阅读说明：本技术 核电厂管道热疲劳监测系统 (Nuclear power plant pipeline thermal fatigue monitoring system ) 是由 朱斌 赵岩 顾政 陈志林 陈忻 安英辉 薛飞 李晓蔚 王春辉 张彦召 余伟炜 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种核电厂管道热疲劳监测系统，包括安装于安全壳内一回路管道上的疲劳监测传感器组件、安装于安全壳内的数据采集单元、安装于安全壳外的光电转换单元和监视与分析评估单元；所述疲劳监测传感器组件包括热电偶、套设在部分所述热电偶上的金属编织软管、将所述热电偶安装在管道上的安装支架以及将热电偶固定在所述安装支架上的滑块；所述数据采集单元包括环境传感器，所述数据采集单元用于接收疲劳监测传感器组件及环境传感器所测得的模拟信号，并将其转换为数字信号后输出；所述光电转换单元用于接收所述数字信号并将其转化为光信号，输送给监视与分析评估单元；所述监视与分析评估单元用于接收所述光信号并进行热疲劳的监视和分析评估。(The invention discloses a thermal fatigue monitoring system for a nuclear power plant pipeline, which comprises a fatigue monitoring sensor assembly, a data acquisition unit, a photoelectric conversion unit and a monitoring and analyzing and evaluating unit, wherein the fatigue monitoring sensor assembly is arranged on a loop pipeline in a containment vessel; the fatigue monitoring sensor assembly comprises a thermocouple, a metal braided hose sleeved on part of the thermocouple, a mounting bracket for mounting the thermocouple on a pipeline and a sliding block for fixing the thermocouple on the mounting bracket; the data acquisition unit comprises an environmental sensor and is used for receiving analog signals measured by the fatigue monitoring sensor assembly and the environmental sensor, converting the analog signals into digital signals and outputting the digital signals; the photoelectric conversion unit is used for receiving the digital signal, converting the digital signal into an optical signal and transmitting the optical signal to the monitoring and analyzing and evaluating unit; the monitoring and analyzing and evaluating unit is used for receiving the optical signal and carrying out monitoring and analyzing and evaluating of thermal fatigue.)

核电厂管道热疲劳监测系统

技术领域

本发明核电厂管道热疲劳监测技术领域，具体涉及一种适用于在役核电厂一回路辅助管道的热疲劳监测系统。

背景技术

热疲劳是导致核电厂一回路管道裂纹的重要机理，且该机理未在最初设计基准瞬态中予以完全考虑，这给核电厂长期安全运行带来了较大的隐患。随着一回路管道热疲劳事件的不断发生，国外核电监管机构在此方面给予了足够的重视：德国等欧洲国家已将热疲劳监测和评估写入核安全法规，美国NRC要求各核电厂安装监测仪表对热疲劳损伤进行监测与评价，中国国家核***也提出必须关注一回路管道的热疲劳问题，并要求核电厂进行有效管理。因此，针对核电厂管道进行热疲劳监测技术研究与开发，对预测和预防热疲劳事件的发生具有重要意义。

现有方式通常利用核电厂原设计传感器监测一回路管道中发生的瞬态，并结合最大允许瞬态发生次数，来计算疲劳累积使用因子，以此来评估一回路管道的疲劳状态。由于这些传感器设计之初并非为了监测管道的热疲劳现象，因此，这种方式存在一些较为明显的弊端：(1)测点位置少，且不具有针对性，不能覆盖热疲劳敏感管段和位置；(2)传感器为单点式，无法监测热分层、热冲击等热疲劳现象；(3)采集数据量少，难以支撑对疲劳的详细分析与评估。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种能应用于在役核电厂一回路辅助管道上的热疲劳监测系统。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种核电厂管道热疲劳监测系统，包括安装于安全壳内一回路管道上的疲劳监测传感器组件、安装于安全壳内的数据采集单元、安装于安全壳外的光电转换单元和监视与分析评估单元，所述疲劳监测传感器组件和数据采集单元之间通过补偿电缆连接，所述数据采集单元与光电转换单元之间通过电气贯穿件连接，所述光电转换单元的发射端和接收端之间通过光缆连接，所述光电转换单元与监视与评估单元之间通过网线连接；所述疲劳监测传感器组件包括热电偶、套设在部分所述热电偶上的金属编织软管、将所述热电偶安装在管道上的安装支架以及将热电偶固定在所述安装支架上的滑块；所述数据采集单元包括环境传感器，所述数据采集单元用于接收疲劳监测传感器组件及环境传感器所测得的模拟信号，并将其转换为数字信号后输出；所述光电转换单元用于接收所述数字信号并将其转化为光信号，输送给监视与分析评估单元；所述监视与分析评估单元用于接收所述光信号并进行热疲劳的监视和分析评估。

