蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流數(shù)據(jù)分析算法的研究與實(shí)現(xiàn)

，，

(1.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)公司,上海 200233;2.山東核電有限公司, 海陽 265116)

蒸汽發(fā)生器(SG)傳熱管為數(shù)眾多，是核電站一回路中重要的壓力邊界[1]，傳熱管的役前和在役檢查必須通過渦流檢測(cè)的方法來實(shí)現(xiàn)[2-3]。在常規(guī)渦流檢測(cè)過程中，主要通過測(cè)量渦流傳感器輸出信號(hào)的變化來得到被檢對(duì)象的特性，而被檢對(duì)象中影響渦流傳感器輸出信號(hào)的因素很多，諸如磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、外形尺寸和缺陷等，各種因素的影響程度不同，并且常規(guī)渦流檢測(cè)時(shí)采用單一頻率工作，獲取的信息量有限，難以滿足實(shí)際檢測(cè)過程中的更高需求，所以需要采取多種頻率的檢測(cè)方法。蒸汽發(fā)生器傳熱管外側(cè)由較多的導(dǎo)電支撐板及防振條結(jié)構(gòu)組成，這些導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)也會(huì)在檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的渦流信號(hào)，如果這些位置的傳熱管上存在缺陷，那么也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷信號(hào)，而且這兩個(gè)信號(hào)會(huì)形成一個(gè)復(fù)合的渦流信號(hào)。這個(gè)復(fù)合的渦流信號(hào)已失去了缺陷信號(hào)的特征，會(huì)給缺陷信號(hào)的結(jié)果分析帶來不允許的誤差，所以為了消除這些結(jié)構(gòu)性干擾信號(hào)，必須采取多頻渦流的混頻技術(shù)?，F(xiàn)今，混頻檢測(cè)中均采用軟件來進(jìn)行渦流數(shù)據(jù)分析。

由于國外進(jìn)口軟件授權(quán)費(fèi)用高昂且有多種不便，所以筆者研究了渦流數(shù)據(jù)分析的相關(guān)技術(shù)和算法，并開發(fā)了一套自主渦流數(shù)據(jù)分析軟件，經(jīng)大量數(shù)據(jù)試驗(yàn)和山東海陽核電現(xiàn)場大修檢測(cè)使用表明，該軟件在缺陷的定量和定位等方面已經(jīng)達(dá)到國外同類分析軟件水平。

1 基礎(chǔ)研究工作

1.1 數(shù)據(jù)來源

對(duì)于SG傳熱管檢測(cè)，業(yè)內(nèi)多采用美國Zetec公司的渦流數(shù)據(jù)采集儀(如MIZ 80iD)。該公司產(chǎn)品可以同時(shí)向渦流探頭施加多個(gè)不同頻率的激勵(lì)信號(hào)；也可以利用高速電子開關(guān)切換技術(shù)依次對(duì)渦流探頭施加多個(gè)不同頻率的激勵(lì)信號(hào)，電子開關(guān)切換得很快，多種頻率切換一遍所需時(shí)間很短，所以可認(rèn)為頻率切換時(shí)是對(duì)傳熱管同一位置進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集，這就為數(shù)據(jù)分析提供了方便。文中的數(shù)據(jù)來自Zetec公司的渦流數(shù)據(jù)采集儀或此公司授權(quán)使用的渦流數(shù)據(jù)。

渦流探頭的一個(gè)線圈對(duì)應(yīng)一個(gè)物理通道，如果選用多個(gè)頻率，則擴(kuò)展出多個(gè)虛擬通道。Bobbin探頭有兩個(gè)線圈，則有兩個(gè)物理通道(差分通道和絕對(duì)通道)，如果頻率數(shù)為N，則Bobbin探頭共有2N個(gè)數(shù)據(jù)通道。由數(shù)據(jù)采集儀直接獲取的稱為原始數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的通道稱為原始通道，經(jīng)過混頻或?yàn)V噪處理過的通道稱為處理通道。渦流數(shù)據(jù)采集儀對(duì)每個(gè)通道的渦流信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，每次數(shù)據(jù)采集時(shí)可同時(shí)獲得水平分量和垂直分量，每個(gè)分量通常占用兩個(gè)字節(jié)，這兩個(gè)分量組成的矢量對(duì)應(yīng)阻抗圖(即李莎育圖) 上的一點(diǎn)。

