，，

(1.國核電站運行服務技術公司,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的方法來實現(xiàn)[2-3]。在常規(guī)渦流檢測過程中，主要通過測量渦流傳感器輸出信號的變化來得到被檢對象的特性，而被檢對象中影響渦流傳感器輸出信號的因素很多，諸如磁導率、電導率、外形尺寸和缺陷等，各種因素的影響程度不同，并且常規(guī)渦流檢測時采用單一頻率工作，獲取的信息量有限，難以滿足實際檢測過程中的更高需求，所以需要采取多種頻率的檢測方法。蒸汽發(fā)生器傳熱管外側由較多的導電支撐板及防振條結構組成，這些導電的結構也會在檢測時產(chǎn)生相應的渦流信號，如果這些位置的傳熱管上存在缺陷，那么也會產(chǎn)生相應的缺陷信號，而且這兩個信號會形成一個復合的渦流信號。這個復合的渦流信號已失去了缺陷信號的特征，會給缺陷信號的結果分析帶來不允許的誤差，所以為了消除這些結構性干擾信號，必須采取多頻渦流的混頻技術。現(xiàn)今，混頻檢測中均采用軟件來進行渦流數(shù)據(jù)分析。

由于國外進口軟件授權費用高昂且有多種不便，所以筆者研究了渦流數(shù)據(jù)分析的相關技術和算法，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)試驗和山東海陽核電現(xiàn)場大修檢測使用表明，該軟件在缺陷的定量和定位等方面已經(jīng)達到國外同類分析軟件水平。

1 基礎研究工作

1.1 數(shù)據(jù)來源

對于SG傳熱管檢測，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)品可以同時向渦流探頭施加多個不同頻率的激勵信號；也可以利用高速電子開關切換技術依次對渦流探頭施加多個不同頻率的激勵信號，電子開關切換得很快，多種頻率切換一遍所需時間很短，所以可認為頻率切換時是對傳熱管同一位置進行的數(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使用的渦流數(shù)據(jù)。

渦流探頭的一個線圈對應一個物理通道，如果選用多個頻率，則擴展出多個虛擬通道。Bobbin探頭有兩個線圈，則有兩個物理通道(差分通道和絕對通道)，如果頻率數(shù)為N，則Bobbin探頭共有2N個數(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)，對應的通道稱為原始通道，經(jīng)過混頻或濾噪處理過的通道稱為處理通道。渦流數(shù)據(jù)采集儀對每個通道的渦流信號進行A/D轉(zhuǎn)換，每次數(shù)據(jù)采集時可同時獲得水平分量和垂直分量，每個分量通常占用兩個字節(jié)，這兩個分量組成的矢量對應阻抗圖(即李莎育圖) 上的一點。

由以上可知，最基礎的數(shù)據(jù)類為原始數(shù)據(jù)點類CPoint，其中包含兩個分量(水平分量和垂直分量)；類CPoint的集合組成一個通道類CChannel。通道類的集合構成對SG傳熱管的一次數(shù)據(jù)采集，對應類為CTube。CTube的集合即一個標定組內(nèi)對多根傳熱管的數(shù)據(jù)采集，對應類CCalGroup。除了原始數(shù)據(jù)點類，其他幾個數(shù)據(jù)類都需要派生于集合類，這樣利于對數(shù)據(jù)進行檢索。下面約定單通道數(shù)據(jù)點表示為Pi:(Xi,Yi);多通道數(shù)據(jù)點表示為Pi,c:(Xi,c,Yi,c)。其中c為通道序號，i為此數(shù)據(jù)點在c通道中的序號，X和Y為當前數(shù)據(jù)點對應的水平和垂直分量。

