Развитие теории и создание высокоэффективных программно-алгоритмических средств электромагнитной дефектоскопии оборудования атомной энергетики (30.11.2010)

Автор: Лунин Валерий Павлович

ЛУНИН Валерий Павлович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И СОЗДАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2010 Работа выполнена на кафедре Электротехники и Интроскопии Московского энергетического института (Технического Университета)

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Кузнецов Н.С.

Доктор технических наук, профессор Шелихов Г.С.

Доктор технических наук, профессор Шкатов П.Н.

Ведущая организация:

ЗАО НИИИН МНПО “Спектр”, Москва

Защита диссертации состоится 15 февраля 2011 г. в _______ на заседании диссертационного совета Д212.119.01 Московского Государственного Университета Приборостроения и Информатики по адресу: 107996, Москва, ул. Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Автореферат разослан ________________ 2011 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.119. 01

д.т.н., профессор В.В.Филинов ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования связана со следующими обстоятельствами:

в последние годы существенно возросли потребности в надежных средствах определения технического состояния эксплуатируемых энергетических объектов повышенной опасности (в первую очередь, оборудования атомных электростанций) с целью оценки их остаточного ресурса, что обусловлено потребностями в их более рациональном использовании;

анализ статистических данных об аварийных ситуациях на этих сооружениях за последние десятилетия выявляет тенденцию к их росту, что, учитывая все возрастающее количество таких объектов, не может не вызывать обоснованного беспокойства.

Противостоять этой тенденции можно с помощью создания надежных систем неразрушающего контроля и диагностики, предназначенных для оценки технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса оборудования путем мониторинга опасных зон и отслеживания динамики изменения параметров, свидетельствующих о происходящих изменениях в состоянии конструкционных материалов.

Одной из самых актуальных проблем мировой атомной энергетики является задача обеспечения высокой эксплуатационной надежности и безопасности элементов ядеpных энеpгетических установок, в частности, теплообменных труб парогенераторов АЭС. Ввиду того, что парогенераторы АЭС pаботают в напpяженных pежимах, обеспечивающих их экономическую эффективность, теплообменные тpубы эксплуатиpуютcя в условиях больших плотностей энеpговыделения, высоких pабочих темпеpатуp, значительных механических нагpузок, в контакте с агpессивными сpедами. Поэтому выход из стpоя отдельных труб может пpивести к нанесению ущеpба здоpовью обслуживающего пеpсонала АЭС, экономическим потеpям от остановки энеpгоблоков и pадиоактивному заpажению окpужающей сpеды. Поэтому необходимо систематически контpолиpовать теплообменные тpубы во вpемя эксплуатации.

Среди разнообразных видов неразрушающего контроля для оценки технического состояния объектов, выявления и оценки параметров дефектов успешно применяют электромагнитного методы, основанные на взаимодействии поля с контролируемым изделием (электроемкостный, электропотенциальный, магнитный, вихретоковый).

Под прямой задачей электромагнитного контроля понимается задача анализа распределения (перераспределения) электромагнитного поля, обусловленного наличием в изделии неоднородности (дефекта) с аномальными значениями электрической проводимости, диэлектрической и/или магнитной проницаемости, задача определения показаний соответствующих датчиков поля. В основе решения прямой задачи лежит теория электромагнитного поля. Проблемами анализа электромагнитных полей занимались Ю.А.Бахвалов, Г.А.Гринберг, К.С.Демирчян, А.В.Иванов-Смоленский, Э.В.Колесников, П.А.Курбатов, И.Д.Маергойз, Л.Р.Нейман, К.М.Поливанов, О.В.Тозони, В.Л.Чечурин.

Под обратной задачей понимается задача обнаружения и определения геометрических и/или электрофизических параметров неоднородности в контролируемом изделии по измеренному полю в некоторой ограниченной области пространства (как правило, в окрестности этой неоднородности). Теоретические проблемы электромагнитных методов контроля исследовались в фундаментальных работах отечественных ученых В.Г.Герасимова, Н.Н.Зацепина, В.В.Клюева, В.Ф.Мужицкого, А.Д.Покровского, Ю.И.Стеблева, В.В.Сухорукова, Ю.К.Федосенко, В.Е.Шатерникова, Ю.М.Шкарлета, П.Н.Шкатова, В.Е.Щербинина, а также ряда зарубежных исследователей William Lord (Iowa State University, USA), Satish Udpa (Michigan State University, USA), David Atherton (Montreal State University, Canada), Kenzo Miya (Nuclear Engineering Research Laboratory, Japan), Friedrih Foerster (Foerster’s Institute, Germany) и др.

Вместе с тем, потенциальные возможности электромагнитного контроля использованы далеко не полностью. Недостаточное теоретическое исследование физических явлений при электромагнитном контроле оказывает негативное влияние на качество проектирования средств электроемкостного, электропотенциального, магнитного и вихретокового видов контроля. Сложность анализа этих явлений, а также обработки сигналов объясняются сложностью и разнообразием геометpических фоpм как самих исследуемых объектов, так и выявляемых дефектов, в необходимости учета нелинейности свойств как контролируемых матеpиалов и комплектующих элементов преобразователей.

