本发明属于核电厂安全技术领域，具体涉及一种管道三通区域在线疲劳寿命监测装置及方法。
背景技术：
随着核电厂运行时间的延长，由于受到冷热流体混合流、实际运行参数与设计数据的不同、核电厂运行模式变化、材料性能退化等因素的影响，管道三通区域的疲劳失效问题逐渐暴露出来，国内外核电厂已经发生多起由于疲劳造成的管道破坏。从核电厂疲劳开裂发生的部位来看，主要集中于预热排出管线、化学容积控制系统管线、给水管线等部位。目前管道三通区域疲劳监测方法是根据管道入口温度、压力、流量等测量数据，利用事先在实验室条件下开发的入口流量、温度与疲劳监测截面顶底温差的对应关系，确定监测区域温度数据，以此来计算监测点的应力，完成管道三通区域疲劳寿命评价，但评价结果过于保守，且难以对三通湍流渗透区的疲劳寿命进行评价。通过管道三通区域在线疲劳监测装置及方法，可准确评价管道湍流渗透区及热分层区域的疲劳寿命。
现有的管道三通区域在线疲劳监测方法以三通区域主管道入口温度、流量等测量数据与支管入口温度、流量测量数据为输入，根据三通区域顶底温度处理模块，也即通过事先开发的入口边界(温度、流量)与关注部位顶底温差的对应关系，确定监测点所在截面顶底温度数据，并利用监测点应力计算模块，将温度数据转换为监测点的应力变化历程，随后依据规范要求，完成管道三通区域疲劳寿命评价。由于三通管道疲劳敏感区域存在湍流渗透区及热分层区，现有管道三通区域在线疲劳监测方法虽然可以完成热分层区域的疲劳寿命在线评价，但在把入口温度、流量数据转换为监测点所在截面顶底温差时，将二者对应关系包络处理为分段函数，导致该区域疲劳评价结果过于保守。同时，由于湍流渗透区的温度变化幅度及频率存在较大的随机性，如果不对该区域的管道外壁面温度进行测量，现有的处理方法难以获得该区域的疲劳寿命。此外，现有的管道疲劳监测系统是基于已知的入口边界条件(流量、温度等)，对于阀门漏流引起的管道三通混合流区域，由于阀门漏流流量无法获取，导致用此方法不能得到该区域的疲劳寿命评价数据。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种管道三通区域在线疲劳寿命监测装置及方法，可解决现有核电厂中管道三通区域在线疲劳寿命保守裕量大、对象不全面等问题，实现核电厂管道三通区域疲劳寿命的准确、全面实时评价。
本发明的技术方案如下：一种管道三通区域在线疲劳寿命监测装置，该监测装置包括管道区域压力测量装置、管道外壁面温度测量装置、服务器、管道内壁面温度计算模块、温度测量数据统计分析模块以及监测点应力计算模块，其中，管道区域压力测量装置和管道外壁面温度测量装置均与服务器相连，并将管道区域压力测量装置测量的管道系统内压力值以及管道外壁面温度测量装置测量的管道外壁面温度值输入服务器，与服务器相连接的管道内壁温度计算模块可将管道外壁面温度测量装置中的温度转换为管道内壁面温度，并通过与管道内壁温度计算模块相连接的温度测量数据统计分析模块进行分类识别，形成温度范围与次数的矩阵表，与温度测量数据统计分析模块相连接的监测点应力计算模块对温度测量数据统计分析模块传送的矩阵表式的温度统计结果转化为监测点的应力值，并传送至与监测点应力计算模块相连接的管道三通区疲劳寿命评价系统。
所述的管道外壁面温度测量装置确定湍流渗透区域所处位置d，并在该区域沿支管方向x距离处4个等间距截面顶底各布置一个温度计，并在后续选取2倍间距的3个截面处在对称截面处90°、0°、180°三个点各布置1个温度计，用于测量管道外壁面温度，其中，支管方向x的值通过下式来确定，x＝-D*1.282Ln[6.313(ρ2/ρ1)(u2/u1)2]，其中ρ1为主管道内流体密度，ρ2为支管内流体密度，u1为主管道内流体流量，u1为支路管道流体流量；位置d通过下式来确定，其中，u1为主管道内流体流量，u1为支路管道流体流量。
所述的管道内壁面温度计算模块可将管道三通特定截面外壁面温度测量装置中的温度转换为管道内壁面温度；其以内壁温度与外壁面温度响应作为基准，测量的每一时间步下外壁面温度将与基准进行对比，利用外壁面和内壁面温度的差值与测量结果的线性关系，对内壁面的温度进行修正，由此得出每一时间步下的内表面温度。
所述的温度测量数据统计分析模块可对管道内壁温度计算模块中的数据分类识别，对温度变化数据进行雨流法统计，完成对温度范围的识别、计数和分类，形成温度范围与次数的矩阵表。
所述的监测点应力计算模块包括热分层区应力计算模块以及湍流渗透区应力计算子模块，其中，热分层区应力计算模块利用测量顶底温差计算监测区域总体弯曲应力及总体环向应力，并利用格林函数计算管道局部环向应力及径向应力，二者应力与压力载荷应力矢量叠加后，得到监测点实际总应力；湍流渗透区应力计算子模块利用温度矩阵表，结合平面应变理论，将温度转换为湍流渗透区监测点应力数据。
