автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Повышение надежности анализа данных вихретокового контроля теплообменных труб парогенераторов АЭС

На правах рукописи

Жданов Андрей Геннадьевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ АНАЛИЗА ДАННЫХ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005547 гя*

1 7 АПР 20М

Москва-2014

005547264

Работа выполнена на кафедре Электротехники и Интроскопии Московского энергетического института (Технического Университета)

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, доцент Лунин Валерий Павлович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Фирстов В.Г.

Кандидат технических наук Бакунов A.C.

Ведущая организация:

ЗАО НПЦ «Молния»

Защита состоится 28 мая 2014г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 при ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр» по адресу : 119048, г.Москва, ул.Усачева 35, строение 1.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр». Автореферат разослан апреля 2014г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета Д 520.010.01 Доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Безопасность эксплуатации атомной электростанции во многом определяется безаварийной работой парогенератора. На российских АЭС с реакторами типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 установлены парогенераторы (ПГ) горизонтального типа, представляющие собой цилиндрические сосуды диаметром более 3 и длиной 12-15 м. Теплоноситель поступает в парогенератор снизу через горячий коллектор и выходит из него через холодный коллектор. От горячего коллектора к холодному теплоноситель проходит через систему трубок (трубчатку). На ВВЭР-440 таких трубок в каждом ПГ более 5 тыс. На ВВЭР - 1000 число трубок в каждом ПГ увеличено до 11 тыс.

Парогенераторы в реакторах типа ВВЭР являются классическими теплообменными устройствами, в которых используется тепло от первичного (реакторного) хладагента, чтобы заставить пар во вторичном контуре вращать турбины генераторов. Типовая электростанция имеет от четырех до шести парогенераторов в реакторе (для ВВЭР-1000 и ВВЭР-440 соответственно). Тонкостенные трубы парогенератора фактически могут представлять собой угрозу радиоактивного заражения в случае сохранения высокого давления системы первичного контура. Чтобы действовать как эффективный барьер, эти трубки должны быть свободными от трещин, коррозий, утонений и напряженного состояния металла трубки. К сожалению, в последнее время участились случаи выхода из строя теплообменных труб парогенераторов из-за деградационных процессов в металле этих труб.

Частота и последствия отказов труб парогенератора могут быть значительно уменьшены путем осуществления соответствующих и своевременных операций неразрушающего контроля с заменой или глушением чрезмерно поврежденных трубок. Большинство парогенераторов обычно контролируется при их останове и охлаждении, когда их внутренние структуры становятся доступными для неразрушающего инспекционного оборудования, а также для ремонта обнаруженных дефектных труб. Тем не менее, основной проблемой является достоверность контроля. Не менее сложной задачей также является вынесение заключения о том, какие именно трубки из частично-поврежденных являются все еще пригодными, а какие требуется заменить или вывести из эксплуатации.

Наиболее эффективным методом оценки состояния теплообменных труб ПГ на данный момент является вихретоковый метод контроля (ВТК). ВТК позволяет выявить не только сквозные дефекты, но и дефекты различной глубины и размеров, что позволяет превентивно глушить трубы с дефектами, которые еще не пропускают теплоноситель из первого контура во второй, но могут развиться до сквозных. Многочастотный ВТК теплообменных труб (ТОТ) ПГ с использованием внутреннего проходного дифференциального преобразователя дает возможность проконтролировать трубы по всей длине, позволяет зафиксировать наличие дефекта, локализовать его и оценить глубину.

На российских АЭС многочастотный метод вихретокового контроля металла ТОТ ПГ применяется уже более 20 лет, но, несмотря на такой длительный срок,

4

остаются проблемы с достоверностью получаемых результатов ВТК, связанной с субъективностью соответствующих экспертных решений. Одной из причин является сложность анализа эксплуатационных вихретоковых сигналов, обусловленная наличием множества мешающих факторов (шум, сигналы от элементов конструкций, отложения).

В связи с этим актуальной является постановка задачи, связанная с разработкой и исследованием эффективных и объективных алгоритмов автоматического выявления дефектов теплообменных труб ПГ как на свободных участках, так и под конструктивными элементами. Помимо обнаружения весьма важной задачей является определение геометрических параметров дефектов для дальнейшего заключения о возможной эксплуатации этой ТОТ или глушения.

Объект исследования

Вихретоковые сигналы, полученные при контроле труб внутренним дифференциальным проходным преобразователем.

Предмет исследования

Методы и алгоритмы на основе алгоритмов фильтрации и аффинных преобразований сигналов для отстройки от мешающих факторов и обнаружения дефектов. Методы и алгоритмы классификации и параметризации сигналов от дефектов на основе аппарата искусственных нейронных сетей (ИНС).

Цель работы

Разработка алгоритмов автоматической обработки вихретоковых сигналов, получаемых при контроле теплообменных трубок парогенераторов. Повышение вероятности правильной регистрации дефектов при обработке сигналов, полученных при вихретоковом контроле. Разработка алгоритмов классификации и определения параметров дефектов с целью повышения достоверности результатов контроля с использованием как аппарата ИНС, так и стандартных калибровочных зависимостей.

Задачи, решаемые для достижения поставленных целей

• Решение прямой задачи вихретокового контроля для расчета сигнала на выходе вихретокового преобразователя;

• Формирование базы модельных сигналов от дефектов с различными геометрическими характеристиками;

• Формирование и анализ информативных признаков вихретокового сигнала от дефекта, используемых для классификации и параметризации;

• Разработка алгоритмов автоматического обнаружения и локализации дефектов по ВТК сигналам, используя алгоритм согласованной фильтрации;

• Решение обратной задачи электромагнитного контроля с целью определения геометрических параметров дефектов, используя аппарат ИНС;

• Экспериментальные исследования разработанных методов цифровой обработки вихретоковых сигналов и нейросетевого классификатора на данных, полученных при лабораторных исследованиях и штатных контролях парогенераторов.

Методы исследования.

В работе использованы методы цифровой обработки сигналов, теории распознавания образов, теории вероятностей и математической статистики, математический аппарат искусственных нейронных сетей.

При разработке и исследовании алгоритмов программ использовались следующие пакеты прикладных программ: Delphi, MathCAD, Maple, Matlab.