优选地，所述安装支架包括与金属编织软管的一端相连接的连接短管、与所述连接短管连接的钢带以及连接所述钢带两端的连接扣，所述钢带上开设有容纳所述热电偶的通槽，所述通槽的延伸方向与所述钢带的延伸方向相同。

更加优选地，所述钢带的热膨胀系数与待测管道的热膨胀系数相同。

更加优选地，所述滑块包括下滑块和盖板，所述下滑块和盖板之间形成有供所述热电偶穿过的弧形槽，所述下滑块上开设有用于供所述钢带贯穿的矩形通孔以及供所述热电偶的探头贯穿的圆形通孔，所述圆形通孔沿所述下滑块的高度方向贯穿，所述圆形通孔的延伸方向与矩形通孔的延伸方向垂直。

进一步优选地，所述下滑块和盖板上均对应开设有螺纹孔，所述螺纹孔向下延伸至所述矩形通孔。

优选地，所述补偿电缆的正负极导体材质与所述热电偶的偶材材质相同，所述补偿电缆的非金属部分能够耐受至少250kGy的累积辐照剂量。

优选地，所述数据采集单元包括金属外壳以及位于金属外壳内的数据采集模块、电源模块、网络模块、存储模块、所述的环境传感器和第一电力载波模块。

更加优选地，所述疲劳监测传感器组件及环境传感器所测得的模拟信号转换为数字信号后，所述第一电力载波模块用于将该数字信号加载于交流电上并由电气贯穿件输出。

优选地，所述光电转换单元的发射端的内部设有用于将加载在交流电上的信号再次解析成数字信号的第二电力载波模块以及将该数字信号转化为光信号的光电转换模块；所述接收端用于将该光信号转换为数字信号并传输给监视与分析评估单元。

优选地，所述监视与分析评估单元包括磁盘阵列、服务器、显示器以及交换机，所述磁盘阵列用于实现对采集的数据进行存储和物理冗余备份，所述服务器用于运行热疲劳监视及热疲劳分析评估软件，所述显示器用于显示结果。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的核电厂管道热疲劳监测系统，采用在一回路管道上安装疲劳监测传感器组件的方式测得管道内流体的温度梯度数据，测得的数据经数据采集单元模数转换后，传输给光电转换单元并进行光电转化后，提供给监视和分析评估单元存储和动态监视，适用于在役压水堆核电厂的管道热疲劳监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中核电厂管道热疲劳监测系统整体结构示意图；

