基于声信号的主管道裂纹研究

姜莹莹，夏 虹，朱少民

(哈尔滨工程大学核科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

自第一座核电站并网发电以来，核电已经历经80余个春秋。期间发生了三次较为严重的核电事故，每一次事故的发生都对核电安全提出更高的要求。反应堆主管道作为一回路承压边界，其完整性对核电站运行安全意义重大。传统上，将主管道双端剪切断裂作为设计基准事故，设计了防甩击系统等安全防护系统。但运行经验和理论分析表明，主管道双端剪切断裂发生的概率很小，因此而设计的防护系统使得反应堆结构过于复杂，成本过高。通常管道的断裂由裂纹逐渐发展而来。裂纹是导致压力管道失效较常见的原因[1]。

管道裂纹研究在城市输水管道、城市输气管道、石油管道较为广泛，在核领域也有所研究。裂纹研究方法可以分为仿真和试验两大类。由于核级管道工况较为恶劣、试验实现较为困难，因此本文采用有限元模拟的方法研究主管道裂纹。目前，在管道内裂纹检测领域应用较为广泛的有漏磁法[2]、红外成像法[3]、超声波法[4]、视频成像法[5]等。声发射是指材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象[6]，管道产生泄漏是因为管道因材料腐蚀老化、温度梯度或其他外力作用产生裂纹或者腐蚀孔，管道内外存在压力差而使管道中的流体向外泄漏的现象。其中，流体通过裂纹或者腐蚀孔向外喷射形成声源，然后通过与管道的相互作用，声源向外幅射能量形成声波。这就是管道泄漏声发射现象。通过仪器对这些因泄漏引起的声发射信号进行采集和分析处理，就可以对泄漏及其位置进行判断。其优点主要有：声发射适用于实时动态监测；声发射传感器灵敏度高，可以监测到管道中的微小裂痕；定位能力强；方法简单。

基于声信号的无损检测技术应用范围目前包括金属疲劳[7]、复合材料损伤[8]、航空航天领域[9]、建筑结构[10]、化学结晶[11]和核能[12]等专业领域。本文主要研究主管道裂纹与声发射信号间的关联，为主管道完整性监测提供基础。

1 完整管道稳态流固耦合

1.1 前处理

ANSYS有限元流固耦合分析的前处理部分包括创建几何模型、定义材料属性、划分网格三部分。几何建模部分采用SolidWorks建立固体管道的几何模型，结合ANSYS DM模块的填充功能建立管道内流体模型。本文的研究对象为AP1000的主管道热管段。管道由直管段和弯管两部分构成，其内径为787 mm，壁厚85 mm，弯管的弯曲半径为1 429.3 mm，弯曲角度为56.4°[13]。管道几何模型如图1所示。

图1 管道几何模型

AP1000的主管道材料为316L型不锈钢，其物性参数如表1所示。

表1 物性参数

管内流体为水，经查物性参数表，15.51 MPa、321 ℃条件下水的密度677.552 68 kg/m3,动力黏度为0.000 080 09 kg/m·s。主管道的固体部分和流体部分分别采用Tetrahedrons和Inflation的划分网格方法，得到的网格质量如表2所示，均达到了计算要求。

表2 网格质量

1.2 求解与后处理

本文主要研究管道的受力情况，可以仅考虑流体对于管道的作用而忽略管道对流体的作用，因此利用ANSYS Workbench平台进行单向流固耦合。流体部分利用Fluid Flow(Fluent)模块对流体进行求解，设定流体的材料、边界条件、收敛条件、监测点和监测对象，得到的流体与固体交界面压力分布图。

再将流体计算结果导入到Static Structural模块，计算管道在流体作用下的受力分布情况，得到如图2所示的管道变形云图。

图2 管道变形云图

从稳态分析结果可以得出如下结论：在弯管管道中，流体由于运动及运动方向的改变对弯管外部的冲击作用最大，弯管部分变形最大。因此在运行过程中，主管道的弯管部分最易发生裂纹和破损。为了保证研究工作意义和效率最大化，在接下来对于裂纹的研究中，将裂纹设定在管道的弯曲部分。

2 管道瞬态流固耦合

由于声信号本质上是机械信号，且由声源振动产生，本研究中将发生裂纹处视为发出信号的声源。因此，可以研究声源振动的幅值和频率特性研究裂纹的与声信号间的关系。声信号是与时间有关的函数，仅对管道进行稳态流固耦合是不够的。本节介绍瞬态条件下的流固耦合。

瞬态流固耦合同稳态类似，分为前处理、求解与后处理。在裂纹建模阶段，参考了文献[14]中对油气管道的裂纹研究结果，将裂纹形状简化为椭圆形，弯管处的裂纹尺寸设定为宽2 mm、深10 mm,裂纹长度分别取20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm、200 mm，并设定一组无裂纹的完整管道模型作为对比。裂纹位置及监测点在管道上的位置如图3所示。

图3 裂纹及监测点在管道上的位置

根据流体的流速、管长等特性，设定迭代时间步长为0.000 1 s，迭代步数为5 000次。将流体对管道的动压计算结果作用在管壁上，并对管道裂纹外表面进行监测，可得到时间与声源加速度之间的关系图。无裂纹管道声源加速度-时间图如图4所示。

图4 无裂纹管道声源加速度-时间图

3 裂纹条件下声信号分析

通过ANSYS有限元模拟，可以直接得到声源(即裂纹处)的加速度-时间图。假定时间为t,声源的加速度为a,则声源的位移为加速度关于时间的积分。对振幅信号进行傅里叶变换，可得到完整管道、不同裂纹长度的频谱图，分别如图5、图6所示。从频谱图可以看出，完整管道与存在裂纹管道间频谱差别较大。当弯管出现裂纹时，声源振动频率在3 500 Hz附近出现突变。

图5 完整管道频谱图

将频谱图3 000～4 000 Hz部分进行放大，如图6所示。从图6可知，弯管处不同长度的裂纹其频谱图略有差异。

图6 不同长度裂纹局部频谱图

裂纹尺寸特性包括宽度、深度和长度三个参数。为比较声源频谱图在宽度和深度上差异敏感性，将宽2 mm、深10 mm、长180 mm的裂纹与宽2 mm、深45 mm、长180 mm的裂纹频谱图进行比较，如图7所示。

图7 不同深度裂纹频谱图

比较不同宽度、深度及长度的频谱图可知，声源频率对于裂纹宽度的敏感性高于裂纹深度和裂纹长度。但不同尺寸裂纹的频谱图存在差异，证明不同尺寸裂纹产生的声信号是不同的。因此，基于声信号进行管道完整性监测的方法是可行的。

4 结束语

经过本仿真试验，验证了声频率在管道无裂痕和有裂纹时在3 500 Hz处存在明显差异，证明以声信号为依据监测管道完整性的方法是可行的。频率对于裂纹长度的敏感度不及裂纹深度和宽度，但是不同尺寸的裂纹产生的声音频谱图之间存在差异。在接下来的研究中，会对不同尺寸的非贯穿裂纹和贯穿裂纹的声音频谱图进行深度挖掘，探索声信号与管道完整性之间的关系，建立基于声信号的核电厂主管道完整性监测系统。