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

Автор: Лунин Валерий Павлович

Таблица 6

Глубина дефекта в % от толщины стенки ТОТ Количество дефектов, выявленных экспертами Кольской АЭС Количество дефектов, выявленных Классификатором из числа дефектов, найденных экспертами Совпадение результатов выявления дефектов экспертами и Классификатором, % Критерий совпадения результатов анализа данных ВТК (по Программе ОПЭ), %

1-й этап 2-й этап 3-й этап 1-й этап 2-й этап 3-й этап

не менее 75% 40 33 38 39 82,5 95,0 97,5 92,5

от 40% до 75% включительно 163 128 162 163 80,5 99,4 100,0 75,0

от 20% до 40% включительно 29 25 28 28 80,6 96,6 96,6 40,0

Проведен расчет отклонений показаний глубин дефектов, полученных с использованием системы контроля Harmonik 210 – AIDA 6.7C (Intercontrole) и PIRATE. Результаты сравнения приведены в таблице 7.

Таблица 7

Глубина дефекта в % от толщины ТОТ Среднее отклонение при оценке по смешанному каналу, % Среднее отклонение при оценке по каналу 130 кГц, %

не менее 75% 17.32 18.19

от 40% до 75% включительно 16.46 17.98

от 20% до 40% включительно 13.15 32.93

В восьмой главе разработан метод инвариантного преобразования параметров-признаков сигнала при неконтролируемом изменении эксплуатационных факторов, пригодный для включения в алгоритмическое обеспечение автоматизированных устройств сбора и анализа измерительных данных электромагнитных датчиков. Метод реализован при создании программного обеспечения для внутритрубного магнитного инспекционного снаряда для контроля магистральных нефтепроводов.

Обеспечить высокую достоверность результатов магнитного контроля, обусловленную значительной стоимостью самого контроля и ответственностью объекта контроля (магистрального трубопровода), а также заданные нормы точности и разрешающей способности можно лишь с помощью строгого согласования алгоритмов анализа данных с конструктивными особенностями измерительной системы, а также предусмотрев в них возможность варьирования условий эксплуатации.

В качестве (неконтролируемых) эксплуатационных факторов, сопровождающих процедуру контроля внутритрубным магнитным дефектоскопом, могут рассматриваться: изменение рабочего зазора между датчиками и внутренней поверхностью трубы в процессе движения (2….7 мм); изменение толщины стенки отдельных труб на различных участках магистрального трубопровода (например, для трубопровода 20’ толщина стенки трубы может варьироваться от 6 до 16 мм, для трубопровода 40’ – от 8 до 20 мм); изменение магнитных свойств ферромагнитного материала трубы в процессе длительной эксплуатации (характеристика B(H) за 20 лет эксплуатации может отличаться от исходной на 20…40%); влияние локальной остаточной намагниченности ферромагнитного материала в областях напряженного состояния металла; изменение скорости движения снаряда внутри трубы (от 0.5 до 4 м/сек).

- эксплуатационный фактор, от влияния которого необходимо отстроиться), на которые эксплуатационный фактор влияет различным образом. Тогда преобразование, инвариантное к изменению эксплуатационного фактора, в общем случае будет иметь вид

В диссертационной работе реализован один из вариантов инвариантного преобразования в виде

выбирались:

строится как интерполяционная по узловым значениям с вариацией контролируемых параметров и эксплуатационного фактора в выбранном диапазоне:

Один из вариантов представления этой функции – нейронная сеть с радиальными базисными функциями с центрами в расчетных узлах.

В заключении отмечаются основные результаты диссертационной работы:

Разработаны научно-методологические положения и соответствующий инструментарий, необходимый при решении прямых и обратных задач электромагнитного контроля с целью создания эффективных диагностических средств на основе использования численного анализа поля, базирующегося на экономичных конечно-элементных вычислительных схемах, алгоритмах анализа измерительных данных и нейросетевых технологиях классификации и оценки геометрических параметров обнаруженных дефектов.

При использовании метода конечных элементов для исследования трехмерных электромагнитных полей в задачах контроля предложена и теоретически обоснована процедура моделирования, базирующаяся на разложении результирующего поля на основное (бездефектное) поле, описываемое двумерной (осесимметричной) краевой задачей, и трехмерное поле влияния неоднородности. Применение этой процедуры позволяет значительно сократить вычислительные затраты (по памяти в 1.5…2.5 раза, по времени счета в 3…12 раз) численной оценки поля влияния контролируемой неоднородности.

Созданные на основе разработанных подходов алгоритмы построения конечно-элементных решений реализованы в программном комплексе MagNum3D, позволяющем упростить и ускорить проведение научных и инженерных исследований при проектировании диагностических систем электромагнитного контроля. Использование комплекса на практике дает возможность исследовать характер взаимодействия электромагнитного поля с объектом, что позволяет судить о достоинствах конкретного метода и его ограничениях, выбрать оптимальные условия организации процедуры контроля, подобрать конструкцию преобразователя для решения конкретной задачи, обоснованно задать программу сбора и анализа сигналов в реальной обстановке. Пакет MagNum3D может быть применен в различных отраслях науки, техники и производства, в частности, в прикладной электротехнике при исследовании и проектировании электротехнических устройств, в электрофизике.