图2为本发明优选实施例中不同测量目的下传感器组件的形式示意图；

图3为本发明优选实施例中疲劳监测传感器组件的结构示意图；

图4为本发明优选实施例中滑块结构的示意图；

图5为本发明优选实施例中安装支架的主视图；

图6为本发明优选实施例中钢带结构的示意图；

图7为本发明优选实施例中数据采集单元内部的结构示意图；

图8为本发明优选实施例中数据采集单元内部的网络连接示意图；

图9为本发明优选实施例中光电转换单元的结构示意图；

图10为本发明优选实施例中监视与评估单元的结构示意图；

图11为本发明优选实施例中热疲劳监视及热疲劳分析评估软件架构；

其中：疲劳监测传感器组件-1，热电偶-11，滑块-12，下滑块-121，矩形通孔-1211，圆形通孔-1212，弧形槽-1213，盖板-122，螺纹孔-123，金属编织软管-13，螺母-131，安装支架-14，连接短管-141，螺纹-1411，钢带-142，通槽-1421，连接扣-143，数据采集单元-2，金属外壳-21，数据采集模块-22，电源模块-23，网络模块-24，存储模块-25，环境传感器-26，第一电力载波模块-27，光电转换单元-3，发射端-31，接收端-32，光纤收发器-33，光纤熔接盒-34，监视与分析评估单元-4，磁盘阵列-41，服务器-42，显示器-43，交换机-44，补偿电缆-5，网线-6,光缆-7。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例的核电厂管道热疲劳监测系统，包括疲劳监测传感器组件1、数据采集单元2、光电转换单元3和监视与分析评估单元4，疲劳监测传感器组件1和数据采集单元2之间通过补偿电缆5连接，数据采集单元2与光电转换单元3之间通过电气贯穿件连接，光电转换单元3包括发射端31和接收端32，发射端31和接收端32光缆7连接，光电转换单元3和监视与评估单元之间通过网线6连接。

其中，疲劳监测传感器组件1安装于安全壳内一回路辅助管道热疲劳敏感点上，用于监测管道径向圆周方向上的温度梯度分布；数据采集单元2安装于安全壳内外环廊低辐照区，用于接收疲劳监测传感器组件1及数据采集单元2中的环境传感器26所测得的模拟信号，并将其转换为数字信号，数字信号经电力载波技术加载在交流电上由电气贯穿件输出；光电转换单元3安装于安全壳外，用于解析加载在交流电上的温度数据，并将接收到的数字信号转化为光信号，实现长距离传输，保证安全壳内外设备之间高速可靠的通信；监视与分析评估单元4安装于控制室，其由服务器42、磁盘阵列41、交换机44和监视器组成，用于接收信号并进行计算等，可实现系统状态及疲劳数据的在线实施监控和存储，并可将数据导入疲劳分析评估模块，进行管道疲劳损伤评价。

如图1-11所示，本实施例中的疲劳监测传感器组件1、数据采集单元2、光电转换单元3和监视与分析评估单元4的具体结构如下：

1.疲劳监测传感器组件1

如图2-6所示，疲劳监测传感器组件1包括N型铠装热电偶11、套设在部分热电偶11上的金属编织软管13、将热电偶11安装在管道上的安装支架14以及将热电偶11固定在安装支架14上的滑块12。

其中，N型铠装热电偶11由测量探头、延长线及航空连接件组成。其中测量探头为INCONEL600材质包裹的N型热电偶11，偶材材质为镍铬-镍硅，内部填充MgO绝缘，探头精度可达1级，能长期运行在高温(400℃)高辐照(累积剂量250kGy)环境下；延长线及航空连接件内部的导体材质与探头内偶材一致，绝缘层为PEEK(聚醚醚酮)，具有良好的耐辐照和耐老化性能。

金属编织软管13，包括配合螺母131和金属管部分，螺母131用于与安装支架14连接，对热电偶11起到导引和保护的作用。金属编织软管13为不锈钢材质，能够满足现场高温高辐照的应用条件。由于金属编织软管13具有较好的柔性，因此，能够适应保温层微错位、保温孔倾斜等工况产生的应力，同时能够对穿过其中的热电偶11形成良好的保护。

如图5-6所示，安装支架14包括连接短管141、不锈钢带142和可调快速连接扣143组成。其中，连接短管141为上端带螺纹1411(用于与金属编织软管13的配合螺母131相连)且侧面开设有缺口(用于穿过热电偶11)。连接短管141通过堆焊的方式焊接在不锈钢带142上，不锈钢带142为中间开有通槽1421的薄片结构，通槽1421用于穿过热电偶11，不锈钢带142的整体可以以环抱的方式安装在核电厂一回路管道上，并通过可调快速连接扣143固定和调节松紧。

