聲發(fā)射在實(shí)用感應(yīng)式反應(yīng)器的無(wú)損評(píng)估中的應(yīng)用綜述

1、聲發(fā)射在實(shí)用感應(yīng)式反應(yīng)器的無(wú)損評(píng)估中的應(yīng)用M.N.Bassim*(Non-Member,BEE)Mikebudar+(Member,IEEE)R.Rifaat*(Member,IEEE)R.Roller*(Member,IEEE)*曼尼托巴大學(xué)機(jī)械工程學(xué)部加拿大溫尼伯馬尼托巴省R3T2N2Monac國(guó)際公司加拿大溫尼伯馬尼托巴省R3B1Y6埃利斯大道435號(hào)曼妮托巴水電加拿大溫尼伯馬尼托巴省泰勒大道820號(hào)Abstract-Acousticemissioninoilfilledtransformersandreactorsisassociatedwithdegradationofthecore

2、andtankassembliesaswellastheinsulationsystem.Detectionandanalysisofsuchemissionsleadstoearlydetectionofflawsinthesepowerequipments.Thispaperdealswithresearchtoidentifythecharacteristicsofacousticemissionsignalsfromutilityinductivereactorsforthepurposeofdevelopingamonitoringsystemforsuchequipment.Aco

3、usticemissionmeasurementswerecarriedoutonanumberofreactors,andtheresultsobtainedwereanalysedandcomparedwithconcurrentdissolvedgasinoilanalysis.Theuseoftheresultsfordevelopingamonitoringsystemisdiscussed摘要：聲發(fā)射在充油變壓器和反應(yīng)器中與降解的鐵心、總的反應(yīng)罐以及絕緣系統(tǒng)的聯(lián)系。在這些電力設(shè)備中監(jiān)測(cè)和分析此類排放物將導(dǎo)致早期檢測(cè)缺失。本文研究采用從實(shí)用感式反應(yīng)堆中獲取聲發(fā)射信號(hào)，分析其特點(diǎn)的手段

4、來(lái)監(jiān)測(cè)這些電力設(shè)備。對(duì)一定數(shù)量的聲發(fā)射器所發(fā)出的聲發(fā)射進(jìn)行測(cè)量，分析其結(jié)果并與石油分析中的并發(fā)溶解氣體做比較。本文將討論在開(kāi)發(fā)一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用此結(jié)果簡(jiǎn)介電廠的輸電和配電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)者們，通過(guò)增設(shè)冗余的設(shè)備和加大預(yù)防性維護(hù)的措施來(lái)滿足其系統(tǒng)的安全性與可靠性方面的挑戰(zhàn)。在對(duì)系統(tǒng)無(wú)任何不良后果的情況下，為了優(yōu)化有限的財(cái)力與人力資源，公用事業(yè)在不斷研究可能獲得方法來(lái)定量評(píng)價(jià)設(shè)備的可維護(hù)性。在這些方法中，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)提出了一個(gè)有吸引力的長(zhǎng)期的連續(xù)的監(jiān)測(cè)方法，提供了一種區(qū)別真實(shí)排放和背景噪音的途徑。在過(guò)去的30年里，采用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)和部件的性能已經(jīng)逐漸發(fā)展起來(lái)。聲發(fā)射，作為一個(gè)在正常負(fù)載周期中觀

5、測(cè)設(shè)備和結(jié)構(gòu)的被動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，已經(jīng)得到了廣泛的接受。測(cè)量時(shí)不需要在需要測(cè)定的設(shè)備上添加額外的壓力測(cè)試表或特定的信號(hào)，從背景噪音中識(shí)別和別離采集到的信號(hào)，該技術(shù)包括的模式識(shí)別、自適應(yīng)學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)和人工智能等技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展到了可以允許信號(hào)提取的地步。在變壓器和電抗器行業(yè)，另一種測(cè)試方法在充油設(shè)備上已經(jīng)使用了好多年，那就是分析油中溶解的氣體。這種測(cè)試在識(shí)別保溫惡化中被證明是有效的。然而，在反應(yīng)堆中，很難確定可燃?xì)怏w的比例來(lái)在無(wú)損傷的情況下，評(píng)定機(jī)械損傷的程度，例如：阻尼結(jié)構(gòu)中的循環(huán)電流；即使這樣，一些非關(guān)鍵性的問(wèn)題最終還是引發(fā)了災(zāi)難性的故障。例如：核心的緊固原件的松動(dòng)可能引起振動(dòng)的加大，也可能引起反

