985; RU 2117271 C1, 08/10/1998; RU 2404416 C1, 11/20/2010, however, these systems are not suitable for using the detection of coolant leak in the pipelines of nuclear power plants and, as a result, have low operational and technical characteristics.

Известна также система по патенту RU 2212640 С2, 20.09.2003 (прототип) для измерения расхода течи теплоносителя в местах повреждения трубопроводов на АЭС. Система содержит ряд пленочных конденсаторных микрофонов (датчиков), которые размещаются на существенном удалении от объекта контроля (так называемая дальняя зона) и проводят анализ расхода течи, используя полезное свойство затухания сферических звуковых волн, амплитуда которых затухает по закону обратной пропорциональности. Однако известная система не может обеспечить высокую точность и достоверность контроля, поскольку при обработке замеренных данных используются большое число датчиков и сложные алгоритмы, а также это усугубляется сложностью калибровки и обслуживанием датчиков системы. Наряду с этим элементы системы громоздки, не удобны в эксплуатации и система в целом имеет низкие технические и эксплуатационные показатели.The system according to the patent RU 2212640 C2, 09/20/2003 (prototype) for measuring the flow rate of a coolant leak at the places of damage to pipelines at nuclear power plants is also known. The system contains a number of film condenser microphones (sensors), which are located at a significant distance from the control object (the so-called far zone) and analyze the flow rate using the useful attenuation property of spherical sound waves whose amplitude decays according to the law of inverse proportionality. However, the known system cannot provide high accuracy and reliability of control, since a large number of sensors and sophisticated algorithms are used in processing the measured data, and this is compounded by the complexity of calibration and maintenance of the sensors of the system. Along with this, the elements of the system are bulky, not convenient to operate, and the system as a whole has low technical and operational indicators.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Ранее тепловая изоляция в виде базальтовых матов укладывалась непосредственно на поверхность трубопроводов. Если возникала течь, то в воздушном пространстве помещения, не возникало заметных изменений звукового давления. Применить способ контроля «по воздуху» с помощью микрофонов было невозможным и контактный способ, при котором акустические датчики размещались под изоляцией в контакте с трубопроводом для организации акустического контроля являлся оправданным. Недостатком этого метода является сложность калибровки и обслуживания датчиков системы, а также невыгодное соотношение эффективность контроля/экономичность применяемого способа. Дело в том, что, как правило, требуется обнаруживать небольшие течи от 10-20 л/ч и выше. Чтобы обеспечить необходимую чувствительность по расходу течи, из-за значительного затухания в металле волн напряжения приходится соблюдать шаг расстановки датчиков от 5 м до 10 м. Это приводит к увеличению общего числа датчиков системы и увеличивает расходы на все циклы жизни системы.Previously, thermal insulation in the form of basalt mats was laid directly on the surface of pipelines. If a leak occurred, then in the airspace of the room, there were no noticeable changes in sound pressure. It was impossible to use the method of monitoring “over the air” with the help of microphones, and the contact method in which acoustic sensors were placed under insulation in contact with the pipeline for organizing acoustic control was justified. The disadvantage of this method is the difficulty of calibration and maintenance of the sensors of the system, as well as the disadvantageous ratio of the effectiveness of control / efficiency of the applied method. The fact is that, as a rule, it is required to detect small leaks from 10-20 l / h and above. In order to provide the necessary sensitivity for leakage flow, due to significant attenuation of voltage waves in the metal, it is necessary to observe the spacing of sensors from 5 m to 10 m. This leads to an increase in the total number of sensors in the system and increases costs for all life cycles of the system.