Научную новизну работы составляют следующие положения

• Разработка модели процедуры вихретокового контроля и получение сигнала вихретокового преобразователя при перемещении вдоль оси ТОТ. При этом проведены теоретические исследования влияния изменения геометрических параметров дефекта на сигнал ВТП, влияние наличия ферромагнитных и проводящих отложений на сигнал ВТП, влияние наличия элементов конструкций (дистанционирующих и антивибрационных решеток) на сигнал ВТП.

• Разработка методики автоматического обнаружения дефектов по сигналам вихретокового контроля. При этом, с помощью согласованного фильтра выделяются области сигнала, соответствующие дефектам, а с использованием статистических алгоритмов выделяются области сигнала, соответствующие конструктивным элементам.

• Разработка методики классификации и параметризации сигналов от дефектов, основанная на аппарате искусственных нейронных сетей. При этом производится классификация дефектов по расположению на трубке (внешние, внутренние, сквозные) и определяются геометрические параметры дефектов.

Практическая значимость.

Практическая ценность работы связана с разработкой алгоритмов, позволяющих в автоматическом режиме производить обработку вихретокового сигнала и выдавать заключение об обнаруженных дефектах и их геометрических параметрах. Разработанные в диссертации классификатор и параметризатор на основе искусственных нейронных сетей позволяют повысить эффективность и точность определения геометрических параметров дефектов.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы могут быть использованы для обработки сигналов, при многочастотном вихретоковом контроле.

Предложенные методики и алгоритмы обработки вихретоковых данных полностью реализованы в законченном программном обеспечении «PIRATE», позволяющем производить весь перечень операций по обработке данных и формированию заключения по обнаруженным дефектам.

Работа над диссертацией проводилась в рамках 4-х хоздоговорных НИОКР с Концерном РосЭнергоАтом, результатом которых явилась разработка программы «PIRATE» - нейросетевого классификатора дефектов ТОТ ПГ АЭС с реактороной установкой (РУ) ВВЭР. В настоящее время программа проходит этап опытно-промышленной эксплуатации на Кольской АЭС.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Способ отстройки от «размерного» шума на основе аффинного преобразования сигналов различных частот.

• Способ отстройки от сигналов конструктивных элементов на основе автоматической адаптации аппроксимирующей функции.

• Способ обнаружения дефектов на свободном участке и под дистанционирующими элементами ТОТ на основе применения согласованного фильтра.

• Алгоритм классификации дефектов по вихретоковым сигналам на основе ИНС.

• Алгоритм параметризации дефектов по вихретоковым сигналам на основе ИНС.

Достоверность

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается сопоставлением с публикациями в научных изданиях, а также проверкой с использованием экспериментальных данных, полученных на модельных и реалистичных образцах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе производится анализ современного состояния неразрушающего контроля труб парогенераторов АЭС. Описан принцип действия пароненератора и его роль в работе АЭС в целом (рис.1). Повреждения теплообменных труб парогенераторов от коррозионных воздействий воды второго контура являются одним из важнейших факторов, влияющих на ресурс парогенераторов блока. Повреждения имеют место главным образом между и под дистанционирующими решетками. Они обусловлены совместным действием механических напряжений, коррозионно-активных элементов и окислителя.

Поиск межконтурных неплотностей парогенераторов АЭС производится при планово-предупредительном ремонте. Предусмотрены следующие способы обнаружения дефектных труб:

• гидравлический с визуальным контролем протечек (ГВК);

• гидравлический с дистанционным контролем протечек (ГДК); гидравлический с люминесцентным индикаторным покрытием (ГЛИП);

• пневмогидравлический аквариумный способ контроля протечек (ПГА);

7

вихретоковый контроль (ВТК).

Рис. 1 Схема работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным энергетическим

реактором

а) Язва

6) Трещина

1

1- >

в) Питтинг г) Коррозия

Рис.2 Основные типы дефектов, развивающиеся на ТОТ В работе приведено сравнение и характеристики всех применяемых методов. Анализ эффективности вихретокового метода контроля с учетом результатов экспериментальных исследований показал, что:

• чувствительность используемой аппаратуры позволяет выделять дефекты глубиной примерно 20% от толщины стенки ТОТ; дефекты с глубиной более 40% от толщины стенки теплообменной трубы выявляются с высокой вероятностью, около 0,8;

выявляемость дефектов на наших ПГ достаточно хорошо сопоставима с литературными данными по выявляемое™ дефектов ВТ-методом контроля в США (для дефектов глубиной выше 75% толщины стенки, вероятность выявления около 0,9).

Также проведено сравнение существующих систем вихретококвого контроля (рис.3) и методов обработки сигналов, используемых в этих системах.

Вихретоковый дефектоскоп

□ ООО

Вихретоковый преобразователь е трубке парогенератора

Пример сигнала вихретокового преобразователя от теплообмен ной трубы

Персональный компьютер с программой обработки

Рис.3 Схема вихретокового комплекса контроля теплообменных труб ПГ АЭС

Все применяемые в настоящее время программы обработки сигналов вихретокового контроля способны работать только с сигналами одной конкретной установки и полагаются на оператора для обнаружения дефектов по сигналам вихретокового преобразователя. При этом оператор подвержен усталости и утомляемости, имеет ограниченную скорость обработки данных, способен принимать необъективные решения (пропустить дефект, который необходимо отметить, или зафиксировать дефект, который по параметрам не обязателен к выявлению). Для решения этой проблемы необходим автоматизированный программный комплекс, обладающий необходимой выявляемостью дефектов и позволяющий исключить человеческий фактор при анализе сигналов ВТП ТОТ ПГ АЭС. При этом оператор не исключается, а должен подключаться после процедуры автоматической обработки, чтобы внести возможные корректировки в результат автоматического анализа и выдать диагностическое заключение по конкретной трубке.

Во второй главе диссертации описано моделирование процедуры вихретокового контроля. Для моделирования был выбран самый современный на сегодняшний день численный метод моделирования - метод конечных элементов (МКЭ). Модели создаются для предсказания сигналов вихретокового преобразователя как от дефектов, так и от мешающих факторов. Применение моделирования позволяет спрогнозировать сигнал для большого количества

вариантов дефектов и мешающих факторов, которые создать для проведения эксперимента либо слишком долго и дорого, либо невозможно.