所述的管道区域压力测量装置为在支管上游50D的位置所布置的压力表，用以测量管道系统内压力，其中，D为支管内直径。
所述的管道三通区疲劳寿命评价系统可将监测点应力数据转换为累积疲劳损伤系数，并显示任一运行周期内管道三通区域各监测点疲劳寿命。
一种管道三通区域在线疲劳寿命监测方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、采集监测三通区域管道系统内压力以及管道外壁温度；
步骤1.1、采集测量三通区域管道系统内压力；
在三通区域支管上游布置压力表，用于测量管道系统内压力，例如可以在支管上游50D的位置布置压力表，其中，D为支管内直径；
步骤1.2、采集获得管道外壁面温度；
步骤2、将测量获得的管道外壁温度转换为管道内壁面温度；
以内壁温度与外壁面温度响应作为基准，将测量每一时间步下外壁面温度与基准进行对比，利用外壁面和内壁面温度的差值与测量结果的线性关系，对内壁面的温度进行修正，获得每个时间步下的内壁面温度；
步骤3、对测量获得的温度进行识别、分类，并形成温度范围与次数的矩阵表；
根据所测量温度的数据范围,对温度变化数据进行雨流法统计，完成对温度范围的识别、计数和分类，并最终形成温度范围与次数的矩阵表；
步骤4、将温度统计结果转化为监测点的应力值，并进一步转换为累积疲劳损伤系数，实现对任一运行周期内管道三通区域各监测点疲劳寿命的监测。
所述的步骤1.2中采集获得管道外壁面温度的具体步骤为：
步骤1.2.1、确定湍流渗透区域所处位置；
利用公式来确定湍流渗透区所处的位置d，其中，u1为主管道内流体流量，u1为支路管道流体流量；
步骤1.2.2、在管道三通特定截面布置温度计，用于测量管道外壁面温度；
在湍流渗透区域沿支管方向x距离处4个等间距截面顶底各布置一个温度计，并在后续选取2倍间距的3个截面处对称截面处90°、0°、180°三个点各布置1个温度计，用于测量管道外壁面温度。
所述的步骤4具体包括：
步骤4.1、利用温度范围与次数矩阵表，获得湍流渗透区监测点应力数据；
利用温度范围与次数矩阵表，结合平面应变理论，将温度数据转换为湍流渗透区监测点应力数据；
步骤4.2、利用顶底温差获得监测区域总体弯曲应力及总体环向应力，并根据管道局部环向应力及径向应力，获得监测点实际总应力；
利用所测量的顶底温度差计算监测区域总体弯曲应力及总体环向应力，并利用格林函数计算管道局部环向应力及径向应力，二者应力与压力载荷应力矢量叠加后，获得监测点实际总应力；
步骤4.3、将监测点的应力数据转换为累积疲劳损伤系数，实现对各监测点疲劳寿命的监测。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种管道三通区域在线疲劳寿命监测装置及方法，通过管道系统内压力测量装置及管道外壁面温度测量装置，可获得管道内压力参数及管道外壁面实际运行温度，通过导热反演算法将外壁面温度转换为内壁面温度，在温度统计结果的基础上，将温度数据转化为监测点应力数据，实现对管道三通湍流渗透区及热分层区域的疲劳损伤状态的实时评价，该装置及方法具有高精度、全范围、高效率及在线评价等优点。
附图说明
图1为本发明所述的一种管道三通区域在线疲劳寿命监测装置结构示意图；
图中：1、管道区域压力测量装置；2、管道外壁面温度测量装置；3、服务器；4、管道内壁面温度计算模块；5、温度测量数据统计分析模块；6、监测点应力计算模块；7、热分层区应力计算模块；8、湍流渗透区应力计算子模块；9、管道三通区疲劳寿命评价系统。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种管道三通区域在线疲劳寿命监测装置，包括管道区域压力测量装置1、管道外壁面温度测量装置2、服务器3、管道内壁面温度计算模块4、温度测量数据统计分析模块5以及监测点应力计算模块6，其中，管道区域压力测量装置1和管道外壁面温度测量装置2分别与服务器3相连接，使管道区域压力测量装置1测量的管道系统内压力值以及管道外壁面温度测量装置测量的管道外壁面温度值输入服务器3，其中，管道区域压力测量装置1为在支管上游50D(D为支管内直径)的位置所布置的压力表，用以测量管道系统内压力；管道外壁面温度测量装置2确定湍流渗透区域所处位置d，并在该区域沿支管方向x距离处4个等间距截面顶底各布置一个温度计，并在后续选取2倍间距的3个截面处在对称截面处90°、0°、180°三个点各布置1个温度计，用于测量管道外壁面温度，其中，支