由以上可知，最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)類為原始數(shù)據(jù)點(diǎn)類CPoint，其中包含兩個(gè)分量(水平分量和垂直分量)；類CPoint的集合組成一個(gè)通道類CChannel。通道類的集合構(gòu)成對(duì)SG傳熱管的一次數(shù)據(jù)采集，對(duì)應(yīng)類為CTube。CTube的集合即一個(gè)標(biāo)定組內(nèi)對(duì)多根傳熱管的數(shù)據(jù)采集，對(duì)應(yīng)類CCalGroup。除了原始數(shù)據(jù)點(diǎn)類，其他幾個(gè)數(shù)據(jù)類都需要派生于集合類，這樣利于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索。下面約定單通道數(shù)據(jù)點(diǎn)表示為Pi:(Xi,Yi);多通道數(shù)據(jù)點(diǎn)表示為Pi,c:(Xi,c,Yi,c)。其中c為通道序號(hào)，i為此數(shù)據(jù)點(diǎn)在c通道中的序號(hào)，X和Y為當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平和垂直分量。

1.2 信號(hào)測(cè)量

信號(hào)測(cè)量是渦流定量分析中的重要功能。SG傳熱管渦流檢測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)常用三種測(cè)量方法：峰峰值測(cè)量(Vpp)，最大變化率測(cè)量(Vmr)，最大垂直分量(Vvm)。

(2) 最大變化率測(cè)量：主要利用此方法進(jìn)行相位測(cè)量。在某通道中選定N個(gè)連續(xù)排列的數(shù)據(jù)點(diǎn)后先進(jìn)行峰峰值測(cè)量，獲取選定數(shù)據(jù)段在對(duì)應(yīng)李莎育圖上的相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)Pm和Pn，在此兩點(diǎn)之間依次選中兩點(diǎn)Pi和Pj，此兩點(diǎn)組成一條長為L的線段，依次找出Pi和Pj之間所有點(diǎn)中距離此線段最遠(yuǎn)的點(diǎn)Pk，設(shè)此距離為H，計(jì)算出H和L的比值。選中不同的Pi和Pj會(huì)得到不同的Pk點(diǎn)，這樣得到諸多的Pk點(diǎn)組成一個(gè)數(shù)組，求出其中最小的比值，由該值對(duì)應(yīng)的Pi和Pj可求出相位信息。整個(gè)過程的核心可用式min(H/L)表示。

(3) 最大垂直分量：在某通道中選定N個(gè)連續(xù)排列的數(shù)據(jù)點(diǎn)，依次比較每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的垂直分量，獲取最大和最小值，二者之差即為最大垂直分量，用式max(|Yi-Yj|)表示。

1.3 標(biāo)定曲線制作

渦流數(shù)據(jù)分析的目的就是查找缺陷，蒸汽發(fā)生器傳熱管檢查需要對(duì)缺陷進(jìn)行深度定量，這需要用到專用的樣管(見圖1)。目前深度的定量主要使用相位-深度法和幅值-深度法。

圖1 傳熱管渦流檢測(cè)ASME樣管的尺寸示意

(1) 相位-深度法

根據(jù)ASME規(guī)范對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，渦流信號(hào)便具有了一定的幅值和相位規(guī)律。在實(shí)際檢測(cè)過程中，最常用的數(shù)據(jù)分析方法是相位判傷法，即根據(jù)標(biāo)定管的標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷深度與相位關(guān)系制作出一條相位-深度判傷曲線。曲線的橫軸為缺陷的相位值，縱軸為缺陷深度(以壁厚百分比表示)，管內(nèi)壁的曲線使用一次直線擬合，管外壁使用二次曲線擬合，從而得到相位-深度曲線，結(jié)果如圖2所示[4]。對(duì)檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的顯示，使用該曲線進(jìn)行對(duì)比從而得出曲線深度的估計(jì)值，即所謂“不連續(xù)性的估計(jì)深度與信號(hào)的相互關(guān)系”。

圖2 標(biāo)定管的相位-深度曲線

(2) 幅值-深度法

對(duì)于形狀比較有規(guī)律的缺陷，或探頭尺寸相對(duì)于缺陷比較小時(shí)可以使用幅值-深度法。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，首先需要制作一根與實(shí)際缺陷形狀一致，但深度不同的標(biāo)定管，將人工缺陷信號(hào)按照一定的規(guī)則調(diào)到一定角度，如噪聲水平。然后，測(cè)量不同深度的人工缺陷的幅值，以幅值為橫軸，缺陷深度(傷深)為縱軸，通過二次曲線擬合得到相關(guān)曲線，結(jié)果如圖3所示。對(duì)檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的同類顯示，使用該曲線進(jìn)行對(duì)比從而得出缺陷深度的估計(jì)值。

