声发射在实用感应式反应器的无损评估中的应用

1、声发射在实用感应式反应器的无损评估中的应用M.N. Bassim *(Non-Member, BEE) Mike budar+ ( Member, IEEE ) R. Rifaat * (Member, lEEE) R. Roller *(Member, IEEE)*曼尼托巴大学机械工程学部（加拿大温尼伯 马尼托巴省 R3T 2N2）Monac 国际公司 （加拿大温尼伯 马尼托巴省R3B 1Y6埃利斯大道435号）曼妮托巴水电（加拿大温尼伯 马尼托巴省泰勒大道820号） Abstract - Acoustic emission in oil filled transformers and re

2、actors is associated with degradation of the core and tank assemblies as well as the insulation system. Detection and analysis of such emissions leads to early detection of flaws in these power equipments. This paper deals with research to identify the characteristics of acoustic emission signals fr

3、om utility inductive reactors for the purpose of developing a monitoring system for such equipment. Acoustic emission measurements were carried out on a number of reactors, and the results obtained were analysed and compared with concurrent dissolved gas in oil analysis. The use of the results for d

4、eveloping a monitoring system is discussed摘要：声发射在充油变压器和反应器中与降解的铁心、总的反应罐以及绝缘系统的联系。在这些电力设备中监测和分析此类排放物将导致早期检测缺失。本文研究采用从实用感式反应堆中获取声发射信号，分析其特点的手段来监测这些电力设备。 对一定数量的声发射器所发出的声发射进行测量，分析其结果并与石油分析中的并发溶解气体做比较。本文将讨论在开发一个监测系统中使用此结果。简介电厂的输电和配电系统的运营者们，通过增设冗余的设备和加大预防性维护的措施来满足其系统的安全性与可靠性方面的挑战。在对系统无任何不良后果的情况下，为了优化有限的财力

5、与人力资源，公用事业在不断研究可能获得方法来定量评价设备的可维护性。在这些方法中，声发射检测技术提出了一个有吸引力的长期的连续的监测方法，提供了一种区别真实排放和背景噪音的途径。 在过去的30年里，采用声发射技术来监测结构和部件的性能已经逐渐发展起来。声发射，作为一个在正常负载周期中观测设备和结构的被动监测技术，已经得到了广泛的接受。 测量时不需要在需要测定的设备上添加额外的压力测试表或特定的信号， 从背景噪音中识别和分离采集到的信号，该技术包括的模式识别、自适应学习、专家系统和人工智能等技术，已经发展到了可以允许信号提取的地步。 在变压器和电抗器行业，另一种测试方法在充油设备上已经使用了好多

6、年，那就是分析油中溶解的气体。这种测试在识别保温恶化中被证明是有效的。然而，在反应堆中，很难确定可燃气体的比例来在无损伤的情况下，评定机械损伤的程度，例如：阻尼结构中的循环电流；即使这样，一些非关键性的问题最终还是引发了灾难性的故障。例如：核心的紧固原件的松动可能引起振动的加大，也可能引起反应堆中的最终结构和电气故障。 在本研究中，用声发射监测13个相似的20世纪60年代的充油第三类反应器，规格13.2 kV, 15和20 MVAz。 本实验中采用一个连续的、独立的、获得国家专利的声发射系统（在本文后面将进行介绍）。具有较高的声发射活动的三个反应堆内部进行目视的检查和维护。以下各节 描述实验的

7、步骤，用于声学监测的专利系统和声学监测情况说明，石油气体分析方法，以及之前的对这三个反应器进行的目视检查记录。理论思考声发射信号被设置在频率为100-300千赫兹的范围内时，被监测到脉冲。一个典型的脉冲如图一所示。脉冲的一些基本特征（参数）可以大致确定， 它包括峰值幅度的上升时间，脉冲持续时间，脉冲串的能量，其振幅的均方根和事件的计数，其中后面的参数在反应堆测试中有着非常重要的作用，它对应着预先设置好的临界交叉点的值。在反应器测试中，释放的信号由固体金属零件产生并由相邻的固态或液态油储存，在一个充满油的反应器中的固体材料是典型的铁芯和绕阻装装置，保温系统，反应罐和总盖。 图1：声发射信号在反应

