№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.039-78
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ТЕЧИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫМ МЕТОДОМ КОНТРОЛЯ
© 2014 г. МАТВЕЕВ Е.Л., КУЛАКОВ А.В.
ОАО "Инженерно-сервисный центр диагностики оборудования АЭС НИКИЭТ", г. Москва
E-mail: matveevel@nikiet.ru
Рассматривается задача обнаружения факта возникновения и определения местоположения течи теплоносителя путем анализа характеристик акустического сигнала, генерируемого при истечении. Данный метод может использоваться в автоматизированных системах контроля течи теплоносителя на атомных станциях для обеспечения безопасности при обнаружении на ранней стадии утечки теплоносителя. Решение оптимизационной задачи, получаемой в процессе определения местоположения течи, основано на применении алгоритма Левенберга—Марквардта, предназначенного для минимизации квадратичных отклонений. Одним из преимуществ описанного алгоритма обнаружения источника акустической эмиссии является то, что применение алгоритма возможно без известных значений коэффициентов ослабления амплитуды акустического сигнала на поверхности металла трубопровода. Значения коэффициентов ослабления амплитуды акустического сигнала на поверхности металла трубопровода определяются итерационным способом в процессе применения оптимизационной процедуры. Определены погрешности определения местоположения течи теплоносителя. Приведен пример, подтверждающий работоспособность алгоритма.
Ключевые слова: обнаружение течи теплоносителя, возникновение течи, алгоритм Левенберга—Марквардта.
LEAK DETECTION AND LOCALIZATION BASED ON ACOUSTIC-EMISSION METHOD OF CONTROL
Matveev E.L., Kulakov A.V.
Engineering-Service Center of NNP's Equipment Diagnostics NIKIET, Ltd (ECD NIKIET, Ltd), Moscow
E-mail: matveevel@nikiet.ru
In this article we propose a new leak detection and localization algorithm based on analysis of the characteristics of acoustic signal. This method can be used in automated systems of leak monitoring used by nuclear power plants for safety measures by detecting leakage on early stages. The solution of the optimization problem obtained in the process of determining the leak location is based on the Levenberg—Marquardt algorithm intended to minimize a quadratic deviations. One of the advantages of this leak localization algorithm is the fact that it can be used without known values of attenuation coefficients of the amplitude of the acoustic signal on the metal surface of the pipeline. Values of the attenuation coefficients of the amplitude of the acoustic signal on the metal surface of the pipeline are determined using the iterative method during the application of the optimization procedure. Variance of the location of the leak is defined. The effectiveness and operability of this method is illustrated with an example.
Key words: leak detection, leak localization, Levenberg—Marquardt algorithm.
м
к
(
^к - 1
Рис. 1
Введение
Одним из способов контроля герметичности трубопроводов является метод акустической эмиссии, основанный на регистрации пьезоэлектрическими первичными преобразователями (ПЭП), установленными на поверхности контролируемого трубопровода, акустического излучения, вызванного утечкой [1—3]. Метод акустико-эмисси-онного контроля основан на обнаружении, регистрации и анализе упругих колебаний, возникающих при развитии дефектов (зарождение и рост трещин и микротрещин и т.п.) и при возникновении течи (прохождении жидких и газообразных сред через сквозные дефекты), вследствие чего метод акустико-эмиссионного контроля может быть использован для обнаружения течи теплоносителя в трубопроводах атомных энергетических установок (АЭУ).
При возникновении течи акустические колебания распространяются от источника излучения к высокотемпературным первичным пьезоэлектрическим преобразователям, которые обеспечивают преобразование акустических колебаний на поверхности металла контролируемого оборудования в электрические колебания, которые затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
В настоящей работе представлен алгоритм обнаружения течи теплоносителя, основанный на анализе акустического сигнала, регистрируемого пьезоэлектрическими первичными преобразователями, находящимися на поверхности трубопровода, позволяющий определить факт возникновения и местоположение течи теплоносителя. Алгоритм основан на использовании алгоритма Левенберга—Марквардта, являющегося одним из распространенных алгоритмов для минимизации квадратичных отклонений. Его преимуществами, по сравнению с методами Гаусса—Ньютона и другими методами сопряженных градиентов, являются большая скорость счета и обеспечение сходимости.
к+
Описание алгоритма
Предположим, что на поверхности контролируемого трубопровода расположены М первичных преобразователей. Пронумеруем все первичные преобразователи вдоль оси трубопровода в порядке возрастания. На рис. 1 схематично изображен участок контролируемого трубопровода с расположенными на нем первичными преобразователями.
Через Ьк обозначено расстояние между первичными преобразователями с номерами к и к + 1 соответственно.