圖3 標(biāo)定管的幅值-深度曲線

1.4 幅值定義

從數(shù)據(jù)采集儀獲取的原始渦流數(shù)據(jù)都是整數(shù)，雖然與實(shí)際渦流信號(hào)成正比，但是對(duì)于分析人員來說并不直觀，需要轉(zhuǎn)化成用電壓表達(dá)的數(shù)值。通常將樣管上某一人工缺陷信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)值定義成相對(duì)參考值(如常用的8 V)，這樣就得到一個(gè)系數(shù)，將其它原始渦流數(shù)據(jù)乘以此系數(shù)即可。

2 定位功能

發(fā)現(xiàn)缺陷后需要對(duì)其進(jìn)行定位，如圖4所示，SG傳熱管有多個(gè)支撐 (即Landmark位標(biāo))，如管板Tube sheet，支撐板TSP和防振條AVB(圖中AV1,AV2分別表示AVB與傳熱管的第1個(gè)接觸處，第2個(gè)接觸處)，熱端U型傳熱管管口末端TEH，熱端U型傳熱管脹管處TSH(對(duì)應(yīng)U型傳熱管冷端的管口末端和脹管處TEC、TSC)，通常用這些位標(biāo)來描述缺陷的相對(duì)位置。

圖4 SG傳熱管位標(biāo)分布示意

2.1 位標(biāo)的特點(diǎn)

位標(biāo)是蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)的一部分，所以位標(biāo)之間的間距是固定和已知的，如果采樣率和探頭移動(dòng)速度恒定，則單位距離內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)也是恒定的，數(shù)據(jù)分析時(shí)就可以由當(dāng)前的一個(gè)位標(biāo)所在的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)求出前后位標(biāo)所在的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。在低頻通道的位標(biāo)信號(hào)幅值通常遠(yuǎn)大于缺陷信號(hào)幅值，并且相位值比較穩(wěn)定，所以使用閾值法可以很方便地對(duì)位標(biāo)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和定位。

2.2 缺陷定位

通常缺陷定位有兩種方式：數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)和相對(duì)距離，由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在定位偏差和每次數(shù)據(jù)采集起始點(diǎn)可能不同，則對(duì)同一缺陷，每一次數(shù)據(jù)采集時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)很可能不同，這樣既不直觀也無法進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)比較，故通常將數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化成距附近某個(gè)位標(biāo)的相對(duì)距離(以mm為單位表示)。如圖5所示，缺陷可以表示為01H+X，即此缺陷距TSP 01H的長度為Xmm(X為正值)。如果缺陷被02H支撐板所覆蓋，則采用02H-X的形式(X為缺陷到02H的距離，正值)。

圖5 位標(biāo)定位示意

對(duì)一個(gè)SG傳熱管進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)，如果需要對(duì)缺陷定位，則先求出當(dāng)前數(shù)據(jù)中每個(gè)位標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，然后根據(jù)當(dāng)前缺陷所在的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)查出其前后最近的位標(biāo)。由于每個(gè)位標(biāo)的幾何位置(尺寸)是固定和已知的，故由數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)插值可以反求出缺陷相對(duì)位標(biāo)的距離。

前面所述的缺陷定位是基于位標(biāo)幾何信息全部已知和有規(guī)律且存在位標(biāo)的情況，如果此條件不滿足則可以考慮采用編碼器定位的方法。

3 混頻算法

3.1 基本思路

圖6 用頻率F1和F2激勵(lì)分別得到的圖形

下面通過阻抗圖來說明多頻渦流混頻的基本思路[5-6]。用F1=80 kHz和F2=48 kHz的頻率同時(shí)激勵(lì)檢測(cè)探頭線圈，得到兩幅頻率分別為F1，F(xiàn)2的阻抗圖形(見圖6)，可以看出兩者之間的支撐板圖形有3個(gè)不同點(diǎn)：① 幅度不同；② 形狀不同；③ 相互之間呈現(xiàn)不同的取向。保持F1的參數(shù)不變，將F2圖形經(jīng)過因子變換，即改變圖形的水平和垂直比率，以及進(jìn)行圖形旋轉(zhuǎn)等處理，將F2圖形上的支撐板軌跡調(diào)節(jié)成與F1圖形上的支撐板軌跡一致，如圖7所示，將兩圖形矢量相減即可消除支撐板信號(hào)。由于F1圖形和處理后的圖形F2缺陷相位、幅度均不相等，因此矢量相減后，缺陷信號(hào)仍可以保留。設(shè)C1、C2分別為在頻率F1和F2下得到的測(cè)試結(jié)果，A1(S)、A2(S)分別為缺陷在F1和F2下的反應(yīng)，B1(N)、B2(N)分別為某一干擾源在F1和F2下的反應(yīng)，則：

