本发明涉及压力容器损伤检测领域，尤其是涉及一种压力容器损伤的在线监测及实时健康诊断方法及设备。
背景技术：
压力容器是生产、生活中广泛使用的可能引起燃爆或中毒等危险性较大的特种设备。在役用压力容器由于在设计、制造、安装和运行中存在各种问题而导致异常失效，从而造成突发性破坏事故。对压力容器损伤的定位能够为进一步停机检测提供指导，有效避免灾难性事故发生。传统的压力容器损伤定位方法主要基于统计学原理及安全系数法等可靠性理论来保障压力容器的结构完整性。然而真实服役过程中，压力容器受到各种自然、载荷环境交互作用，这对其服役安全提出新的挑战。一方面，材料固有缺陷、制造缺陷、介质腐蚀等因素都会引起材料制品过度变形和断裂失效。另一方面，服役期间受到的热、光、电、高能辐射、氧化作用都是压力容器失效的诱导因素，亦对其结构完整性带来潜在威胁。对于在役压力容器，在制造、存放、运输和使用过程中的环境、载荷作用将会在结构内部产生目视不可测损伤，这使得结构承载能力的大幅度下降，极易造成压力容器突发破坏而无提前预警。对在役压力容器在线监测可为进一步停机检查、维修等提供指导，降低产品报废带来的经济损失。现有专利申请cn106710648a公开一种核电站反应堆压力容器辐照损伤监控方法，该方法首先测量任意时间点压力容器同一监测部位的辐照损伤后的纳米压痕硬度，然后进行离线分析计算，从而实现安全评估。该方法虽然不需要停机检测，但损伤后的纳米压痕硬度的采集和后续分析计算流程都十分复杂，无法满足实时要求，且无法实现损伤定位。目前，对于压力容器一类复杂结构的健康监测主要集中在常规检测手段上，更是缺乏有效的在线监测方法及设备，无法实现在线监测及损伤定位。研究新的压力容器损伤在线定位技术及设备，将有望保障重大产品服役安全，避免重大事故发生。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压力容器损伤的在线监测及实时健康诊断方法及设备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种压力容器损伤的在线监测及实时健康诊断方法，该方法将压力容器分解为空心圆柱段筒体和空心球形封头，基于坐标变换分别对所述空心圆柱段筒体和空心球形封头进行损伤诊断定位和损伤显示。
进一步地，利用椭圆定位算法或概率成像算法对所述空心圆柱段筒体和空心球形封头分别进行损伤诊断定位。
进一步地，利用柱坐标系下的椭圆定位算法对所述空心圆柱段筒体进行损伤定位，利用球坐标系下的椭圆定位算法对空心球形封头进行损伤诊断定位。
本发明还提供一种实现如所述的压力容器损伤的在线监测及实时健康诊断方法的设备，包括布置于空心圆柱段筒体上的第一信号传感器、布置于空心球形封头上的第二信号传感器、矩阵开关、示波器、放大器、函数发生器和计算机，所述计算机分别连接示波器和函数发生器，所述放大器与函数发生器连接，所述矩阵开关一端分别连接第一信号传感器和第二信号传感器，另一端分别连接放大器和示波器，通过所述矩阵开关的自动切换实现不同激发-接收路径；
所述计算机中存储有信号路由程序、数据信号保存程序和损伤诊断定位程序。
进一步地，所述第一信号传感器和第二信号传感器采用压电陶瓷单元或超声导波传感器。
进一步地，所述第一信号传感器为由多个压电片形成的矩形压电片阵列，所述第二信号传感器为由多个压电片形成的圆形压电片阵列。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将压力容器分为圆柱筒体段和球形封头段两个部分分别进行损伤诊断定位，覆盖整个压力容器，在简化压力容器中导波传导特征的前提下，能够方便地实现整个压力容器的在线损伤诊断定位，检测全面。
(2)本发明针对不同压力容器部位(筒体和封头)进行坐标变换，利用柱坐标、球坐标与笛卡尔坐标的转换关系，将常规基于椭圆的损伤诊断定位方法进行坐标转换，使得损伤定位算法更适用于压力容器一类复杂结构的健康监测及损伤定位，提高定位精度。
(3)本发明利用多通道矩阵开关将不同的信号激发-接收路径分别接通，实现了全自动信号激发、接收、保存及处理，实现了对压力容器损伤的在线定位，在线损伤定位误差小于10％。
(4)本发明可采用陶瓷压电片也可以是非接触的空耦探头激发的超声导波作为信号传感器，有利用提高损伤诊断定位精度。
附图说明
图1为本发明使用的坐标系及陶瓷压电片阵列，其中，(1a)为压力容器圆柱段定位坐标系，(1b)为球形封头段坐标系，(1c)为监测圆柱段压电陶瓷片阵列，(1d)为监测球形封头段压电陶瓷片阵列；