1.2 信號測量

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

(2) 最大變化率測量：主要利用此方法進行相位測量。在某通道中選定N個連續(xù)排列的數(shù)據(jù)點后先進行峰峰值測量，獲取選定數(shù)據(jù)段在對應李莎育圖上的相距最遠的兩個點Pm和Pn，在此兩點之間依次選中兩點Pi和Pj，此兩點組成一條長為L的線段，依次找出Pi和Pj之間所有點中距離此線段最遠的點Pk，設此距離為H，計算出H和L的比值。選中不同的Pi和Pj會得到不同的Pk點，這樣得到諸多的Pk點組成一個數(shù)組，求出其中最小的比值，由該值對應的Pi和Pj可求出相位信息。整個過程的核心可用式min(H/L)表示。

(3) 最大垂直分量：在某通道中選定N個連續(xù)排列的數(shù)據(jù)點，依次比較每個數(shù)據(jù)點的垂直分量，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缺陷進行深度定量，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ASME樣管的尺寸示意

(1) 相位-深度法

根據(jù)ASME規(guī)范對系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，渦流信號便具有了一定的幅值和相位規(guī)律。在實際檢測過程中，最常用的數(shù)據(jù)分析方法是相位判傷法，即根據(jù)標定管的標準人工缺陷深度與相位關系制作出一條相位-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，結果如圖2所示[4]。對檢測過程中發(fā)現(xiàn)的顯示，使用該曲線進行對比從而得出曲線深度的估計值，即所謂“不連續(xù)性的估計深度與信號的相互關系”。

圖2 標定管的相位-深度曲線

(2) 幅值-深度法

對于形狀比較有規(guī)律的缺陷，或探頭尺寸相對于缺陷比較小時可以使用幅值-深度法。實際檢測時，首先需要制作一根與實際缺陷形狀一致，但深度不同的標定管，將人工缺陷信號按照一定的規(guī)則調(diào)到一定角度，如噪聲水平。然后，測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曲線，結果如圖3所示。對檢測過程中發(fā)現(xiàn)的同類顯示，使用該曲線進行對比從而得出缺陷深度的估計值。

圖3 標定管的幅值-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)，雖然與實際渦流信號成正比，但是對于分析人員來說并不直觀，需要轉(zhuǎn)化成用電壓表達的數(shù)值。通常將樣管上某一人工缺陷信號對應的數(shù)值定義成相對參考值(如常用的8 V)，這樣就得到一個系數(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)缺陷后需要對其進行定位，如圖4所示，SG傳熱管有多個支撐 (即Landmark位標)，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個接觸處，第2個接觸處)，熱端U型傳熱管管口末端TEH，熱端U型傳熱管脹管處TSH(對應U型傳熱管冷端的管口末端和脹管處TEC、TSC)，通常用這些位標來描述缺陷的相對位置。

圖4 SG傳熱管位標分布示意

2.1 位標的特點

位標是蒸汽發(fā)生器結構的一部分，所以位標之間的間距是固定和已知的，如果采樣率和探頭移動速度恒定，則單位距離內(nèi)的數(shù)據(jù)點數(shù)也是恒定的，數(shù)據(jù)分析時就可以由當前的一個位標所在的數(shù)據(jù)點數(shù)求出前后位標所在的數(shù)據(jù)點數(shù)。在低頻通道的位標信號幅值通常遠大于缺陷信號幅值，并且相位值比較穩(wěn)定，所以使用閾值法可以很方便地對位標信號進行識別和定位。

2.2 缺陷定位

通常缺陷定位有兩種方式：數(shù)據(jù)點數(shù)和相對距離，由于數(shù)據(jù)采集設備存在定位偏差和每次數(shù)據(jù)采集起始點可能不同，則對同一缺陷，每一次數(shù)據(jù)采集時對應的數(shù)據(jù)點數(shù)很可能不同，這樣既不直觀也無法進行歷史數(shù)據(jù)比較，故通常將數(shù)據(jù)點數(shù)轉(zhuǎn)化成距附近某個位標的相對距離(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 位標定位示意