При решении задач вихретокового контроля электромагнитное поле описывается следующим уравнением:

+ 0) В решаемой задаче квазистационарного поля энергетический функционал для конечного элемента г представляется в виде:

^ = ;(/0ВЯсШ-/-л)с*1/ (2)

В трехмерных задачах в качестве конечных элементов первого порядка используются тетраэдры, при этом для описания поведения функции внутри тетраэдра используется линейное распределение векторного потенциала.

А(х, у, г) = + а2 ■ х + а3 ■ у + а4 ■ г (3)

При моделировании процедуры вихретокового контроля параметры преобразователя были выбраны равными параметрам реального вихретокового преобразователя, применяющегося при штатном контроле ТОТ парогенераторов АЭС. Наводимые ЭДС и напряжения в каждой катушке вычисляются по закону электромагнитной индукции:

и = = % = (4)

Проведены исследования поведения сигналов вихетокового контроля от наиболее типичных дефектов при изменении их геометрических параметров.

I -о- Гп)Сина.го% ' Гл>вина-40% а Гл>6ина=В0% -ж- Гл)Сина=80%[

Рис.4 Дифференциальные сигналы ВТП для внешней продольной трещины с различной глубиной на частоте 130кГц

| -»- Длина=3им -9-Длина=8нм а Дпина»16мм|

Рис.5 Дифференциальные сигналы ВТП для внешней продольной трещины с различной длиной на частоте 130кГц

1—3—г

гтт^

, г.,»..-««... г,к1..,..о%|

Рис.6 Дифферет^альные сигналы ВТП для внешней поперечной трещины с различной глубиной на частоте 130кГц

г:

V.....[...

Т~1!ГТ~

Рис. 7 Дифференциальные сигналы ВТП для внешней коррозионной язвы с различной глубиной на частоте 130кГц

Для выяснения влияния на полезный вихретоковый сигнал различных мешающих факторов было проведено моделирование процедуры вихретокового контроля при наличии мешающих факторов.

ВТП

ТОТ

Рис. 8 Положения дефектов относительно дистанционирующей решетки при моделировании

I-Ддфзит

Пюизид дебита |

Рис.9 Влияние на сигнал ВТП от исследуемого дефекта ТОТ дистанционирующей решетки при нахождении дефекта в позиции 1 (рис.8)

во

■80

■м-ео-ю-20 0 го 40 во во

Л (и), ИВ

|-Двфдит Позязив двфактэ 2|

Рис.10 Влияние на сигнал ВТП от исследуемого дефекта ТОТ дистанционирующей решетки при нахождении дефекта в позиции 2 (рис.8)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

На|Ц),ыВ

|-ДвЦякт -*- Позизия да4еиа4|

Рис.11 Влияние на сигнал ВТП от исследуемого дефекта ТОТ дистанционирующей решетки при нахождении дефекта в позиции 4 (рис.8)

Создана репрезентативная база модельных сигналов ВТП от дефектов с различными геометрическими параметрами, местоположением, а также сигналов от дефектов с учетом мешающих факторов. Помимо модельных сигналов база пополнена набором экспериментальных сигналов ВТП от искусственных дефектов с известными геометрическими параметрами. Также произведен расчет ряда признаков для сигналов в базе данных. На основе сформированной базы признаков можно строить алгоритмы решения обратной задачи электромагнитного контроля, то есть определять геометрические размеры дефектов.

В третьей главе описана разработка алгоритмов автоматической обработки сигналов. Представлен общий алгоритм обработки и подробно описаны все основные блоки и применяемые в них алгоритмы (рис.12).

Геометрический шум (пильгер-шум) является одним из основных мешающих факторов при автоматической и экспертной обработке сигналов вихретокового контроля. Искажение формы и признаков сигналов этой помехой делает невозможным достоверное обнаружение и определение геометрических параметров дефектов. В настоящее время основным методом неразрушающего контроля ТОТ является многочастотный ВТК, который обладает хорошо известной способностью отстройки от мешающих факторов путём комбинирования сигналов на разных частотах, представленных в цифровой форме. В качестве алгоритма отстройки от влияния шумов предлагается линейный компенсационный метод подавления сигналов от различных мешающих факторов, базирующийся на векторной комбинации сигналов разных частот.

Предобработка сигнала * Отстройка от геометрического шума * Обнаружение элементов дистанционирования

Определение геометрических параметров дефектов Ф Обнаружение дефектов ¥ Отстройка от элементов дистанционирования

Рис. 12 Алгоритм автоматической обработки данных ВТК ТОТПГАЭС Отношение энергии сигнал-шум для дефекта на исходных сигналах и

Канал SNR

F1 - 280кГц ОдБ

F2- 1 ЗОкГц 2дБ

Комбинированный М01 -(F1.F2) ЮдБ

Для надежного выделения дефектов, расположенных в области конструктивных элементов, необходимо сначала обнаружить сигналы от этих элементов конструкции и классифицировать их, т.е. определить, какой это объект. На российских парогенераторах такие объекты можно разделить на 3 класса:

• Решетки (дистанционирующие и антивибрационные);

• Гибы;

• Плита коллектора.

Для выделения конструктивных элементов наиболее целесообразно использовать сигнал на самой низкой частоте, где максимально влияние внешних элементов (в случае установки Harmonic 210 - бОкГц, для MIZ30 и MIZ70 - 25кГц, для Teddy - ЗОкГц). Кроме того, необходимо выбрать абсолютный канал, так как на абсолютном сигнале легче выделить и классифицировать конструктивные элементы (рис.13).

Re(mV)

Гибы 1

iitlf 7/ д

1W V f-vv (V»VV Ы ц». /

1 ^J W/ A** I KV-y.

•L Антив! бра 1 вше \ / 1 г

\ и коллектор /

Рис. 13 Выделение конструктивных элементов на частоте бОкГц (абсолютный канал)

Алгоритм выделения конструктивных элементов позволяет сначала выделить все конструктивные элементы (обозначить локальную область, в которой каждый из них расположен), а затем для каждого из них провести процедуру классификации и отнести к одному из ранее определенных классов. Алгоритм основан на построении в каждой точке сигнала энергетической функции, показывающей, что в данной точке есть возмущения сигнала. Расчет этой функции производится по формулам:

^ = 2-твк+1 ' ^¿-швки^к__(5)

= —-— 11Гк+\ (6)

Возможность отстройки от влияния конструктивных элементов типа дистанционирующих решеток обусловлена их постоянными геометрическими и электрофизическими характеристиками. Следовательно, и сигнал проходного преобразователя от этой особенности достаточно стабилен по форме и параметрам. Для подавления влияния сигнала от решетки строится параметрическая аппроксимирующая функция, которая описывает сигнал от бездефектной решетки. При этом свободные параметры аппроксимирующей функции подбираются для каждой решетки индивидуально с помощью симплексного алгоритма поиска минимума различий между реальным и аппроксимированным сигналами.