В настоящее время на АЭС для теплоизоляции трубопроводов применяется блочная съемная тепловая изоляция (БСТИ). Новая изоляция представляет собой набор секций из двух разъемных (вдоль оси трубопровода) частей. Каждая часть - это сегментированный цилиндр с внутренней и внешней металлической оболочкой, внутри которой находится базальтовый наполнитель. После монтажа такой изоляции между ней и трубопроводом образуется цилиндрическая кольцевая воздушная полость (кольцевое пространство), в которую устанавливаются в качестве датчиков высокотемпературные микрофоны. (При появлении течи струя смеси жидкости и пара будет взаимодействовать с внутренней металлической стенкой изоляции, порождая дополнительные звуковые колебания, и увеличивать интенсивность колебаний, распространяющихся в кольцевой воздушной полости.) Применение системы обнаружения течи с использованием высокотемпературных микрофонов (датчиков) позволяет организовать контроль течей таким образом, что снижается потребное количество преобразователей и повышается эффективность контроля за счет лучшего отношения сигнал/шум в воздушной среде кольцевого пространства. При этом отношение сигнал/шум по звуковому давлению при появлении течи будет выше единицы, как в непосредственной близости района течи, так и на значительном удалении вдоль трубопровода. Значительно упрощаются вопросы калибровки измерительных каналов с микрофонными преобразователями. Калибровка может выполняться с помощью высокостабильного источника звукового давления на основе транспортной линии сжатого воздуха, подведенной в воздушную кольцевую воздушную полость между трубопроводом и изоляцией. В предлагаемой полезной модели микрофоны располагаются в кольцевой воздушной полости. При возникновении течи в кольцевой воздушной полости изоляции формируется звуковая волна, но не со сферическим фронтом, как в известных технических решениях, а за счет многочисленных отражений волны от стенок, с фронтом очень сложной формы, который практически не поддается математическому описанию. Однако, за счет того, что звук распространяется в кольцевой воздушной полости и нет значительных потерь на расхождение сферического фронта волны потери волны на затухание при распространении меньше. Следовательно, предлагаемая система контроля течи по сравнению с известными системами позволяет повысить эффективность контроля течи и повысить качество эксплуатации системы с учетом конструктивных особенностей тепловой изоляции объекта.At present, nuclear power plants use block removable thermal insulation (BSTI) for thermal insulation of pipelines. The new insulation is a set of sections of two detachable (along the axis of the pipeline) parts. Each part is a segmented cylinder with an inner and outer metal shell, inside of which there is a basalt filler. After installation of such insulation, a cylindrical annular air cavity (annular space) is formed between it and the pipeline, into which high-temperature microphones are installed as sensors. (When a leak appears, the liquid-vapor mixture will interact with the inner metal wall of the insulation, generating additional sound vibrations, and increase the intensity of the vibrations propagating in the annular air cavity.) The use of the leak detection system using high-temperature microphones (sensors) allows the monitoring of leaks such so that the required number of converters is reduced and the monitoring efficiency is increased due to a better signal-to-noise ratio in air th environment of the annular space. In this case, the signal-to-noise ratio by sound pressure when a leak appears will be higher than unity, both in the immediate vicinity of the leak region and at a considerable distance along the pipeline. The calibration of measuring channels with microphone transducers is greatly simplified. Calibration can be carried out using a highly stable sound pressure source based on a compressed air transport line connected to the air annular air cavity between the pipeline and the insulation. In the proposed utility model, microphones are located in an annular air cavity. When a leak occurs in the annular air cavity of the insulation, a sound wave is formed, but not with a spherical front, as in the well-known technical solutions, but due to the numerous reflections of the wave from the walls, with a front of a very complex shape that is practically impossible to describe mathematically. However, due to the fact that the sound propagates in the annular air cavity and there are no significant losses due to the divergence of the spherical wave front, the wave loss to attenuation during propagation is less. Therefore, the proposed leak control system in comparison with known systems allows to increase the efficiency of leak monitoring and improve the quality of operation of the system, taking into account the design features of the thermal insulation of the object.

Таким образом, технический результат полезной модели заключается в улучшении эксплуатационных и технических характеристик.Thus, the technical result of the utility model is to improve operational and technical characteristics.