8、器中的声发射有以下来源： A.磁路噪音这就是由于钢芯的强度在磁场中变化所引起的，这种噪音就是Kusanagi(2)在噪音长度上的研究.另外一项研究（3）表明被磁化了的声发射具有高度的活跃度di/dt达到最大，它的频率在50千赫兹左右。这是远低于常用的声发射换能器的谐振频率（175KHz）。B.局部放电信号图2：声发射和疲劳程度之间的关系声发射脉冲也有可能由内部的局部放电而产生。这类的脉冲的发生范围为150千赫兹，它的形状为一个三角形，持续的时间很短约为93s（3），并且它们在电压处于正峰值或负峰值时会发生。C.反应罐和钢构损坏：声发射脉冲是由于结构构件中出现裂纹而产生。 疲劳裂纹增长强度、周期

9、与声发射计数率之间的关系如（4.5）：N = A Kn 1这里 N ' = 计数率, 计数/时间；A 和 n = 定值；K = 应力强度因子, MPa 这个方程式和巴黎疲劳裂纹扩展定律相似，传播率： = c K m 2这里 a = 裂纹长度；N = 周期数；K = 压力强度因子；C和m =常量从方程式1和2中可知，裂纹扩展速率可以采用如图2的关系计算出来。反应器测试过程A.声发射系统第二代声发射系统是基于2个步骤的方法，它是由本文的作者之一的(M.N. Bassim)发明并获得专利，在本研究中采用这种方法。该系统能对大型结构提供连续性的、单机自动化的监测。该系统的组成部分，在图3中给出

10、，有下列部分组成：传感器：传感器由两个独立的部分组成，一个是换能器，它通常是一个175千赫的谐振、压电性、高阻抗单元，用环形磁铁来安装反应罐上的换能器，并采用凝胶型声耦合器。使用前置放大器以保证来自换能器到检测单元之间的信号的长距离传输。监测单元(SU)： 在监控过程中将同时用到大量的监控单元，每个测控单元的作用如下：a) 识别真正的声发射信号，根据窗口中的上升时间、幅度、持续时间、振幅的立方根、能量各参数来定义真正的波形，并滤除背景噪音和哪些不属于这些窗口的波形信号（原理和指纹区分的原理相似）；b) 随着时间的和疲劳周期的变化接收到的信号的趋势；图3：第二代声发射系统c) 使用方程1和2中定

11、义的过程来计算裂纹增长速率，监控单元接收从换能器中发出的频率在100-300KHz的信号，从换能器中发出的信号首先经过前置放大镜放大，然后经过一个由软件控制的可变增益放大器。经过放大，该信号通过一个由软件控制的可变频率的带通滤波器或者一个固定中心频率为175KHz的带通滤波器，滤波器的响应选择来补偿传感器的响应，最终得到的是一个经过了放大和过滤过的条件信号。到信号被控制到符合条件之后，被发送到检测器电路的模拟部分，然后用硬件电路从信号中提取出需要的特征参数。这些电路的输出最后被馈送到数字部分。图4：监测单元电信号的组成图4显示了一个简单的数字硬件的结构框图部分，来自检测器的信号被送依次到计数器

12、、计时器、A/D转换器（将模拟信号转换为微处理器可识别、调用的数字信号）。微处理器检查每个脉冲，以确保脉冲的特征参数落在运行商或这在运行的程序设定的参数窗口范围内，如果信号满足这些限制要求，该数字信号对应的那个原信号将被存储在存储器中，正在运行的程序可以在预订的时间间隔之内分析存储的数据。为了效率和速度该系统采用中断驱动，正在运行的程序进行计算来得到结果和变化趋势，于此同时，监测单元在收集着脉冲数据，这些计算结果由RS-232提供给控制单元。控制单元（CU）：它在个人电脑上运行控制单元软件，该软件可以收集、存储、分析从监测单元传过来的信号，该控制单元要能一次性的从8个监测单元收集数据。在收集数

13、据的同时，控制单元还应该为用户提供测试结构的实时动态 ，即裂缝的生长趋势、评价。另外，控制单元还应具备发布额外的数据测试分析结果的能力。B. 反应器测试方案被监测的13个反应器是属于曼尼托巴水电的， ,每个监测周期至少超过8小时，这些反应器位于不同的地方，监测是在反应器上的外部燃料箱表面上两个不同的点上进行的。采用前面描述的系统，将信号参数窗口的信号调整到检测机械损伤噪声（而非局部放电或磁噪声）。在这13个反应器中，有10个只有很少的或几乎没有声信号发出活动 ，其余的3个反应器展现出显著的声信号活动并伴随着时间的推移而加强。在这展现出强声发射活动的3个反应器中，在内部进行目视监测并且在油测试中