Предложена и обоснована технология проектирования систем классификации и параметризации дефектов на основании результатов исследования зависимости сигналов датчиков от параметров контролируемых дефектов в условиях действия мешающих факторов и помех. Процедура классификации по экспериментальным данным формулируется как задача распознавания образов и сигнал идентифицируется как представитель одного из классов, относящихся к известным типам дефектов и/или, возможно, к некоторым конструктивным элементам контролируемого изделия, являющихся источниками эквивалентных сигналов. Характерная особенность предлагаемой технологии - использование сформированного банка данных, содержащего диагностические сигналы от всех типов дефектов. Этот набор сигналов относится к так называемой обучающей выборке, которая используется для обучения автоматической системы, в основе работы которой заложен алгоритм распознавания.

Разработан и испытан метод компенсации влияния основных мешающих факторов (конструктивных элементов парогенератора и пильгер-шума) на сигнал от дефекта при многочастотном вихретоковом контроле теплообменных труб парогенераторов АЭС. Применение разработанного алгоритма при отстройке от влияния пильгер-шума позволило увеличить соотношение сигнал/шум не менее чем на 6…9 dB, а от влияния дистанционирующих и антивибрационных решеток – на 5…7 dB.

Для задачи магнитного контроля предложен и опробован метод инвариантного преобразования параметров-признаков сигнала при неконтролируемом изменении эксплуатационных факторов, в числе которых рассматривались рабочий зазор между датчиками и внутренней поверхностью трубы в процессе движения снаряда (от 2 до 6 мм), уровень намагниченности и толщина стенки отдельных труб на различных участках магистрального трубопровода (например, для трубопровода 20’ толщина стенки трубы может варьироваться от 6 до 16 мм, для трубопровода 40’ – от 8 до 20 мм), магнитные свойства ферромагнитного материала трубы в процессе длительной эксплуатации, а также скорость движения снаряда внутри трубы (от 0.5 до 4 м/сек). Применение метода к отстройке от случайного изменения намагниченности и толщины трубы обеспечило уменьшение погрешности оценки глубины дефектов в 2…2,5 раза.

Предложена и испытана методика построения иерархического нейросетевого классификатора дефектов по диагностическим сигналам соответствующих датчиков, применимая для задач с плохо разделимыми (перекрывающимися) классами и/или с низким отношением сигнал/помеха во входных данных. Методика предполагает сначала разделить все дефекты на три класса (внешние, сквозные и внутренние), затем внешние и внутренние дефекты разбить на критические (свыше 75% толщины стенки), опасные (от 40% до 75%) и неопасные (до 40%) и, наконец, оценить глубину дефектов. На каждом из этапов настраивалась отдельная нейронная сеть.

На основе выполненных теоретических исследований разработаны и внедрены:

автоматизированный классификатор дефектов по результатам вихретокового контроля теплообменных труб парогенераторов АЭС – программа PIRATE (свидетельство №2007611344 от 28.03.07), прошедшая успешные испытания в режиме штатного контроля и продемонстрировавшая при этом ряд серьезных преимуществ над стандартным программным обеспечением AIDA (Франция), по точности оценки глубины обнаруженных дефектов (погрешность оценки составляет 8…12% от толщины стенки по сравнению с 12…15%), по возможности оценивать осевую длину дефектов, а также по возможности работать в автоматическом режиме;

программа MagNum3D (свидетельство №2007611345 от 28.03.07), с помощью которой были сформированы презентативные базы сигналов как в задаче многочастотного вихретокового контроля теплообменных трубок (база модельных данных состояла из 640-х сигналов на четырех частотах, для дифференциального и абсолютного режима съема), так и в задаче магнитного контроля трубопроводов (420 двумерных сигналов – распределений осевой и азимутальной составляющих магнитной индукции);

алгоритмическое обеспечение внутритрубного магнитного инспекционного снаряда для контроля нефте- и газопроводов, включающее алгоритмы предварительной обработки данных с учетом особенностей конкретной измерительной системы, алгоритмы обнаружения и локализации сигналов от дефектов и конструктивных особенностей трубопровода, нейросетевой алгоритм классификации дефектов трубопровода (трещины, потеря металла, вмятина), в том числе, дефектов сварных швов, а также оценки их глубины и линейных размеров.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в изданиях списка ВАК

В.П.Лунин Феноменологические и алгоритмические методы решения обратных задач электромагнитного контроля // Дефектоскопия. 2006. № 6. с.3-16.

В.П.Лунин Двухшаговый алгоритм конечно-элементного решения задач электромагнитного контроля. Электроемкостный контроль // Дефектоскопия. 2006. № 12. с.3-14.

В.П.Лунин Двухшаговый алгоритм конечно-элементного решения задач электромагнитного контроля. Вихретоковый контроль // Дефектоскопия. 2006. № 12. с.15-26.

В.П.Лунин, А.Г.Жданов, Д.Ю.Лазуткин Нейросетевой классификатор дефектов для многочастотного вихретокового контроля теплообменных труб. - Дефектоскопия, 2007, № 3, с.37-45

В.П.Лунин Современные методы решения обратных задач электромагнитного контроля - Вестник МЭИ. 2003, №1, с.60-66

В.П.Лунин Эффективный алгоритм расчета сигнала преобразователя при вихретоковом контроле труб парогенераторов АЭС // Вестник МЭИ, 2003, №2 с.46-50


загрузка...