(1)

可以看出在某一頻率下的綜合測(cè)試結(jié)果為缺陷和干擾源對(duì)探頭阻抗影響的矢量和。若令δ為調(diào)節(jié)因子，并使δB1(N)=B2(N),則有δC1=δA1(S) +δB1(N)，由式(1)得：

δC1-C2=δA1(S)-A2(S)

(2)

此時(shí)的測(cè)試結(jié)果只與缺陷有關(guān)，是缺陷的單值函數(shù)，這就抑制了傳熱管支撐板的干擾。所以混頻問題轉(zhuǎn)化為如何求得調(diào)節(jié)因子δ，而線性代數(shù)法和相位旋轉(zhuǎn)相減法是常用的兩種運(yùn)算方法[6]，文章采用的是相位旋轉(zhuǎn)相減法。

圖7 F2調(diào)整后的圖形

3.2 相位旋轉(zhuǎn)相減法

在多頻渦流檢測(cè)過程中，確定主檢測(cè)頻率后，還需要選定一個(gè)優(yōu)化的輔助頻率，輔助頻率對(duì)干擾信號(hào)的敏感程度大于主檢測(cè)頻率的[7]。例如在SG傳熱管檢測(cè)過程中，低頻激勵(lì)信號(hào)對(duì)外部支撐干擾敏感，而高頻激勵(lì)信號(hào)對(duì)探頭晃動(dòng)敏感。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的抑制，必須對(duì)輔助頻率的阻抗圖進(jìn)行位移、旋轉(zhuǎn)和尺度變換，使其干擾信號(hào)的阻抗圖類似于主檢測(cè)頻率中干擾信號(hào)的阻抗圖，變換之后的輔助頻率阻抗圖和主檢測(cè)頻率阻抗圖進(jìn)行相減可抑制干擾信號(hào)。所以相位旋轉(zhuǎn)相減法就是在標(biāo)定過程中將輔頻輸入信號(hào)進(jìn)行形變，使其幅值、相位和位置盡量接近主頻信號(hào)，獲取并保存此時(shí)的形變參數(shù)，在數(shù)據(jù)分析時(shí)從主頻信號(hào)中剔除形變后的輔頻信號(hào)，從而獲得缺陷信號(hào)，雖然此時(shí)的缺陷信號(hào)有略微的改變，但不影響對(duì)缺陷的判斷。算法實(shí)施過程如下所述。

假設(shè)輔助頻率檢測(cè)數(shù)據(jù)的兩個(gè)分量為xa和ya，首先，通過尺度變換參數(shù)Sx，Sy進(jìn)行尺度變換，使兩個(gè)頻率分量中干擾信號(hào)的幅值相同；其次，進(jìn)行θ角度的旋轉(zhuǎn)變換，使兩個(gè)頻率分量中干擾信號(hào)的方向(即相位)一致；再進(jìn)行Tx和Ty(Tx,Ty為位移變換系數(shù))大小的位移變換，使兩個(gè)頻率分量處在阻抗圖上同一位置；最后，用主檢測(cè)頻率的數(shù)據(jù)減去輔助頻率變換之后的數(shù)據(jù)，即可得到抑制干擾后的信號(hào)，如式(3)所示。

(3)

式中:xp為主頻阻抗的水平分量;yp為主頻阻抗的垂直分量;xa為輔頻阻抗的水平分量;ya為輔頻阻抗的垂直分量;xr為變換后阻抗的水平分量;yr為變換后阻抗的垂直分量;θ為旋轉(zhuǎn)變換系數(shù)。

式(3)中用到的變換系數(shù)通過最小二乘法確定，定義主檢測(cè)頻率信號(hào)矢量為Cp，輔助檢測(cè)頻率信號(hào)矢量為Ca，變換函數(shù)為A，則變換輸出a可以表示為式(4)。

a=Ca·A(Sx,Sy,Tx,Ty,θ)