6、應(yīng)堆中的最終結(jié)構(gòu)和電氣故障。在本研究中，用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)13個(gè)相似的20世紀(jì)60年代的充油第三類反應(yīng)器，規(guī)格13.2kV,15和20MVAz。本實(shí)驗(yàn)中采用一個(gè)連續(xù)的、獨(dú)立的、獲得國(guó)家專利的聲發(fā)射系統(tǒng)在本文后面將進(jìn)行介紹。具有較高的聲發(fā)射活動(dòng)的三個(gè)反應(yīng)堆內(nèi)部進(jìn)行目視的檢查和維護(hù)。以下各節(jié)描述實(shí)驗(yàn)的步驟，用于聲學(xué)監(jiān)測(cè)的專利系統(tǒng)和聲學(xué)監(jiān)測(cè)情況說(shuō)明，石油氣體分析方法，以及之前的對(duì)這三個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行的目視檢查記錄。理論思考聲發(fā)射信號(hào)被設(shè)置在頻率為100-30"赫茲的范圍內(nèi)時(shí)，被監(jiān)測(cè)到脈沖。一個(gè)典型的脈沖如圖一所示。脈沖的一些基本特征參數(shù)可以大致確定，它包括峰值幅度的上升時(shí)間，脈沖持續(xù)時(shí)間，脈沖申的能

7、量，其振幅的均方根和事件的計(jì)數(shù)，其中后面的參數(shù)在反應(yīng)堆測(cè)試中有著非常重要的作用,它對(duì)應(yīng)著預(yù)先設(shè)置好的臨界交義點(diǎn)的值。在反應(yīng)器測(cè)試中，釋放的信號(hào)由固體金屆零件產(chǎn)生并由相鄰的固態(tài)或液態(tài)油儲(chǔ)存，在一個(gè)充滿油的反應(yīng)器中的固體材料是典型的鐵芯和繞阻裝裝置，保溫系統(tǒng)，反應(yīng)罐和總蓋圖1:聲發(fā)射信號(hào)在反應(yīng)器中的聲發(fā)射有以下來(lái)源：A. 磁路噪音這就是由丁鋼芯的強(qiáng)度在磁場(chǎng)中變化所引起的，這種噪音就是Kusanagi(2)在噪音長(zhǎng)度上的研究.另外一項(xiàng)研究3說(shuō)明被磁化了的聲發(fā)射具有高度的活躍度di/dt到達(dá)最大，它的頻率在50千赫茲左右。這是遠(yuǎn)低丁常用的聲發(fā)射換能器的諧振頻率175KHz。局部放電信號(hào)圖2:聲發(fā)射和疲

8、勞程度之間的關(guān)系聲發(fā)射脈沖也有可能由內(nèi)部的局部放電而產(chǎn)生。這類的脈沖的發(fā)生范圍為150千赫茲，它的形狀為一個(gè)三角形，持續(xù)的時(shí)間很短約為93餌3，并且它們?cè)陔妷禾幎≌逯祷蜇?fù)峰值時(shí)會(huì)發(fā)生。B. 反應(yīng)罐和鋼構(gòu)損壞：聲發(fā)射脈沖是由丁結(jié)構(gòu)構(gòu)件中出現(xiàn)裂紋而產(chǎn)生。疲勞裂紋增長(zhǎng)強(qiáng)度、周期與聲發(fā)射計(jì)數(shù)率之間的關(guān)系如4.5：N=A寸1這里N'=計(jì)數(shù)率，計(jì)數(shù)/時(shí)間；A和n=定值；K=應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPa扁這個(gè)方程式和巴黎疲勞裂紋擴(kuò)展定律相似，傳播率：2生=cKdN這里a=裂紋長(zhǎng)度；N=周期數(shù)；K=壓力強(qiáng)度因子;C和m=常量da從方程式1和2中可知，裂紋擴(kuò)展速率了可以采用如圖2的關(guān)系計(jì)算出來(lái)。dN反應(yīng)器測(cè)試