Рис. 14 Годографы экспериментального и

аппроксимационного сигналов от дистанционирующей решетки с дефектом

В результате отстройки от

Рис. 15 Годографы модельного дефекта на свободном участке ТОТ и выявленного дефекта под решеткой в результате отстройки

пильгер-шума и влияния элементов дистанционирования вихретоковый сигнал может быть обработан для поиска дефектов.

В работе разработан алгоритм на основе согласованного фильтра, который позволяет распознавать участки сигналов от дефектов не как возмущения, а выявлять их по характерной форме. Согласованный фильтр - это фильтр, передаточная функция которого пропорциональна основной характеристике диагностического сигнала. Неизвестный (тестируемый) сигнал затем автоматически относится к какому-либо из классов по результатам откликов его свертки с

фильтрами из этого массива. Результат согласованной фильтрации для дискретного сигнала может быть представлен:

Щ

msk

^ Zj fc=_„

Si

i+k

(7)

=-msk

где VKj - сигнал, получаемый в результате проведения процедуры согласованной фильтрации, - исходный сигнал (одна из компонент комплексного сигнала ВТП или комбинированного канала), step - шаг сканирования ВТП, а -масштабный коэффициент, гр - передаточная характеристика фильтра, msk -эффективная ширина передаточной функции.

Форма сигналов ВТП от дефектов совпадает с формой первой производной функции Гаусса, поэтому в качестве передаточной функции согласованного фильтра используется сигнал этой функции. Шаг сканирования определяется по известным расстояниям между реперными точками на сигнале, предполагая, что скорость движения ВТП на этом участке не изменялась. Масштабный коэффициент вычисляется таким образом, чтобы расстояние между экстремумами сигнала ВТП от дефекта совпадало с расстоянием между экстремумами передаточной функции (это фиксированная величина для конкретного сигнала, но должна пересчитываться для другого сигнала, исходя из шага сканирования).

а = (8)

step-Lc

Таким образом, алгоритм позволяет анализировать сигналы, полученные при различной скорости движения вихретокового преобразователя внутри ТОТ.

В четвертой главе описано применение разработанного программного комплекса для обработки вихретоковых сигналов эталонных дефектов и штатного контроля парогенератора.

По результатам испытаний на сигналах эталонных дефектов были рассчитаны выявляемость для дефектов на свободном участке, дефектов под дистанционирующей решеткой, а также выявляемость по всем дефектам (рис. 16). 1.2

1 0.8 О.б

ш

г 0.4

л

со

0.2 О

X/ .

/ /

-»-Требуемая

выявляемость -■-Дефект на своб.участке Дефект под решеткой -Все дефекты

50

Глубина, ■

ЮО

Рис. I б Выявляемость реалистичных дефектов по итогам испытаний По результатам обработки вихретоковых сигналов штатного контроля труб парогенераторов АЭС было произведено сравнение результатов обработки аналитиками и программным обеспечением в автоматическом режиме. Основной задачей программы на этом этапе тестирования была задача корректного выявления

дефектов, отмеченных аналитиками, то есть программное обеспечение при работе в

Глубина дефекта в % от толщины ТОТ Критерий совпадения данных ВТК ТОТ, %

не менее 75% 92.5

от 40% до 75% включительно 75.0

от 20% до 40% включительно 40.0

Проведен также анализ применения амплитудного критерия для глушения теплообменных труб. Анализ статистических распределений различных параметров вихретоковых сигналов и оценок геометрических параметров дефектов (глубины и осевой протяженности - длины) проводился на трех рабочих частотах (Б1 — 280кГц; ¥2 - ИОкГц; РЗ-60кГц)._

Рис. 17 Двумерное распределение амплитуд Рис. 18 Двумерное распределение амплитуд

сигналов от дефектов на плоскости с сигналов от дефектов на плоскости с

координатами длина-глубина для частоты координатами длина-глубина для частоты

280кГц 200кГц

При выборе критериальных значений амплитуды были использованы кривые допустимых дефектов ТОТ при гидроиспытаниях, полученных в ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС». На рис.19 приведены эти кривые для парогенераторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000, а на рис.20 - определение критериальных значений амплитуд.

Рис. 19 Допустимые дефекты при гидроиспытанниях

Рис.20 Определение критериальных значений амплитуд для М12-70

Амплитудные критерии допустимости дефектов ТОТ ПГ при условии обработки данных эксплуатационного контроля программой PIRATE (основная

Допустимая глубина, % от толщины стенки Допустимая амплитуда сигнала на открытом участке, В Допустимая амплитуда сигнала от дефекта под решеткой, В

<59% Трубка не подлежит глушению

60% - 68% <0.37 <0.33

69% - 77% <0.34 <0.31

78% - 87% <0.23 <0.20

88% - 100% Трубка подлежит глушению независимо от амплитуды

Тестовые испытания алгоритма выявления индикаций сигнала, удовлетворяющих амплитудному критерию, были проведены на реальных сигналах эксплуатационного вихретокового контроля теплообменных труб парогенераторов по результатам ППР Кольской и Калининской АЭС. Общее количество трубок 6040 (из них 1397 трубок ВВЭР-440 и 4643 трубки ВВЭР-1000), лотов 123 (25 и 98 соответственно), выявлено всего индикаций 967 (600 и 367 соответственно).