如图4所示，其中图4a为滑块12的主视图，图4b为滑块12的俯视图，图4c为滑块12的侧视图。滑块12包括用于穿过不锈钢带142和热电偶11的下滑块121和用于与下滑块121配合固定热电偶11的盖板122两部分组成。其中，下滑块121上开设有矩形通孔1211，用于不锈钢带142穿入，下滑块121的中间开设有贯穿其高度的圆形通孔1212，用于***N型铠装热电偶11探头，矩形通孔1211和圆形通孔1212垂直设置。下滑块121和盖板122上相对开设有弧形槽1213，两个弧形槽1213组合后形成圆形槽，探头的后端经圆形槽后引出，并通过盖板122压紧固定。本实施例中的盖板122和下滑块121上均对应开设有螺纹孔123，螺纹孔123延伸至矩形通孔1211处，盖板122上的螺栓可顶至矩形通孔1211处，实现滑块12与不锈钢带142之间的相对固定。如此设计，可在钢带142上灵活增加热电偶11及滑块12数量，并可随意调节测量位置，从而实现集约化。

本实施例中的补偿电缆5正负极导体材质与热电偶11的偶材材质一致，补偿电缆5的绝缘护套等非金属部分为低烟无卤阻燃材料，且具备250kGy以上累积辐照剂量耐受能力，能够在核电厂安全壳内高辐照区域长期运行。

本实施例中的传感器组件整体具有良好的线性、较高的精度和稳定性，在高辐照环境下，能够在不破坏一回路管道结构完整性的前提下，实现对管道径向圆周温度分布的长期准确监测。且本实施例中的传感器组件能够根据不同热疲劳机理灵活设置不同数量和角度的热电偶11如图2所示，可针对性的监测热分层(2a)、湍流渗入(2b)、热冲击(2c)等。图2中，当检测热分层时，待测管道上分布有7个热电偶11探头，从截面上看，每个探头之间的夹角为30°，如图2a；当检测湍流渗入时，待测管道上分布有4个热电偶11探头，从截面上看，每个探头之间的夹角为90°，如图2b；当检测热分层时，待测管道上分布有2个热电偶11探头，从截面上看，每个探头之间的夹角为180°，如图2c。

为保证传感器组件测量部位在管道热胀冷缩时始终能与管道壁紧密贴合，并防止崩开，传感器组件中与管道贴合的钢带142选用的材料保持和管道材质一致，从而保证相同的热膨胀系数。

2.数据采集单元2

如图7所示，数据采集单元2采用铅芯不锈钢金属外壳21，在具备较强的机械强度的同时，兼具良好的电磁屏蔽性能和对伽玛射线的屏蔽性能，能够对内部模块形成有效保护。外壳内集成有数据采集模块22、电源模块23、网络模块24、就地存储模块25、就地环境传感器26、第一电力载波模块27。数据采集单元2内部模块之间的网络联接为增强型环形网络，当网络中存在单节点故障时，网络仍能正常通讯，保证了网络的鲁棒性。

其中，数据采集模块22之间采用自协商机制，在单个模块故障之后，可自动切换至备用模块，实现数据的不间断采集；电源模块23采用1:1冗余设计,可实现在单路故障情况下，自动切换；就地存储模块25用于数据采集单元2与安全壳外设备失去通讯，无法进行数据传输时，就地存储热疲劳监测数据，存储时长大于18个月，保障了数据的安全性；就地环境监测传感器安装在数据采集单元2外壳内部，用于监测设备内部温度、辐照参数，可实现就地采集单元远程内部环境监测，当该设备出现故障时，可以辅助进行故障分析；第一电力载波模块27用于将数字信号经电力载波技术加载在交流电上由电气贯穿件输出，克服了电气贯穿件用于以太网通信存在的传输带宽窄、可靠性低以及抗干扰能力差的缺点。图8为数据采集单元2内部的网络连接示意图。数据采集模块22有多个子模块组成,子模块之间相互独立,通过总线进行通讯,数据采集模块之间以及交换机通过网线相互串联，形成环形网络机构，当网络中存在单节点故障时，网络仍能正常通讯；就地采集模块通过网线单独联接至交换机，保证与安全壳外设备失去通讯时，实现就地存储；交换机与电力载波单元之间通过网线联接，电力载波单元将数据信号加载在交流电上，实现安全壳内外数据的可靠传输。