9、過(guò)程A.聲發(fā)射系統(tǒng)第二代聲發(fā)射系統(tǒng)是基丁2個(gè)步驟的方法，它是由本文的作者之一的(M.N.Bassim)發(fā)明并獲得專利，在本研究中采用這種方法。該系統(tǒng)能對(duì)大型結(jié)構(gòu)提供連續(xù)性的、單機(jī)自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的組成部分，在圖3中給出，有以下部分組成：傳感器：傳感器由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成，一個(gè)是換能器，它通常是一個(gè)175千赫的諧振、壓電性、高阻抗單元，用環(huán)形磁鐵來(lái)安裝反應(yīng)罐上的換能器，并采用凝膠型聲耦合器。使用前置放大器以保證來(lái)自換能器到檢測(cè)單元之間的信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸。監(jiān)測(cè)單元（SU）:在監(jiān)控過(guò)程中將同時(shí)用到大量的監(jiān)控單元，每個(gè)測(cè)控單元的作用如下：a）識(shí)別真正的聲發(fā)射信號(hào)，根據(jù)窗口中的上升時(shí)間、幅度、持續(xù)時(shí)

10、間、振幅的立方根、能量各參數(shù)來(lái)定義真正的波形，并濾除背景噪音和哪些不屆丁這些窗口的波形信號(hào)原理和指紋區(qū)分的原理相似；b）隨著時(shí)間的和疲勞周期的變化接收到的信號(hào)的趨勢(shì)；圖3:第二代聲發(fā)射系統(tǒng)c）使用方程1和2中定義的過(guò)程來(lái)計(jì)算裂紋增長(zhǎng)速率，監(jiān)控單元接收從換能器中發(fā)出的頻率在100-300KHZ的信號(hào)，從換能器中發(fā)出的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前置放大鏡放大，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)由軟件控制的可變?cè)鲆娣糯笃?。?jīng)過(guò)放大，該信號(hào)通過(guò)一個(gè)由軟件控制的可變頻率的帶通濾波器或者一個(gè)固定中心頻率為175KHZ的帶通濾波器，濾波器的響應(yīng)選擇來(lái)補(bǔ)償傳感器的響應(yīng)，最終得到的是一個(gè)經(jīng)過(guò)了放大和過(guò)濾過(guò)的條件信號(hào)。到信號(hào)被控制到符合條件之后，被

11、發(fā)送到檢測(cè)器電路的模擬部分，然后用硬件電路從信號(hào)中提取出需要的特征參數(shù)。這些電路的輸出最后被饋送到數(shù)字部分。圖4:監(jiān)測(cè)單元電信號(hào)的組成圖4顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字硬件的結(jié)構(gòu)框圖部分，來(lái)自檢測(cè)器的信號(hào)被送依次到計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為微處理器可識(shí)別、調(diào)用的數(shù)字信號(hào)。微處理器檢查每個(gè)脈沖，以確保脈沖的特征參數(shù)落在運(yùn)行商或這在運(yùn)行的程序設(shè)定的參數(shù)窗口范圍內(nèi)，如果信號(hào)滿足這些限制要求，該數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的那個(gè)原信號(hào)將被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，正在運(yùn)行的程序可以在預(yù)訂的時(shí)間間隔之內(nèi)分析存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。為了效率和速度該系統(tǒng)采用中斷驅(qū)動(dòng)，正在運(yùn)行的程序進(jìn)行計(jì)算來(lái)得到結(jié)果和變化趨勢(shì)，丁此同時(shí)，監(jiān)測(cè)單元在收集著