管方向x的值通过下式来确定，x＝-D*1.282Ln[6.313(ρ2/ρ1)(u2/u1)2]，其中ρ1为主管道内流体密度，ρ2为支管内流体密度，u1为主管道内流体流量，u1为支路管道流体流量；位置d通过下式来确定，其中，u1为主管道内流体流量，u1为支路管道流体流量；服务器3用于获取、处理从管道区域压力测量装置1和管道外壁面温度测量装置2获得的热工数据，并显示监测结果；与服务器3相连接的管道内壁温度计算模块4可将管道外壁面温度测量装置2中的温度转换为管道内壁面温度，并通过与管道内壁温度计算模块4相连接的温度测量数据统计分析模块5进行分类识别，其根据每类数据的范围，对温度变化数据进行雨流法统计，完成对温度范围的识别、计数和分类，形成温度范围与次数的矩阵表；其中，管道内壁面温度计算模块4将管道三通特定截面外壁面温度测量装置2中的温度转换为管道内壁面温度，其处理方法为，以内壁温度(温度变化速率和温度梯度ΔTref)与外壁面温度响应作为基准，测量的每一时间步下(如每秒)外壁面温度将与基准进行对比，利用外壁面和内壁面温度的差值与测量结果的线性关系，对内壁面的温度进行修正，由此可以得出每一时间步下的内表面温度；与温度测量数据统计分析模块5相连接的监测点应力计算模块6包括热分层区应力计算模块7以及湍流渗透区应力计算子模块8，其中，热分层区应力计算模块7利用测量顶底温差计算监测区域总体弯曲应力及总体环向应力，并利用格林函数计算管道局部环向应力及径向应力，二者应力与压力载荷应力矢量叠加后，得到监测点实际总应力；湍流渗透区应力计算子模块8利用温度矩阵表，结合平面应变理论，将温度转换为湍流渗透区监测点应力数据；监测点应力计算模块6利用热分层区应力计算模块7和湍流渗透区应力计算子模块8，对温度测量数据统计分析模块5传送的矩阵表式的温度统计结果转化为监测点的应力值，并传送至与监测点应力计算模块6相连接的管道三通区疲劳寿命评价系统9，其中，管道三通区疲劳寿命评价系统9可将监测点应力数据转换为累积疲劳损伤系数，并显示任一运行周期内管道三通区域各监测点疲劳寿命。
一种管道三通区域在线疲劳寿命监测方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、采集监测三通区域管道系统内压力以及管道外壁温度；
步骤1.1、采集测量三通区域管道系统内压力；
在三通区域支管上游布置压力表，用于测量管道系统内压力，例如可以在支管上游50D的位置布置压力表，其中，D为支管内直径；
步骤1.2、采集获得管道外壁面温度；
步骤1.2.1、确定湍流渗透区域所处位置；
利用公式来确定湍流渗透区所处的位置d，其中，u1为主管道内流体流量，u1为支路管道流体流量；
步骤1.2.2、在管道三通特定截面布置温度计，用于测量管道外壁面温度；
在湍流渗透区域沿支管方向x距离处4个等间距截面顶底各布置一个温度计，并在后续选取2倍间距的3个截面处对称截面处90°、0°、180°三个点各布置1个温度计，用于测量管道外壁面温度；
步骤2、将测量获得的管道外壁温度转换为管道内壁面温度；
以内壁温度与外壁面温度响应作为基准，将测量每一时间步下外壁面温度与基准进行对比，利用外壁面和内壁面温度的差值与测量结果的线性关系，对内壁面的温度进行修正，获得每个时间步下的内壁面温度；
步骤3、对测量获得的温度进行识别、分类，并形成温度范围与次数的矩阵表；
根据所测量温度的数据范围,对温度变化数据进行雨流法统计，完成对温度范围的识别、计数和分类，并最终形成温度范围与次数的矩阵表；
步骤4、将温度统计结果转化为监测点的应力值，并进一步转换为累积疲劳损伤系数，实现对任一运行周期内管道三通区域各监测点疲劳寿命的监测；
步骤4.1、利用温度范围与次数矩阵表，获得湍流渗透区监测点应力数据；
利用温度范围与次数矩阵表，结合平面应变理论，将温度数据转换为湍流渗透区监测点应力数据；
步骤4.2、利用顶底温差获得监测区域总体弯曲应力及总体环向应力，并根据管道局部环向应力及径向应力，获得监测点实际总应力；
利用所测量的顶底温度差计算监测区域总体弯曲应力及总体环向应力，并利用格林函数计算管道局部环向应力及径向应力，二者应力与压力载荷应力矢量叠加后，获得监测点实际总应力；
步骤4.3、将监测点的应力数据转换为累积疲劳损伤系数，实现对各监测点疲劳寿命的监测；
根据ASME规范NB3200要求，将应力数据利用雨流法转换为应力强度循环幅，结合NB3200附录给出设计疲劳曲线得到监测点累积疲劳损伤系数，该系统既可以显示实际疲劳损伤系数，并可以按照指数函数的形式对监测点疲劳寿命做出预测，实现对三通区域各监测点在不同的运行周期内疲劳寿命的监测。