Указанный технический результат достигается тем, что система акустического контроля течи трубопроводов, покрытых цилиндрической блочной съемной тепловой изоляцией, установленной аксиально трубопроводу с образованием кольцевой воздушной полости между поверхностью трубопровода и внутренней поверхностью изоляции, содержащая электрически связанные по меньшей мере два микрофона и электронный блок обработки сигналов, согласно полезной модели, включает в себя по меньшей мере две цилиндрические втулки, каждая из которых снабжена фиксирующим фланцем, закрепленным на верхнем торце втулки. При этом втулки установлены вдоль центральной оси трубопровода на толщину изоляции, а центральная ось каждой втулки расположена радиально относительно центральной оси трубопровода. Корпус каждого микрофона выполнен цилиндрическим и снабжен цилиндрическим упорным фланцем, жестко закрепленным соосно на цилиндрической поверхности корпуса микрофона. Каждый микрофон установлен в соответствующей втулке и соединен с ней по привалочным плоскостям соответствующих фланцев.The specified technical result is achieved by the fact that the acoustic control system for leakage of pipelines covered with a cylindrical block removable thermal insulation mounted axially to the pipeline with the formation of an annular air cavity between the pipe surface and the inner insulation surface, containing at least two microphones and an electronic signal processing unit, electrically connected, according to a utility model, includes at least two cylindrical bushings, each of which is provided with a fixative flange mounted on the upper end of the sleeve. In this case, the bushings are installed along the central axis of the pipeline to the thickness of the insulation, and the central axis of each sleeve is radially relative to the central axis of the pipeline. The body of each microphone is cylindrical and equipped with a cylindrical thrust flange rigidly fixed coaxially to the cylindrical surface of the microphone body. Each microphone is installed in the corresponding sleeve and connected to it along the mating planes of the respective flanges.

Кроме того, в качестве чувствительного элемента микрофона может быть использована пьезокерамика.In addition, piezoelectric ceramics can be used as a microphone sensitive element.

Предусмотрено, что электронный блок обработки сигналов может состоять по меньшей мере из двух многофункциональных нормирующих усилителей, шины последовательного интерфейса и вычислительного комплекса, вход каждого нормирующего усилителя соединен с соответствующим микрофоном, а выход каждого нормирующего усилителя подключен к шине последовательного интерфейса, которая присоединена к входу вычислительного комплекса.It is envisaged that the electronic signal processing unit may consist of at least two multifunctional normalizing amplifiers, a serial interface bus and a computer complex, the input of each normalizing amplifier is connected to a corresponding microphone, and the output of each normalizing amplifier is connected to a serial interface bus, which is connected to the input of the computing complex.