Всего дефектов, трубки с которыми должны быть заглушены только по критерию глубины, 260 штук, а дефектов, которые могут быть «сохранены» по амплитудному критерию 89 - то есть 34% трубок можно не глушить.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие научные и практические результаты:

• На основании обзора методов контроля ТОТ ПГ показано, что вихретоковый контроль является эффективным методом, который позволяет фиксировать наличие и местоположение не только сквозных дефектов, но и дефектов меньшей глубины, что особенно важно для своевременного предотвращения межконтурной неплотности;

• Разработана модель процедуры вихретокового контроля и получения сигнала вихретокового преобразователя при перемещении вдоль оси ТОТ. Проведены теоретические исследования влияния изменения геометрических параметров дефекта на сигнал ВТП, влияние наличия ферромагнитных и проводящих отложений на сигнал ВТП, влияние наличия элементов конструкций на сигнал ВТП;

• Разработана программа и методика автоматического обнаружения дефектов по сигналам вихретокового контроля. При этом с помощью согласованного фильтра выделяются области сигнала, соответствующие дефектам, а с использованием статистических алгоритмов выделяются области сигнала, соответствующие конструктивным элементам;

• Разработана методика классификации и параметризации сигналов от дефектов, основанная на аппарате искусственных нейронных сетей. При этом классификация дефектов производится по расположению на трубке

(внешние, внутренние, сквозные) и определяются геометрические параметры дефектов;

• Экспериментально подтверждена эффективность разработанных способов и алгоритмов классификации и параметризации дефектов ТОТ ПГ на сигналах от реалистичных дефектов;

• Экспериментально подтверждена эффективность разработанных алгоритмов выявления дефектов и отстройки от мешающих факторов на сигналах от штатного контроля ТОТ ПГ АЭС.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Крюков A.C., А.Г.Жданов, В.П.Лунин, В.В.Чегодаев Технология обработки диагностических сигналов при вихретоковом контроле тепловыделяющих элементов накладными преобразователями. - Вестник МЭИ, 2013, № 5, с.82-88

2. Чегодаев В.В., В.П.Лунин, А.Г.Жданов А.С.Крюков Многоэлементный вихретоковый преобразователь для контроля труб парогенераторов. - Вестник МЭИ, 2013, №5, с.74-81

3. А.Г.Жданов, В.П.Лунин, «Повышение достоверности обнаружения и оценки геометрических параметров дефектов труб парогенераторов АЭС», Вестник МЭИ, 2008, №5, с.82-88

4. В.П.Лунин, А.Г.Жданов, Д.Ю.Лазуткин, «Нейросетевой классификатор дефектов для многочастотного вихретокового контроля теплообменных труб», Дефектоскопия, 2007, № 3, с.37-45

Патенты и свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ

5. В.П.Лунин, В.В.Чегодаев, А.Г.Жданов, Б.В.Серебряников, «Устройство для параметризации отложений на теплообменных трубках парогенератора», Патент РФ на полезную модель №100629 U1, опубликовано: 20.12.2010, Бюл. № 35.

6. В.П.Лунин, А.Г.Жданов Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программа конечно-элементного моделирования MagNum3D» №2007611345 от 28.03.07

7. В.П.Лунин, А.Г.Жданов, Е.Г.Щукис, Д.Ю.Лазуткин Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программа анализа данных вихретокового контроля PIRATE» №2007611344 от 28.03.07

Материалы научно-технических конференций

8. Жданов А.Г., Лаврентьев A.C., Столяров A.A., Чегодаев В.В., Лунин В.П. РАСЧЁТ АМПЛИТУДНОГО КРИТЕРИЯ ГЛУШЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС, Международная конференция "Информационные средства и технологии". - М. 2013, т.З, с.26-33

9. Столяров A.A., Чегодаев В.В., Лунин В.П., Жданов А.Г. Лаврентьев A.C. ОЦЕНКА ОБЪЁМА ПРОВОДЯЩЕГО СЛОЯ ОТЛОЖЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ТРУБОК ПАРОГЕНЕРАТОРОВ, Международная конференция "Информационные средства и технологии". - М. 2013, т.З, с.53-60

Ю.Лунин В.П., Жданов А.Г., Чегодаев В.В., Лаврентьев A.A., Ловчев В.Н., Гуцев Д.Ф., Жуков Р.Ю. АМПЛИТУДНЫЙ КРИТЕРИЙ ГЛУШЕНИЯ ПАРОГЕНЕРАТОРНЫХ ТРУБ АЭС С ВВЭР, XX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике, Москва, 2014, с.67-70

П.Лунин В.П., Чегодаев В.В., Жданов А. Г., Столяров A.A., Ловчев В.Н., Гуцев Д.Ф., Жуков Р.Ю. КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБАХ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС, XX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике, Москва, 2014, с.71-73

12.В.П.Лунин, А.Г.Жданов Модельные исследования процедуры вихретокового контроля теплообменных труб парогенераторов АЭС: - М.: Издательство МЭИ, 2014,- 36с.

1 З.Жданов А.Г., Лунин В.П., «Применение программы автоматической обработки сигналов вихретокового контроля труб парогенераторов при анализе данных в период ППР на АЭС», Сборник трудов Конференции молодых специалистов ОАО ОКБ "ГИДРОПРЕСС" 2010, стр.370

14.А.Г.Жданов, В.П.Лунин, «Применение нейросетевых технологий для решения задач классификации и параметризации дефектов трубок парогенераторов АЭС», Международная конференция "Информационные средства и технологии". - М., 2004

15.А.Г.Жданов, В.П.Лунин, «Коррекция рассчитанных сигналов вихретокового преобразователя с учетом электрической схемы дефектоскопа», Международная конференция "Информационные средства и технологии". - М., 2004

16.А.Г.Жданов, В.П.Лунин, «Отстройка от влияния дистанционирующих решеток при контроле труб с помощью аппроксимирующей функции», Материалы XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Электронный ресурс). Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005. Электрон, оптич. диск. Статья № Т1-36

17.А.Г.Жданов, В.П.Лунин, Е.Г.Кулагина, «Задача обнаружения дефектов в трубах ПГ АЭС с помощью вейвлет-анализа», Материалы XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Электронный ресурс). Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005. Электрон, оптич. диск. Статья № ПС6-14

18.А.Г.Жданов, В.П.Лунин, «Эффективный алгоритм расчёта сигнала вихретокового датчика», Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // 9-я междун. Науч-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. - М.: МЭИ, 2003, стр.394

19.А.Г.Жданов, В.П.Лунин, «Банк вихретоковых сигналов от дефектов теплообменных труб», Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // 9-я междун. Науч-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. - М.: МЭИ, 2003, стр.395

20.В.П.Лунин, А.Г.Жданов, В.Н.Ловчев, Д.Ф.Гуцев, «Программное обеспечение системы вихретокового контроля теплообменных труб парогенераторов АЭС», Материалы XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Электронный ресурс). Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005. Электрон, оптич. диск. Статья № Т1-37