Диссертационная работа посвящена разработке методологии и соответствующего математического инструментария для решения прямых и обратных задач электромагнитного контроля. При постановке вычислительных экспериментов и при разработке инструментария используются материалы теоретических и экспериментальных исследований. Методология опирается на современные технологии, предусматривающие использование адекватных математических моделей процедур электромагнитного контроля, эффективных алгоритмов анализа экспериментальных данных и на принципы создания проблемно-ориентированных программных комплексов, характеризующихся интегрированностью информационных, моделирующих и интерфейсных компонент. Это дает возможность инженеру исследовать характер взаимодействия электромагнитного поля с изделием, при наличие в нем дефектов, судить о достоинствах того или иного метода контроля и его ограничениях, выбрать наилучшие условия организации процедуры контроля, спроектировать конструкцию преобразователя в конкретной задаче, а также обоснованно задать программу анализа сигналов и принятия решения.

Среди методов численного моделирования выделяется метод конечных элементов, позволяющий использование треугольных (в двумерных задачах) и тетраэдральных (в трехмерных) сеток. Он имеет значительные преимущества благодаря возможности построения нерегулярных сгущающихся и разрежающихся сеток, а также учета сложной трехмерной геометрии исследуемого изделия и аппроксимации граничных условий.

Однако применение стандартных вычислительных конечно-элементных схем для решения сложных трехмерных задач электромагнитного контроля требует больших вычислительных затрат. Это приводит либо к большой погрешности решения из-за использования недостаточно подробной сетки, либо к чрезмерно большой стоимости получаемого решения важнейших практических задач. Предложенные в диссертационной работе подходы к конечно-элементному моделированию с выделением двумерной части поля, как основной, позволяют при решении многих трехмерных задач снизить вычислительные затраты и тем самым делают эти задачи доступными для решения с высокой точностью при относительно небольших вычислительных затратах. В работе построены основанные на таких подходах конечно-элементные схемы моделирования электромагнитных полей с источниками в виде статических зарядов электродов (электроемкостный метод), заданного распределения потенциала на границах проводящего изделия (электропотенциальный метод), постоянных магнитов и катушек с током (магнитный и вихретоковый контроль).

При численном решении обратных задач электромагнитного контроля до настоящего времени использовались различные методы: метод калибровочных характеристик, реже - метод обращения матриц. Однако в целом эти методы нельзя назвать удовлетворительными, так как они требуют отсутствия шума в исходных данных и отличаются низкой устойчивостью. К настоящему времени наиболее удовлетворительные результаты при численном решении обратных задач были получены методом минимизации целевого функционала невязки измеренных и рассчитанных данных.

Таким образом, серьезного внимания требует создание и обоснование новых алгоритмов обработки, анализа и интерпретации данных электромагнитного контроля, регистрируемых соответствующими датчиками. Разработка способов классификации и параметризации дефектов в настоящее время нередко базируется на экспериментальных исследованиях и поиске взаимосвязи между характеристиками искомого дефекта и параметрами сигналов, полученных в результате взаимодействия поля с контролируемым изделием. Как правило, подобный анализ данных представляет собой весьма трудоемкий процесс, поскольку данные задаются в многомерном пространстве признаков, при этом классы имеют границы очень сложной формы, а порой и существенно перекрываются. Во многих случаях анализ значительно усложняется из-за наличия в измерениях заметного шума.

В течение последних десятилетий интенсивно развивается новая технология анализа данных, основанная на применении искусственных нейронных сетей. Их отличительной чертой является способность обучаться на примерах и обобщать полученную информацию, невосприимчивость к шуму и присущая им параллельность архитектуры. Все это делает нейросетевой подход крайне привлекательным для решения таких сложных задач электромагнитного контроля, как классификация и параметризация дефектов в условиях шума, а также неполных и противоречивых данных. На практике нейронные сети могут быть использованы для создания автоматизированных систем обработки, не требующих участия экспертов высокой квалификации.

Однако при решении задач классификации и параметризации дефектов по экспериментальным сигналам с помощью традиционных нейросетевых подходов существует ряд важных недостатков (сложности при классификации данных с перекрывающимися границами, субъективность при выборе архитектуры сети, возможность попадания в локальный минимум при обучении).

Научная проблема

Научной проблемой, решению которой посвящена диссертационная работа, является задача построения, теоретического обоснования и программной реализации эффективных процедур численного моделирования электромагнитных процессов и интерпретации сигналов, лежащих в основе решения прямых и обратных задач электромагнитного контроля, с целью проведения высокоточных расчетов диагностических сигналов датчиков поля, обнаружения и оценки геометрических параметров дефектов.

Решение научной проблемы базируется на разработанных применительно к задачам электромагнитной дефектоскопии трехмерных математических моделях, описывающих взаимодействие первичных преобразователей поля с изделиями, содержащими дефекты. На основе исследования закономерностей распределения электрических и магнитных полей в окрестности дефектов и анализа выходных характеристик преобразователей разработаны новые, более эффективные алгоритмы анализа экспериментальных данных контроля.

Цель исследования

Цель исследования состоит в развитии теории и создании методик и алгоритмов моделирования электромагнитного поля методом конечных элементов, позволяющих снизить время численных расчетов полей в большинстве классов задач контроля, а также в разработке новых подходов к интерпретации данных контроля на основе анализа диагностических сигналов.


загрузка...