Большинство существующих методов обнаружения местоположения течи теплоносителя [2—7] основаны на вычислении времени задержки между фиксациями акустического сигнала различными первичными преобразователями, которое, в большинстве случаев, определяется вычислением максимального значения корреляционной функции в определенном диапазоне частот.
Так как корреляция является мерой линейной зависимости между случайными величинами [8] и не учитывает возможные нелинейные эффекты, вычисление корреляционной функции как индикатора взаимосвязи между показаниями первичных преобразователей не всегда дает правильные результаты. Возможна ситуация, когда между физическими величинами существует явная функциональная зависимость, а корреляция между ними равна нулю [9] .
В основе предлагаемого алгоритма определения местоположения течи лежит предположение об экспоненциальном характере ослабления амплитуды сигнала по длине трубопровода. Данное предположение является приблизительным (не учитываются многие физические процессы, такие как: неоднородность прокачиваемой жидкости, наличие механических примесей, турбулентные пульсации скорости потока теплоносителя и др.). Но указанные факторы, влияющие на затухание акустических колебаний, не объясняют более сильную, чем экспоненциальную, зависимость ослабления амплитуды волны [10], которое не связано с поглощением энергии, а обусловлено переходом части энергии исходной волны в волны удвоенной, утроенной и т.д. гармоник и зависит от амплитуды и групповой скорости исходной волны [4].
Помимо предположения об экспоненциальном характере ослабления амплитуды сигнала по длине трубопровода предполагается, что может возникнуть только один источник течи теплоносителя.
Введем обозначения: Д? — интервал времени между двумя последовательными получениями данных от первичных преобразователей; ЖД? — длина временного ряда, используемого для определения фонового значения амплитуды акустического сигнала; хк(?) — значение амплитуды напряжения акустического сигнала на поверхности металла трубопровода в момент времени ?, полученное с первичного преобразователя с номером к = 1,..М; ак — коэффициент ослабления амплитуды напряжения акустического сигнала на поверхности металла трубопровода, между первичными преобразователями и номерами к и к + 1; ? — время с начала работы алгоритма.
Первоначально предполагается, что в течении ЖД? времени после начала расчета алгоритма течи в контролируемом трубопроводе нет.
Алгоритм определения местоположения течи состоит в следующем:
1. В силу допущения, что после первых N шагов после запуска алгоритма течи в трубопроводе нет, положим ? = ЖД?.
2. Рассчитываются фоновые значения амплитуды напряжения акустического сигнала для каждого первичного преобразователя к = 1...М следующим образом [9]:
Ак = 0,1414 (х( [0,0688ИДг]) + х( [ 0,9332ИДг])) + 0,3586 (х( [0,2912ИДг]) + х( [0,7088ЖД^]}^) +
+ 0,5361((х( [0,961ШДф - Х( [0,0389ИДг])) + 0,7059(х( [0,7840ИДг]) - Х( [0,2160ЖД/])^) ,
где х() — }-е по величине значение выборочного ряда
к к к х (Аг) <Хк(2Аг) <...<х (ИАг),
отсортированного по возрастанию, и [...] обозначает целую часть числа.
Данная оценка фонового значения, согласно [9], является оптимальной комплексной оценкой, использующей общий набор порядковых статистик, и ее эффективность составляет 0,9 по сравнению с оценкой максимального правдоподобия. Существенным преимуществом данной оценки является ее устойчивость к отклонениям от нормальности распределения и засоренности выборки выбросами. 3. Положим ? = ? + Д?.
4. Обозначим через R(t) множество первичных преобразователей, для которых текущее значение амплитуды напряжения акустического сигнала превосходит фоновое значение, т.е.
R(t) = {k = 1...Mxk(t)> Ак].
5. Считается, что произошла течь теплоносителя, если выполняется соотношение
# R(t) > 2,
где через #R(t) обозначено количество элементов во множестве R(t).
Если #R(t) < 2, то переходим к шагу 3.
На рис. 2 показана схема участка трубопровода, с расположенными на нем первичными преобразователями, в случае возникновения течи. Пусть, для определенности, течь возникла между первичными преобразователями с номерами к* и к* + 1. Через Z обозначено расстояние от первичного преобразователя с номером к* до источника течи.
6. Для всех первичных преобразователей, входящих во множество R(t), определяются функции невязки амплитуды напряжения акустического сигнала.
yk( t) = xk( t) - Ak.
7. Определяется первичный преобразователь, у которого превышение над фоновым значением максимально, т.е. определяется номер первичного преобразователя к* из условия
к* = argmaxyk(t).
8. Сравниваются превышения значения амплитуды напряжения акустического сигнала над фоновым значением для первичных преобразователей, находящихся вдоль оси трубопровода по разные стороны от первичного преобразователя, определенного в пункте 7. Другими словами, сравниваются значения y^+^t) и ук*-1({). Предполож
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.