(4)

誤差函數(shù)E1s定義如式(5)所示。

E1s=‖a-Cp‖2=‖CaA-Cp‖2

(5)

式中:‖·‖2為歐里幾德范數(shù)。

變換系數(shù)可以通過使誤差函數(shù)值最小來得到，可通過求解式(6)確定。

(6)

該算法的整個(gè)實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示。

圖8 混頻算法的實(shí)現(xiàn)流程

4 分析比較

比較的所用數(shù)據(jù)是來自美國Zetec公司的渦流數(shù)據(jù)分析ⅡA培訓(xùn)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，具有代表性和權(quán)威性，足以驗(yàn)證軟件的分析性能。文章分別進(jìn)行混頻后缺陷的定量和定性比較。

4.1 定性比較

圖9中混頻后的信號(hào)分別由自主軟件EC-UniWay 2.2和美國Zetec公司的軟件Eddynet 1.6.3.4分析得到，可以看到信號(hào)的特征趨勢(shì)走向相似。其中每個(gè)對(duì)比組的左邊圖形是自主軟件的分析結(jié)果，右邊是Zetec軟件的分析結(jié)果。

4.2 定量比較

定量分析包含幅值、相位、傷深和位置等，由于測(cè)量方法和關(guān)注對(duì)象不同，可以比較其中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)。表1中參與比較的渦流數(shù)據(jù)與定性分析中的渦流數(shù)據(jù)相同，分別為幅值(V)、相位(°)、傷深(%)，可以看出自主軟件的分析結(jié)果和Zetec公司的軟件分析結(jié)果相同或相似。經(jīng)渦流專家鑒定，表1中的偏差均在許可的范圍內(nèi)，這表明研究的相關(guān)內(nèi)容和算法的實(shí)現(xiàn)是成功的。

5 結(jié)論

文章進(jìn)行了渦流數(shù)據(jù)分析相關(guān)算法的研究并開發(fā)了一套渦流數(shù)據(jù)分析軟件，通過對(duì)原始采集數(shù)據(jù)格式的分析、信號(hào)測(cè)量方法、Landmark位標(biāo)的識(shí)別和標(biāo)定曲線的處理以及混頻算法的研究，掌握了渦流數(shù)據(jù)分析要求的核心算法和處理方法。

經(jīng)大量試驗(yàn)和現(xiàn)場大修檢測(cè)使用表明，該軟件對(duì)傳熱管實(shí)際缺陷的定位、定量、定性等功能及性能均已達(dá)到了國外同類軟件的技術(shù)水平，同時(shí)也證明了對(duì)格式轉(zhuǎn)化、3種測(cè)量算法的應(yīng)用、Landmark定位方法的處理、標(biāo)定曲線的制作以及相位旋轉(zhuǎn)相減混頻算法的研究等的結(jié)果是可信有效的，完全可以擺脫對(duì)國外公司的技術(shù)依賴。通過該成果的開發(fā)應(yīng)用，可以對(duì)核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，及時(shí)掌握并消除存在的安全隱患，確保蒸汽發(fā)生器的狀態(tài)滿足運(yùn)行要求，從而有效減少機(jī)組故障的停機(jī)次數(shù)和核事故的發(fā)生機(jī)率?？紤]到相關(guān)自動(dòng)分析功能的必要性，未來研究工作和軟件的更新仍有進(jìn)一步提升的空間。

圖9 混頻信號(hào)定性分析對(duì)比

序號(hào)標(biāo)定組文件名EC-UniWay軟件Eddynet軟件11999 999-0025V,60%5V,60%27002 046-0151.08V, 91°, 61%1.08V, 92°, 62%37002 068-0371.38V, 120°, 34%1.40V, 120°, 36%44001 182-0082.60V, 77°, 69%2.59V, 76°, 70%510004 005-0051.36V, 117°,34%1.39V, 108°, 35%66002 005-0055.46V, 114°, 44%5.43V, 114°, 44%76002 002-0027.23V, 113°, 45%7.19V, 114°, 44%81001 001-30.71V, 23%0.71V, 23%95001 195-00811.63V, 103°, 56%11.30V, 105°, 58%101999 999-0023.52V, 134°3.52V, 133°115001 196-0093.4V, 150°, 9%3.37V, 152°, 8%127002 046-0153.39V, 89°, 49%3.40V, 89°, 48%134001 179-00563.31V, 4°, 14%63.41V, 3°, 11%