14、溶解一定浓度的气体。 这些测试的结果在表1中给出，表2则给出了这3个反应器的目视检查的结果总结。表格1：在132kv，1.5MVA的反应器中气体浓度（PPM）气体名称反应器1反应器2反应器3H202N2mCH40 2C2H4C2H6c2H2TGC(%)5702310066300530900374019238<19.53 171180061 100911780491035239<1920272008340032030150076<111.4内部损伤修理反应器1-核心爪松动-线圈阻塞松动-部分垂直螺栓被剪钳-核心焊缝裂隙加大-收紧线圈和线圈的总和 -加固、修理结块的粘结不良或损坏

15、的结构-重新紧固立式锁模螺栓反应器2-核心爪松动-线圈阻塞松动-对齐笔弹簧芯夹板弯曲-线圈绝缘包涂在地线芯上-收紧线圈和线圈的总和-修理不良的部件与损伤的结构反应器3-抽芯夹子松动-无球锁定片夹支护结构松动-横梁上核心结构松动-线圈阻塞过紧- 收紧大号的核心和线圈组件-修理不佳的保护结构与损坏结构表格2：132kv，1.5MVA反应器的故障与检修对于第一个反应器反应器 (l) ,在修理之前的声发射如图5所示，那么高的声发射活动频率可能由裂缝的发展以及额外的应该紧固的部件松动引起的。修理之后，声发射信号显著下降。对于反应器2，声发射信号也在一个相对较高的水平，如图6所示，这种现象由于在一个散热器

16、中的裂缝发展。曼尼托巴水电的先前的经验提供了该单元的一些目视监察失败，大约一年之前，一个类似的反应器由于散热器的裂缝发展形成大量的漏油，最终造成绕阻过热。虽然绕阻没有毁坏，但是其绝缘层变得很薄，有必要更换绕阻，当该单元的线圈被完全剥除，核心部件的绝缘层严重损害，可以看到钢和绑扎，核心钢材的绝缘恶化。图5：反应器1的声发射反应图6：反应器2的声发射反应早就预期反映器2的核心包绝缘内部结构腐蚀，与早期观察到的故障现象相似。这种侵蚀通过反应器的结构，伴随着振动一起被传送出去，初始的声活动对应核心包裹腐蚀的情形，之后的则对应反应罐裂缝发展的情形，从图6中可以看出。在反应器3中，表现出来的比较高的声发射

17、活动与反应器1相似，目测检查发现核心包裹结构和核心钢圈出现松动。还发现了螺栓、横向构件 、核心夹的锁定弹片、职称结构的松动。将反应器大修后，正常工作。 声发射的分析结论，总体上来说与反应器的石油、天然气的分析方法相一致。对于反应器1，高水平的甲烷(CH4)和乙烷(C2H6)表明尽可能低的油击穿温度，这可以解释为因为目前流通在加紧结构的一些金属部件之间的相互接触摩擦所致。高水平的氢气（H2）可能是由于螺母的振动和反应器顶部的核心钳的部分断裂的螺栓。在反应器2，天然气分析法表现出与氢气甲烷乙烷类似顺序大小幅度和水平，而反应器3则表现出在油中明显的低于这些可燃气体的水平。石油分析和目视检查确认了声发

18、射测试得到的结果，即机械损伤是由于循环负荷（振动）引起，振动也是观察到的3个反应器中发出的声发射的来源。结论声发射监测分析给充油反应器的内部结构损伤早期检查提供了一个潜在的方法，使用第二代声学专家系统能力来确定真正的信号和分离这些信号与背景噪声，用声发射来显示损害的发生位置已经被证明时可靠的，它的结果已经得到了目视检查和油气分析的证明。 参考文献l J.C. Spanner, A. Brown, D.R. Hay, V. Mustafa, K.Notvest and A. Pollock. "Fundamentals of Acoustic Emission Testing"

19、;, Section 1, "Non-Destructive Testing Handbook - Vol. 5 - Acoustic Emission Testing", Ed. by R.K. Miller and P. McIntire, 2nd Edition, ASNT 1987, pp.12-142 H. Kusanagi, H. Kimura and H. Saskai. Stress Effect on the Magnitude of Acoustic Emission During Magnetization of Ferromagnetic Mater

20、ials", Journal of Applied Physics,3 E. Howells. "Acoustic Emission Detection of Partial Discharge in Power Transformed', EPRI Report #EL-4009, August 1985.4 M.N. Bassim. "Macroscopic Origins of Acoustic Emission", Section 2, "Non-Destructive Testing Handbook -Vol. 5 - Acoustic Emission Testing", Ed. by R.K. Miller and P. McIntire, 2nd Edition, ASNT 1987, pp.