21.В.П.Лунин, А.Г.Жданов, Р.О.Ущербов, В.Н.Ловчев, Д.Ф.Гуцев, С.И.Титов, С.В.Смирнов, "Разработка и внедрение программного обеспечения для выявления и классификации дефектов теплообменных труб парогенераторов АЭС с РУ ВВЭР-440 и ВВЭР-1000", // Материалы 5-ой Международной научно-технической конференции "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики". Москва, концерн "РосЭнергоАтом", 2006, стр.245-248

22.В.П.Лунин, А.Г.Жданов, Р.О.Ущербов, В.Н.Ловчев, Д.Ф.Гуцев, С.И.Титов, С.В.Смирнов, «Испытание программного обеспечения для выявления и параметризации дефектов труб по вихретоковым данным контроля парогенераторов ВВЭР», // 7-ой Международный семинар по горизонтальным парогенераторам, Подольск, 2006, стр.57-59

23.В.П.Лунин, А.Г.Жданов, Е.Г.Кулагина, «Эффективные алгоритмы обработки вихретоковых сигналов при контроле теплообменных труб парогенераторов ВВЭР», // 7-ой Международный семинар по горизонтальным парогенераторам, Подольск, 2006, стр.65-67

24.В.П.Лунин, А.Г.Жданов, Д.Ю.Лазуткин, «Проектирование нейросетевого классификатора дефектов для многочастотного вихретокового контроля теплообменных труб», // 7-ой Международный семинар по горизонтальным парогенераторам, Подольск, 2006, стр.42-44

25.Д.Ю.Лазуткин, А.Г.Жданов, В.П.Лунин, «Разработка каскадного нейросетевого классификатора дефектов по вихретоковым сигналам», Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // 13-я междун. Науч-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. - М.: МЭИ, 2007, стр.485-486

26.У.С.Дунаева, А.Г.Жданов, В.П.Лунин, «Классификация и оценка размеров дефектов теплообменных труб по результатам вихретокового контроля», Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // 13-я междун. Науч-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. - М.: МЭИ, 2007, стр.467-468

27.Д.Ю.Лазуткин, А.Г.Жданов, В.П.Лунин, «Подавление сигналов от мешающих факторов при вихретоковом контроле теплообменных труб», МНТК "Информационные средства и технологии". - М., 2007»: тез. докл.— Т. 1.— М.: Янус-К, 2007,— С. 136-142

28.В.П.Лунин, А.Г.Жданов, Е.Г.Щукис, М.А.Зеленский, В.Н.Ловчев, Д.Ф.Гуцев, «Испытание программы с целью повышения надежности выявления и классификации дефектов труб по вихретоковым данным контроля» // Материалы 6-ой Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, 2009, стр.78-85

29.Лунин В.П., Жданов А.Г., Чегодаев В.В., Ловчев В.Н., Гуцев Д.Ф., Якимычев С.В., Смирнов С.В. Опытно-промышленные испытания программно-методического обеспечения систем вихретокового контроля труб парогенераторов ВВЭР, Материалы 8-ого Международного семинара по горизонтальным парогенераторам, ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, 20 Юг

Публикации на английском языке

30.A.Zhdanov, V.Lunin, H.Uhlmann, H.Brauer, «Modeling of Ferrite-cored Multi-pancake Probe in Eddy Current Inspection of Tubes», 51st International Scientific Colloquium: Proceedings Ilmenau, Germany, 2006, pp.173-174

31. V.Lunin, A.Zhdanov, "Automated Data Analysis in Eddy Current Inspection of Steam Generator Tubes", Proceedings of 9th European Conference on NDT, Berlin, 2006, We.2.3.4

32. V.Lunin, A.Zhdanov, "Inversion of Eddy Current Field Data for In-service Inspection of WWER Steam Generator Tubes", 51st International Scientific Colloquium: Proceedings Ilmenau, Germany, 2006, pp.135-136

33.V.Lunin, A.Zhdanov, «Defect influenced eddy current signal evaluation using effective scheme», Electromagnetic NDE Workshop, Proceedings, eds. S.Udpa, University of Naples, Italy, 2004, pp.87-90

34.V.Lunin, A.Zhdanov "Two-step Algorithm in Calculation of Defect Influenced Eddy Current Field", 48th International Scientific Colloquium: Proceedings Ilmenau, Germany, 2003, pp.345-346

35.A.Zhdanov, V.Lunin "SG tubes defects 3D-profile reconstruction by eddy current rotate or multi-coil probe", 10th Workshop on Optimization and Inverse Problems in Electromagnetizm: Proceedings Ilmenau, Germany, 2008, p. 161

На правах рукописи

04201457625

Жданов Андрей Геннадьевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ АНАЛИЗА ДАННЫХ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ

ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2014

Оглавление

Основные обозначения и сокращения.......................................................................................................4

Введение.......................................................................................................................................................5

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТРУБ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС..........................................................................................................11

1.1 Структура и принцип действия ПГ..................................................................................11

1.2 Неразрушающий контроль теплообменных труб парогенераторов АЭС с ВВЭР......16

1.3 Вихретоковый контроль ТОТ ПГ АЭС............................................................................21

1.4 Системы обработки данных вихретокового контроля...................................................27

1.5 Выводы и постановка задачи диссертационной работы................................................32

2 ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕДУРЫ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ С УЧЕТОМ МЕШАЮЩИХ ФАКТОРОВ.....................................................................................................................................34

2.1 Исследование математической модели взаимодействия электромагнитного поля с электропроводящим изделием...................................................................................................35

2.2 Определение вносимых параметров преобразователя при взаимодействии поля с дефектным изделием...................................................................................................................39

2.3 Расчет выходных сигналов проходного вихретокового преобразователя (ВТП) при сканировании ТОТ.......................................................................................................................44

2.4 Исследование влияния геометрических параметров дефектов на сигналы ВТП........49

2.5 Исследование влияния основных мешающих факторов при вихретоковом контроле теплообменных трубок...............................................................................................................55

2.6 Методы решения обратных задач электромагнитного контроля..................................61

2.7 Формирование базы модельных сигналов от дефектов с различными геометрическими характеристиками.........................................................................................72

2.8 Расчет основных признаков вихретоковых сигналов.....................................................77