對一個SG傳熱管進行渦流檢測時，如果需要對缺陷定位，則先求出當前數(shù)據(jù)中每個位標對應的數(shù)據(jù)點數(shù)，然后根據(jù)當前缺陷所在的數(shù)據(jù)點數(shù)查出其前后最近的位標。由于每個位標的幾何位置(尺寸)是固定和已知的，故由數(shù)據(jù)點數(shù)插值可以反求出缺陷相對位標的距離。

前面所述的缺陷定位是基于位標幾何信息全部已知和有規(guī)律且存在位標的情況，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的頻率同時激勵檢測探頭線圈，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個不同點：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。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，缺陷信號仍可以保留。設C1、C2分別為在頻率F1和F2下得到的測試結果，A1(S)、A2(S)分別為缺陷在F1和F2下的反應，B1(N)、B2(N)分別為某一干擾源在F1和F2下的反應，則：

(1)

可以看出在某一頻率下的綜合測試結果為缺陷和干擾源對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)

此時的測試結果只與缺陷有關，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

在多頻渦流檢測過程中，確定主檢測頻率后，還需要選定一個優(yōu)化的輔助頻率，輔助頻率對干擾信號的敏感程度大于主檢測頻率的[7]。例如在SG傳熱管檢測過程中，低頻激勵信號對外部支撐干擾敏感，而高頻激勵信號對探頭晃動敏感。

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

假設輔助頻率檢測數(shù)據(jù)的兩個分量為xa和ya，首先，通過尺度變換參數(shù)Sx，Sy進行尺度變換，使兩個頻率分量中干擾信號的幅值相同；其次，進行θ角度的旋轉(zhuǎn)變換，使兩個頻率分量中干擾信號的方向(即相位)一致；再進行Tx和Ty(Tx,Ty為位移變換系數(shù))大小的位移變換，使兩個頻率分量處在阻抗圖上同一位置；最后，用主檢測頻率的數(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，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，定義主檢測頻率信號矢量為Cp，輔助檢測頻率信號矢量為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)

該算法的整個實現(xiàn)流程如圖8所示。

圖8 混頻算法的實現(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培訓中的部分數(shù)據(jù)，具有代表性和權威性，足以驗證軟件的分析性能。文章分別進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，可以看到信號的特征趨勢走向相似。其中每個對比組的左邊圖形是自主軟件的分析結果，右邊是Zetec軟件的分析結果。

4.2 定量比較

定量分析包含幅值、相位、傷深和位置等，由于測量方法和關注對象不同，可以比較其中的一項或幾項。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果和Zetec公司的軟件分析結果相同或相似。經(jīng)渦流專家鑒定，表1中的偏差均在許可的范圍內(nèi)，這表明研究的相關內(nèi)容和算法的實現(xiàn)是成功的。

5 結論

文章進行了渦流數(shù)據(jù)分析相關算法的研究并開發(fā)了一套渦流數(shù)據(jù)分析軟件，通過對原始采集數(shù)據(jù)格式的分析、信號測量方法、Landmark位標的識別和標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)大量試驗和現(xiàn)場大修檢測使用表明，該軟件對傳熱管實際缺陷的定位、定量、定性等功能及性能均已達到了國外同類軟件的技術水平，同時也證明了對格式轉(zhuǎn)化、3種測量算法的應用、Landmark定位方法的處理、標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果是可信有效的，完全可以擺脫對國外公司的技術依賴。通過該成果的開發(fā)應用，可以對核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的運行工況進行數(shù)據(jù)分析，及時掌握并消除存在的安全隱患，確保蒸汽發(fā)生器的狀態(tài)滿足運行要求，從而有效減少機組故障的停機次數(shù)和核事故的發(fā)生機率?？紤]到相關自動分析功能的必要性，未來研究工作和軟件的更新仍有進一步提升的空間。

圖9 混頻信號定性分析對比

序號標定組文件名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%