3.光电转换单元3

如图9所示，光电转换单元3包括发射端31(图9a)和接收端32(图9b)，中间通过光缆7相连。发射端31和接收端32均包括光纤收发器33和光纤熔接盒34。发射端31安装于安全壳外侧，其内部设有第二电力载波模块，可将加载在交流电上的温度数据再次解析成数字信号，数字信号通过光电转换模块转化为光信号，实现长距离传输；接收端32安装于控制室内，可将光信号再次转换为数字信号，并传输给监视与分析评估单元4。

4.监视与分析评估单元4

如图10所示，监视与评估单元包括磁盘阵列41、服务器42、显示器43和交换机44。其中，磁盘阵列41可以实现对采集数据的存储和物理冗余备份；服务器42进行计算和运行热疲劳监视及热疲劳分析评估软件，并通过显示器43进行监视和操作。其中热疲劳监视功能包含一方面可实现对管道疲劳监测状态的三维动态监控，另一方面可以实现采集数据的数据库录入和读取；疲劳分析评估功能可以调取数据库中数据进行管道疲劳状态的分析和评估。其中，热疲劳监视及热疲劳分析评估软件架构如图11所示，热疲劳监视及热疲劳分析评估软件各模块功能描述如下：

热疲劳监视模块：

(1)主监视模块:包含窗口切换按钮、实时报警信息栏及主监视界面。通过三维模型的方式实时监视所有疲劳监测传感器组件在一回路管道上的具***置及运行状态，显示疲劳监测传感器类型及实施测量的温度梯度数据，并绘制温度波动曲线。

(2)热疲劳数据动态监控模块：为列表形式，实时显示温度传感器的测量数据、状态以及功能位置等；

(3)疲劳数据查询和导出模块：可对疲劳监测传感器组件测得的快照数据和插补数据进行查询和导出，用于疲劳分析评估。

(4)系统故障诊断模块：可在线监视系统状态，当系统中某个设备(如模块)发生故障时，系统会自动报警，并显示故障模块的具***置，并初步给出故障分析结果。

(5)报警信息显示与记录模块：对产生的异常和故障进行实时报警，并通过历史数据库对报警信息进行记录，方便故障排查和实践追溯。

(6)系统在线试验模块：能够通过系统开展核电厂常规试验，如交叉对比试验，通道校验等。

热疲劳分析评估模块

(1)基于瞬态周期统计的疲劳评估模块：该模块通过雨流法进行温度范围分类，完成核电厂每次运行循环后的管道特性趋势分析。

(2)基于瞬态的疲劳评估模块：该模块基于瞬态周期统计的疲劳评估模块识别出的循环周期，结合核电厂原疲劳设计分析报告，能够计算出管道的疲劳累积使用因子。

(3)基于应力快速疲劳评估模块：该模块基于局部应力法，采用单元瞬态进行热载荷扫描，根据弹性分析进行循环应力计算，最后根据设计疲劳曲线计算管道的疲劳累积使用因子。

本实施例中的疲劳监测传感器组件1、数据采集单元2、光电转换单元3和监视与分析评估单元4外壳均有激光雕刻的二维码，通过二维码可实现对本系统设备的数字化管理。

以上实施例中未有特别说明的部件、结构、操作方法、原理采用本领域的公知或常规的手段与条件。

本发明的核电厂管道热疲劳监测系统，其主要是由疲劳监测传感器组件、数据采集单元、光电转换单元、监视和分析评估单元组成的硬件系统构成。该系统采用在一回路管道上安装疲劳监测传感器组件的方式测得管道内流体的温度梯度数据，测得的数据经数据采集单元模数转换后，通过电力载波技术传输经电气贯穿件传安全壳外，并进行光电转化后，提供给监视和分析评估单元存储和动态监视，另外数据可导入分析评估模块，通过基于瞬态周期统计的疲劳评估模块、基于瞬态的疲劳评估模块、基于应力快速疲劳评估模块3个功能模块，可根据不同需求进行不同程度的管道热疲劳损伤状态的评估，并且可以计算出管道的热疲劳累积使用因子，可以适用于在役压水堆核电厂的管道热疲劳监测。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。