12、脈沖數(shù)據(jù)，這些計(jì)算結(jié)果由RS-23況供應(yīng)控制單元?？刂茊卧狢U：它在個(gè)人電腦上運(yùn)行控制單元軟件，該軟件可以收集、存儲(chǔ)、分析從監(jiān)測(cè)單元傳過(guò)來(lái)的信號(hào)，該控制單元要能一次性的從8個(gè)監(jiān)測(cè)單元收集數(shù)據(jù)。在收集數(shù)據(jù)的同時(shí)，控制單元還應(yīng)該為用戶提供測(cè)試結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，即裂縫的生長(zhǎng)趨勢(shì)、評(píng)價(jià)。另外，控制單元還應(yīng)具備發(fā)布額外的數(shù)據(jù)測(cè)試分析結(jié)果的能力。B.反應(yīng)器測(cè)試方案被監(jiān)測(cè)的13個(gè)反應(yīng)器是屆丁曼尼托巴水電的，每個(gè)監(jiān)測(cè)周期至少超過(guò)8小時(shí)，這些反應(yīng)器位丁不同的地方，監(jiān)測(cè)是在反應(yīng)器上的外部燃料箱外表上兩個(gè)不同的點(diǎn)上進(jìn)行的。采用前面描述的系統(tǒng)，將信號(hào)參數(shù)窗口的信號(hào)調(diào)整到檢測(cè)機(jī)械損傷噪聲而非局部放電或磁噪聲。在這13個(gè)反

13、應(yīng)器中，有10個(gè)只有很少的或幾乎沒(méi)有聲信號(hào)發(fā)出活動(dòng)，其余的3個(gè)反應(yīng)器展現(xiàn)出顯著的聲信號(hào)活動(dòng)并伴隨著時(shí)間的推移而加強(qiáng)。在這展現(xiàn)出強(qiáng)聲發(fā)射活動(dòng)的3個(gè)反應(yīng)器中，在內(nèi)部進(jìn)行目視監(jiān)測(cè)并且在油測(cè)試中溶解一定濃度的氣體。這些測(cè)試的結(jié)果在表1中給出，表2則給出了這3個(gè)反應(yīng)器的目視檢查的結(jié)果總結(jié)。表格1:在132kv,1.5MVA的反應(yīng)器中氣體濃度PPM氣體名稱反應(yīng)器1反應(yīng)器2反應(yīng)器3H25703172002231001180027200N2663006110083400m530911320CH49007803002374049101500C2H419357C2H62382396c2H2<1<1&l

14、t;1TGC(%)9內(nèi)部損傷修理反應(yīng)器1-核心爪松動(dòng)-線圈阻塞松動(dòng)-部分垂直螺栓被剪鉗-核心焊縫裂隙加大-收緊線圈和線圈的總和-加固、修理結(jié)塊的粘結(jié)不良或損壞的結(jié)構(gòu)-重新緊固立式鎖模螺栓反應(yīng)器2-核心爪松動(dòng)-線圈阻塞松動(dòng)-對(duì)齊筆彈黃芯火板彎曲-線圈絕緣包涂在地線芯上-收緊線圈和線圈的總和-修理小良的部件與損傷的結(jié)構(gòu)反應(yīng)器3-抽芯夾了松動(dòng)-無(wú)球鎖定片火支護(hù)結(jié)構(gòu)松動(dòng)-橫梁上核心結(jié)構(gòu)松動(dòng)-線圈阻塞過(guò)緊-收緊大號(hào)的核心和線圈組件-修理小佳的保護(hù)結(jié)構(gòu)與損壞結(jié)構(gòu)對(duì)丁第一個(gè)反應(yīng)器反應(yīng)器（l）,在修理之前的聲發(fā)射如圖5所示，那么高的聲發(fā)射活動(dòng)頻率可能由裂縫的發(fā)展以及額外的應(yīng)該緊固的部件松動(dòng)引起的。修理之后，聲