Краткое описание фигур чертежейBrief Description of the Drawings

На чертеже приведено размещение микрофонов (акустических датчиков) системы на участке трубопровода, покрытого блочной съемной тепловой изоляцией.The drawing shows the placement of microphones (acoustic sensors) of the system in the pipeline, covered with a removable block of thermal insulation.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Система акустического контроля течи трубопроводов АЭС, покрытых цилиндрической блочной съемной тепловой изоляцией (1), установленной аксиально трубопроводу (2) с образованием кольцевой воздушной полости (3) между поверхностью трубопровода и внутренней поверхностью изоляции, содержит электрически связанные по меньшей мере два микрофона (4) и электронный блок обработки сигналов (5). В качестве акустических датчиков могут быть использованы высокотемпературные микрофоны, например, микрофон типа МПВ-03, разработчик НКТБ «Пьезоприбор», г.Ростов-на-Дону. Система включает в себя также по меньшей мере две цилиндрические втулки (6), каждая из которых снабжена фиксирующим фланцем (7), закрепленным на верхнем торце каждой втулки. Втулки установлены вдоль центральной оси трубопровода (2) в соответствующие вырезы в изоляции на толщину изоляции. Центральная ось каждой втулки (6) расположена радиально относительно центральной оси трубопровода. Корпус каждого из микрофонов выполнен цилиндрическим (в форме круглого цилиндра) и снабжен цилиндрическим упорным фланцем (8), жестко закрепленным соосно на цилиндрической поверхности корпуса микрофона. Каждый микрофон (4) установлен в соответствующей втулке (6) и соединен с ней по привалочным плоскостям соответствующих фланцев (7, 8). При этом минимальный шаг расстановки микрофонов вдоль трубопровода может быть от 10 м и выше. В качестве чувствительного элемента микрофона может быть использована пьезокерамика. Пьезокерамика позволяющая выдержать высокую температурную нагрузку, характерную при эксплуатации АЭС, и работать в сравнительно узкой полосе частот, включающей резонансную частоту датчика. Предусмотрено, что электронный блок обработки сигналов (5) может состоять по меньшей мере из двух многофункциональных нормирующих усилителей (9), шины последовательного интерфейса (10) и вычислительного комплекса (11), вход каждого нормирующего усилителя (9) соединен с соответствующим микрофоном (4), а выход каждого нормирующего усилителя (9) подключен к шине последовательного интерфейса RS-485 (10), которая присоединена к входу вычислительного комплекса (11).The acoustic control system for leakage in pipelines of nuclear power plants coated with removable cylindrical thermal insulation (1) mounted axially to the pipeline (2) to form an annular air cavity (3) between the pipeline surface and the inner insulation surface, contains at least two microphones (4) electrically connected and an electronic signal processing unit (5). As acoustic sensors, high-temperature microphones can be used, for example, a microphone of the MPV-03 type, developed by the NKTB Piezopribor, Rostov-on-Don. The system also includes at least two cylindrical bushings (6), each of which is equipped with a fixing flange (7), mounted on the upper end of each sleeve. The bushings are installed along the central axis of the pipeline (2) in the corresponding cuts in the insulation to the thickness of the insulation. The central axis of each sleeve (6) is located radially relative to the central axis of the pipeline. The case of each of the microphones is cylindrical (in the form of a round cylinder) and is equipped with a cylindrical thrust flange (8), rigidly fixed coaxially to the cylindrical surface of the microphone body. Each microphone (4) is installed in the corresponding sleeve (6) and connected to it along the mating planes of the respective flanges (7, 8). At the same time, the minimum step for arranging microphones along the pipeline can be from 10 m and above. Piezoceramics can be used as a microphone sensitive element. Piezoceramics can withstand the high temperature load characteristic of the operation of nuclear power plants, and operate in a relatively narrow frequency band, including the resonant frequency of the sensor. It is provided that the electronic signal processing unit (5) can consist of at least two multifunctional normalizing amplifiers (9), a serial interface bus (10) and a computer complex (11), the input of each normalizing amplifier (9) is connected to the corresponding microphone (4 ), and the output of each normalizing amplifier (9) is connected to the RS-485 serial interface bus (10), which is connected to the input of the computer complex (11).

Система акустического контроля течи трубопроводов работает следующим образом.The acoustic control system for leakage of pipelines is as follows.