2.8.1 Признаки, описывающие геометрию сигнала на плоскости.........................................77

2.8.2 Признаки, описывающие распределения сигналов........................................................79

2.8.3 Признаки, описывающие коэффициенты формы годографа.........................................80

2.8.4 Исследование влияния параметров дефектов на признаки............................................82

2.9 Выводы................................................................................................................................85

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ВТК ТОТ ПГ АЭС............................................................................................................................................86

3.1 Общий алгоритм обработки данных................................................................................86

3.2 Модуль отстройки от геометрического шума.................................................................87

3.3 Обнаружение конструктивных элементов.......................................................................90

3.4 Отстройка от влияния конструктивных элементов........................................................96

3.4.1 Формирование комбинированного сигнала из сигналов разных частот......................96

3.4.2 Подбор аппроксимирующих функций сигнала решетки...............................................99

3.5 Алгоритмы автоматического обнаружения дефектов..................................................109

3.6 Классификация и параметризация дефектов на основе ИНС......................................114

3.7 Выводы..............................................................................................................................125

4 РАЗРАБОТКА, ИСПЫТАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ПРОГРАММЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ PIRATE В ПРАКТИКУ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС с ВВЭР-440 и ВВЭР-1000...............................................................................................................126

4.1 Описание программного обеспечения PIRATE............................................................126

4.2 Приемочные испытания программно-методического обеспечения...........................135

4.2.1 Программа и методика приёмочных испытаний..........................................................135

4.2.2 Анализ результатов приемочных испытаний................................................................140

4.3 Опытно-промышленные испытания программно-методического обеспечения для систем контроля теплообменных трубок................................................................................142

4.3.1 Программа опытно-промышленной эксплуатации (ОПЭ) программы PIRATE.......143

4.3.2 Результаты опытно-промышленной эксплуатации на Кольской АЭС (парогенератор АЭС с РУ ВВЭР-440)................................................................................................................146

4.3.3 Результаты опытно-промышленной эксплуатации на Калининской АЭС (парогенератор АЭС с РУ ВВЭР-1000)...................................................................................151

4.4 Разработка амплитудного критерия глушения теплообменных трубок парогенераторов........................................................................................................................152

4.4.1 Исследование данных эксплуатационного ВТК парогенераторов ВВЭР-440...........152

4.4.2 Исследование данных эксплуатационного ВТК парогенераторов ВВЭР-1000.........164

4.4.3 Обоснование выбора параметров амплитудного критерия.........................................171

4.4.4 Тестовые испытания амплитудного критерия..............................................................175

4.5 Выводы..............................................................................................................................181

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..................................................................182

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................................................184

Основные обозначения и сокращения

АЭС - атомная электростанция

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор

PWR- pressurized water reactor - ядерный реактор с водой под давлением

ОК - объект контроля

ПГ - парогенератор

ТОТ - теплообменные трубки

ВТК - вихретоковый контроль

РУ - реакторная установка

ВТП - вихретоковый преобразователь

ИНС - искусственная нейронная сеть

ГВК- гидравлический метод с визуальным контролем дефектов ГДК -гидравлический метод с дистанционным контролем дефектов ГЛИП - гидравлический метод с люминесцентным индикаторным покрытием

ПГА - пневмогидравлический аквариумный метод контроля ТОТ ППР - планово-предупредительный ремонт ОПЭ - опытно-промышленная эксплуатация

Введение

Ядерная и радиационная безопасность страны во многом зависит от безопасности эксплуатации атомных электростанций (АЭС). Российские АЭС с реакторами типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 являются одними из наиболее перспективных в плане развития атомной энергетики, на основе этих проектов стоятся все новые АЭС в стране. При этом одним из важнейших элементов работы станции является парогенератор, теплообменные трубки которого служат барьером между радиоактивным теплоносителем первого контура и безопасным паром второго контура. Целостность металла этих теплообменных труб напрямую определяет безопасность всей атомной электростанции.

На российских АЭС с реакторами типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 установлены парогенераторы (ПГ) горизонтального типа, представляющие собой цилиндрические сосуды диаметром более Зм и длиной 12-15 м. Теплоноситель поступает в парогенератор снизу через горячий коллектор и выходит из него через холодный коллектор. От горячего коллектора к холодному теплоноситель проходит через систему теплообменных трубок (трубчатку). На ВВЭР-440 таких трубок в каждом ПГ более 5 тыс. На ВВЭР-1000 число трубок в каждом ПГ увеличено до 11 тыс. При этом на каждом блоке ВВЭР-440 находится 6 парогенераторов, а на блоке ВВЭР-1000 по 4 парогенератора.

Чтобы действовать как эффективный барьер, теплообменные трубки парогенератора должны быть свободными от трещин, коррозий и утонений. К сожалению, в последнее время участились случаи выхода из строя теплообменных труб парогенераторов из-за деградационных процессов в металле этих труб, что создает экологическую опасность. Частота и последствия отказов труб парогенератора могут быть значительно уменьшены путем осуществления соответствующих и своевременных операций неразрушающего контроля с заменой или глушением чрезмерно

поврежденных трубок. Большинство парогенераторов обычно контролируется при остановке и охлаждении реактора, когда их внутренние структуры становятся доступными для неразрушающего инспекционного оборудования, а также для ремонта обнаруженных дефектных труб. При этом основной проблемой является невысокая достоверность контроля. Не менее сложной задачей также является вынесение заключения о том, какие именно трубки из частично-поврежденных являются все еще пригодными, а какие требуется заменить или вывести из эксплуатации.

Наиболее эффективным методом оценки состояния теплообменных труб ПГ на данный момент является вихретоковый метод контроля (ВТК). Он позволяет выявить не только сквозные дефекты, но и дефекты различной глубины и размеров, что даёт возможность превентивно глушить трубы с дефектами, которые еще не пропускают теплоноситель из первого контура во второй, но могут развиться в ближайшей перспективе до сквозных. Многочастотный ВТК теплообменных труб (ТОТ) ПГ с использованием внутреннего проходного дифференциального преобразователя дает возможность проконтролировать трубы по всей длине, позволяет зафиксировать наличие дефекта, локализовать его и оценить глубину.