15、發(fā)射信號(hào)顯著下降。對(duì)丁反應(yīng)器2,聲發(fā)射信號(hào)也在一個(gè)相對(duì)較高的水平,如圖6所示，這種現(xiàn)象由丁在一個(gè)散熱器中的裂縫發(fā)展曼尼托巴水電的先前的經(jīng)驗(yàn)提供了該單元的一些目視監(jiān)察失敗，大約一年之前，一個(gè)類似的反應(yīng)器由丁散熱器的裂縫發(fā)展形成大量的漏油，最終造成繞阻過(guò)熱。雖然繞阻沒(méi)有毀壞，但是其絕緣層變得很薄，有必要更換繞阻，當(dāng)該單元的線圈被完全剝除，核心部件的絕緣層嚴(yán)重?fù)p害，可以看到鋼和綁扎，核心鋼材的絕緣惡化。町如口叮0偵*tl«pai|fl圖5:反應(yīng)器1的聲發(fā)射反應(yīng)二WU-二圖6:反應(yīng)器2的聲發(fā)射反應(yīng)早就預(yù)期反映器2的核心包絕緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)腐蝕，與早期觀察到的故障現(xiàn)象相似。這種侵蝕通過(guò)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，

16、伴隨著振動(dòng)一起被傳送出去，初始的聲活動(dòng)對(duì)應(yīng)核心包裹腐蝕的情形，之后的則對(duì)應(yīng)反應(yīng)罐裂縫發(fā)展的情形，從圖6中可以看出。在反應(yīng)器3中，表現(xiàn)出來(lái)的比較高的聲發(fā)射活動(dòng)與反應(yīng)器1相似，目測(cè)檢查發(fā)現(xiàn)核心包裹結(jié)構(gòu)和核心鋼圈出現(xiàn)松動(dòng)。還發(fā)現(xiàn)了螺栓、橫向構(gòu)件、核心夾的鎖定彈片、職稱結(jié)構(gòu)的松動(dòng)。將反應(yīng)器大修后，正常工作。聲發(fā)射的分析結(jié)論，總體上來(lái)說(shuō)與反應(yīng)器的石油、天然氣的分析方法相一致。對(duì)于反應(yīng)器1,高水平的甲烷(CH4)和乙烷(C2H6)說(shuō)明盡可能低的油擊穿溫度，這可以解釋為因?yàn)槟壳傲魍ㄔ诩泳o結(jié)構(gòu)的一些金屆部件之間的相互接觸摩擦所致。高水平的氫氣H2可能是由于螺母的振動(dòng)和反應(yīng)器頂部的核心鉗的部分?jǐn)嗔训穆菟?。在反?yīng)

17、器2,天然氣分析法表現(xiàn)出與1R氣甲烷乙烷類似順序大小幅度和水平，而反應(yīng)器3則表現(xiàn)出在油中明顯的低于這些可燃?xì)怏w的水平。石油分析和目視檢查確認(rèn)了聲發(fā)射測(cè)試得到的結(jié)果，即機(jī)械損傷是由于循環(huán)負(fù)荷振動(dòng)引起，振動(dòng)也是觀察到的3個(gè)反應(yīng)器中發(fā)出的聲發(fā)射的來(lái)源。結(jié)論聲發(fā)射監(jiān)測(cè)分析給充油反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷早期檢查提供了一個(gè)潛在的方法，使用第二代聲學(xué)專家系統(tǒng)能力來(lái)確定真正的信號(hào)和別離這些信號(hào)與背景噪聲，用聲發(fā)射來(lái)顯示損害的發(fā)生位置已經(jīng)被證明時(shí)可靠的，它的結(jié)果已經(jīng)得到了目視檢查和油氣分析的證明。參考文獻(xiàn)1 J.C.Spanner,A.Brown,D.R.Hay,VMustafa,K.NotvestandA.Pol

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