СИСТЕМА АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕЧИ ТРУБОПРОВОДОВ АЭС

Область техники
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.
Уровень техники
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.
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.
Раскрытие полезной модели
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.
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.
Таким образом, технический результат полезной модели заключается в улучшении эксплуатационных и технических характеристик.
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.
Кроме того, в качестве чувствительного элемента микрофона может быть использована пьезокерамика.
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.
Краткое описание фигур чертежей
На чертеже приведено размещение микрофонов (акустических датчиков) системы на участке трубопровода, покрытого блочной съемной тепловой изоляцией.
Осуществление полезной модели
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).
Система акустического контроля течи трубопроводов работает следующим образом.
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.
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.
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.