На российских АЭС многочастотный метод вихретокового контроля металла ТОТ ПГ применяется уже более 20 лет, но, несмотря на такой длительный срок, остаются проблемы с достоверностью получаемых результатов ВТК, связанной с субъективностью соответствующих экспертных решений. Одной из причин является сложность анализа эксплуатационных вихретоковых сигналов, обусловленная наличием множества мешающих факторов (шум, сигналы от элементов конструкций, отложения и др.). Другой причиной является использование программного обеспечения для обработки данных вихретокового контроля, которое позволяет работать лишь в экспертном режиме, что вносит человеческий фактор, необъективность и низкую достоверность результатов.

В связи с этим актуальной является постановка задачи, связанная с разработкой и исследованием эффективных и объективных алгоритмов автоматического выявления дефектов теплообменных труб ПГ как на свободных участках, так и под конструктивными элементами. Помимо обнаружения дефектов важной задачей является определение их геометрических параметров и положения для дальнейшего заключения о возможности эксплуатации этой ТОТ или её глушения.

Объект исследования

Теплообменные трубки парогенераторов АЭС с реакторными установками ВВЭР-440 и ВВЭР-1000, изготовленные из аустенитной стали, а также многочастотные вихретоковые сигналы, получаемые при эксплуатационном контроле этих труб штатным внутренним параметрическим проходным преобразователем.

Предмет исследования

Методы и алгоритмы обработки одномерных сигналов на основе алгоритмов фильтрации и аффинных преобразований сигналов разных частот вихретокового преобразователя для отстройки от мешающих факторов и обнаружения дефектов. Методы и алгоритмы классификации и параметризации дефектов на основе аппарата искусственных нейронных сетей (ИНС).

Цель работы

Разработка алгоритмов автоматической обработки многочастотных вихретоковых сигналов, получаемых при эксплуатационном контроле теплообменных труб парогенераторов для повышения надежности правильной регистрации дефектов, а также разработка алгоритмов классификации и определения геометрических параметров дефектов для повышения достоверности результатов контроля с использованием как аппарата ИНС, так и стандартных калибровочных зависимостей.

Задачи, решаемые для достижения поставленных целей

• Решение прямой задачи вихретокового контроля - расчет сигнала на выходе ВТП в виде наводимого напряжения на катушках преобразователя при сканировании им области ТОТ с дефектом;

• Формирование базы модельных сигналов от дефектов с различными геометрическими характеристиками;

• Формирование набора и анализ информативных признаков вихретокового сигнала от дефекта, используемых для классификации и параметризации;

• Разработка алгоритмов подавления мешающих факторов на сигнале ВТП;

• Разработка алгоритма согласованной фильтрации для автоматического обнаружения и локализации дефектов по ВТК сигналам;

• Решение обратной задачи электромагнитного контроля с целью определения геометрических параметров дефектов, используя аппарат ИНС;

• Экспериментальные исследования разработанных методов цифровой обработки вихретоковых сигналов и нейросетевого классификатора на данных, полученных при лабораторных исследованиях и проведении контроля парогенераторов в период 111 IP.

Методы исследования

В работе использованы сеточный метод моделирования распределения электромагнитных полей (метод конечных элементов), а также методы цифровой обработки сигналов, теории распознавания образов, теории вероятностей и математической статистики, математический аппарат искусственных нейронных сетей.

При разработке и исследовании алгоритмов программ использовались следующие пакеты прикладных программ: Delphi, MathCAD, Maple, Matlab.

Научную новизну работы составляют следующие положения

• Разработана конечно-элементная модель процедуры вихретокового контроля для получения сигнала вихретокового преобразователя при его перемещении вдоль оси ТОТ, позволившая провести теоретические исследования влияния изменения геометрических параметров дефектов, изучить влияние наличия элементов конструкции (дистанционирующих и антивибрационных решеток) на сигнал ВТП.

• Разработана методика автоматического обнаружения дефектов и конструктивных элементов по сигналам вихретокового контроля, основанная на использовании согласованного фильтра при выделении областей сигнала, соответствующих дефектам, а на использовании статистических алгоритмов - областей сигнала, соответствующих конструктивным элементам.

• Разработана методика классификации и параметризации дефектов, основанная на аппарате искусственных нейронных сетей, позволяющая производить классификацию дефектов по расположению на трубке (внешние, внутренние, сквозные) и определять геометрические параметры дефектов.

Практическая значимость

Практическая ценность работы связана с разработкой алгоритмов, позволяющих в автоматическом режиме производить обработку вихретокового сигнала и давать заключение о наличии дефектов и их геометрических параметрах. Разработанные в диссертации классификатор и параметризатор на основе искусственных нейронных сетей позволяют повысить эффективность и точность определения геометрических параметров дефектов.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы могут быть использованы для обработки сигналов при многочастотном вихретоковом контроле.

Предложенные методики и алгоритмы обработки вихретоковых данных реализованы в программном обеспечении «PIRATE», позволяющем производить весь перечень операций по анализу экспериментальных данных и формированию заключения по обнаруженным дефектам.

Работа над диссертацией проводилась в рамках 3-х хоздоговорных НИР МЭИ (кафедры Электротехники и Интроскопии) с ОАО «Концерн РосЭнергоАтом», результатом которых явилась разработка программы «PIRATE» - нейросетевого классификатора дефектов ТОТ ПГ АЭС с реакторными установками (РУ) ВВЭР. В настоящее время программно-методическое обеспечение проходит этап опытно-промышленной эксплуатации на Кольской АЭС.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Способ отстройки от «размерного» шума на основе аффинного преобразования сигналов различных частот.

• Способ отстройки от сигналов конструктивных элементов на основе автоматической адаптации аппроксимирующей функции.

• Способ обнаружения дефектов на свободном участке и под дистанционирующими элементами ТОТ на основе применения согласованного фильтра.

• Алгоритм классификации дефектов по вихретоковым сигналам на основе ИНС.

• Алгоритм параметризации дефектов по вихретоковым сигналам на основе ИНС.

Достоверность

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается сопоставлением с публикациями в научных изданиях, а также проверкой с использованием экспериментальных данных, полученных на модельных и реалистичных образцах теплообменных труб.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТРУБ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ АЭС

1.1 Структура и принцип действия ПГ

Важнейшим элементом первого контура реакторной установки типовой атомной электростанции с реакторами типа ВВЭР, блок-схема которой показана на рисунке 1.1 является парогенератор.

Рис. 1.1 Схема работы атом