Звуковые волны (12) от течи (13), например высокотемпературного теплоносителя (14) первого контура АЭС с реакторами ВВЭР, протекающего по трубопроводу (2), распространяются по кольцевой воздушной полости (3), расположенной между поверхностью трубопровода (2) и внутренней поверхностью изоляции (1) и, в зависимости от начальной величины сигнала и параметров затухания звука, достигают чувствительной части микрофонов (4). Микрофоны (4) преобразуют сигналы звукового давления в электрический сигнал. Далее в нормирующих усилителях (9) сигналы преобразуются в информацию двух типов. Эта информация по запросу вычислительного комплекса (11) передается по шине последовательного интерфейса (10) на вычислительный комплекс (11), где по алгоритмам двух видов осуществляется обработка данных и выдача конечной информации о течи (факт появления, значение расхода, местоположение) оператору. В зависимости от шумовой обстановки на трубопроводе (отношение сигнал течи/фоновый технологический шум) могут использоваться два алгоритма обработки данных электронным блоком обработки сигналов (5) - амплитудный и корреляционный, (для обеспечения которых используются нормирующие усилители многофункциональные, выдающие на ВК по его запросу по линии последовательного интерфейса либо сигнал пропорциональный логарифму среднеквадратического значения входного сигнала, либо пропорциональный среднеквадратическому значению низкочастотной огибающей входного сигнала в линейном масштабе.) а именно многофункциональные нормирующие усилители (9) выдают сигналы двух типов: либо сигнал пропорциональный логарифму среднеквадратического значения входного сигнала, либо сигнал пропорциональный среднеквадратическому значению низкочастотной огибающей входного сигнала в линейном масштабе. Этим типам сигналов и соответствуют два алгоритма контроля: амплитудный и корреляционный. Такое дублирование обработки данных о течи обусловлены тем, что на реальных объектах контроля отношение сигнал течи/фоновый технологический шум может быть ≥1 (случай а)) или ≤1 (случай б)). В случае а) контроль ведется амплитудным методом, в случае б) - корреляционным.Sound waves (12) from a leak (13), for example, a high-temperature coolant (14) of the primary circuit of nuclear power plants with WWER reactors flowing through pipeline (2), propagate through an annular air cavity (3) located between the surface of the pipeline (2) and the inner surface isolation (1) and, depending on the initial signal value and sound attenuation parameters, reach the sensitive part of the microphones (4). Microphones (4) convert sound pressure signals into an electrical signal. Then, in normalizing amplifiers (9), the signals are converted into two types of information. At the request of the computer complex (11), this information is transmitted via the serial interface bus (10) to the computer complex (11), where, according to two types of algorithms, data are processed and the final information about the leak (occurrence, flow rate, location) is provided to the operator. Depending on the noise situation on the pipeline (signal leakage / background technological noise), two algorithms for data processing by the electronic signal processing unit (5) can be used - amplitude and correlation, (for which normalizing amplifiers are used multifunction amplifiers that issue to the VC upon its request the serial interface line is either a signal proportional to the logarithm of the rms value of the input signal, or proportional to the rms value of the low-frequency . The envelope of the input signal in a linear scale) namely multifunctional normalizing amplifier (9) issue two types of signals: a signal proportional to the logarithm of the RMS value of the input signal, a signal proportional to the rms value of the low-frequency envelope of the input signal in a linear scale. Two types of control algorithms correspond to these types of signals: amplitude and correlation. Such duplication of leak data processing is due to the fact that at real objects of control the leak signal / background technological noise ratio can be ≥1 (case a)) or ≤1 (case b)). In case a) the control is carried out by the amplitude method, in case b) by the correlation method.

Поставленная задача достигается путем применения системы обнаружения течи на основе высокотемпературных микрофонных датчиков, что позволяет организовать контроль течей таким образом, что снижается потребное количество преобразователей и повышается эффективность контроля за счет лучшего отношения сигнал/шум в кольцевой воздушной полости (3), расположенной между поверхностью трубопровода и внутренней поверхностью изоляции.The task is achieved by using a leak detection system based on high-temperature microphone sensors, which allows you to organize leak monitoring in such a way that the required number of transducers is reduced and the monitoring efficiency is improved due to a better signal-to-noise ratio in the annular air cavity (3) located between the pipeline surface and the inner surface of the insulation.

Таким образом, предлагаемая система акустического контроля течи трубопроводов по сравнению с известными системами позволяет повысить эффективность контроля и повысить качество эксплуатации системы, за счет более простой конструкции установки датчиков на объект контроля.Thus, the proposed system of acoustic control of leakage of pipelines in comparison with known systems can improve the efficiency of control and improve the quality of operation of the system, due to the simpler design of the installation of sensors on the control object.

Claims

1. The acoustic control system for leakage of pipelines covered with a cylindrical block removable thermal insulation mounted axially to the pipeline with the formation of an annular air cavity between the pipe surface and the inner insulation surface, containing at least two microphones electrically connected and an electronic signal processing unit, characterized in that the system includes at least two cylindrical bushings, each of which is equipped with a fixing flange mounted on the upper end of the bushings ki, while the sleeves are installed along the central axis of the pipeline to the thickness of the insulation, and the central axis of each sleeve is located radially relative to the central axis of the pipeline, the body of each microphone is cylindrical and equipped with a cylindrical thrust flange rigidly fixed coaxially on the cylindrical surface of the microphone body, each microphone is installed in corresponding sleeve and connected to it along the mating planes of the respective flanges.

2. The system according to claim 1, characterized in that piezoelectric ceramics are used as a microphone sensitive element.

3. The system according to claim 1 or 2, characterized in that the electronic signal processing unit consists of at least two multifunctional normalizing amplifiers, a serial interface bus and a computer complex, the input of each normalizing amplifier is connected to a corresponding microphone, and the output of each normalizing amplifier is connected to the serial interface bus, which is connected to the input of the computer complex.