图2为本发明涉及的椭圆定位算法原理图，其中，(2a)为激励-缺陷-接收传感器关系，(2b)为椭圆准则，(2c)为椭圆定位方法；
图3为椭圆定位算法的笛卡尔坐标系示意图；
图4为本发明使用的柱坐标和球坐标示意图，其中(4a)为柱坐标，(4b)为球坐标；
图5为本发明的压力容器损伤在线定位设备结构示意图；
图6为压力容器损伤在线定位结果，其中，(6a)为圆柱段定位结果，(6b)为球形封头段定位结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明实现一种压力容器损伤的在线监测及实时健康诊断方法，该方法将压力容器分解为空心圆柱段筒体和空心球形封头，对空心圆柱段筒体和空心球形封头分别进行损伤诊断定位和损伤显示。在进行损伤诊断定位时，可以利用椭圆定位算法或经过坐标变换的概率成像算法对空心圆柱段筒体和空心球形封头分别执行。
在某些实施例中采用椭圆定位算法进行损伤诊断定位，且为了进一步提高定位精度，对椭圆定位算法进行改进，利用柱坐标系下的椭圆定位算法对空心圆柱段筒体进行损伤诊断定位，利用球坐标系下的椭圆定位算法对空心球形封头进行损伤诊断定位，该分段式损伤诊断定位方法定位精度高，解决了几何不连续结构损伤定位难题，其过程如图1所示。
如图2所示，椭圆成像方法是最常用的损伤成像算法之一，在许多以前的研究中得到了应用，该方法是基于波散射现象来确定缺陷位置。该方法采用了发射器-损伤-传感器的距离的几何关系和散射波传播时间(tof)。时间(tof)、波速度和距离之间的关系可以在平面上产生一个椭圆。图中，t、r分别指激发接收传感器，d代表缺陷。
如图3-图4所示，笛卡尔坐标系下的椭圆方程为：
公式中a(x1,y1)和b(x2,y2)是椭圆两焦点。
考虑一个在圆柱表面的椭圆，圆柱半径为常数r，柱坐标系下，如图(4a)，两个焦点c(θ1,y1,r)和d(θ2,y2,r)之间的距离为：
椭圆长轴距离为：
公式中，cg是波速。
这样，即可确定柱坐标系下椭圆的方程表达式为：
同理，在图(4b)所示的球坐标系下，位于球表面的椭圆方程为：
公式中，def为焦点e(θ1,r1)和f(θ2,r2)之间的距离：
如图5所示为实现上述压力容器损伤的在线监测及实时健康诊断方法的设备，包括布置于空心圆柱段筒体上的第一信号传感器7、布置于空心球形封头上的第二信号传感器8、矩阵开关5、示波器2、放大器4、函数发生器3和计算机1，计算机1分别连接示波器2和函数发生器3，放大器4与函数发生器3连接，矩阵开关5一端分别连接第一信号传感器7和第二信号传感器8，另一端包括总信号输入端和总信号输出端，总信号输入端连接放大器4，总信号输出端连接示波器2，通过矩阵开关5的自动切换实现不同激发-接收路径。计算机1中存储有信号路由程序、数据信号保存程序和损伤诊断定位程序，实现了全自动信号激发、接收、保存及处理。
矩阵开关5在线损伤诊断定位的时候，可以控制不同传感器之间的任意连接，控制不同传感器之间的信号激发-接收模式，通过矩阵开关的全自动控制不同激发-接收传感器路径，生成多路信号，由计算机保存，随后再通过计算机中的分段损伤诊断定位的算法分别实现筒体和封头中的损伤成像。本实施例中，矩阵开关5的通道个数和数据传输率可根据实际需要设定，本实施例中为2×64通道。
在某些实施例中，第一信号传感器7和第二信号传感器8采用压电陶瓷单元或非接触的空耦探头激发的超声导波传感器，所激发信号的频率、赋值等参数可根据具体监测对象调整。
在某些实施例中，第一信号传感器7为由多个埋入压电片形成的矩形压电片阵列，第二信号传感器8为由多个埋入压电片形成的圆形压电片阵列。本实施例中，压力容器的外部直径为300mm，厚度为5mm，封头与筒体长度比为1:1的30crmo，圆柱段所用压电片数目为18片，单个封头段压电片数目为9片。
本实施例中，基于上述设备的损伤在线诊断定位步骤可描述为：
步骤一，按照给定陶瓷压电片传感器粘贴在压力容器圆柱段及封头段，传感器在圆柱段为18片阵列，编号为pzt-0至pzt-17，形成矩形阵列，在封头为9片阵列，编号为pzt-0至pzt-8，形成圆形阵列；
步骤二，启动计算机中的信号路由程序和数据信号保存程序进行全自动的激发、接收、保存导波信号；
步骤三，启动计算机中的损伤诊断定位程序，判断是否存在损伤，并分别调用适用于压力容器圆柱段及封头段的损伤定位算法，按照椭圆定位基本原理(如图2所示)，分别利用柱坐标、球坐标与笛卡尔坐标系之间的转换关系，实现椭圆定位，并显示。
结合图2中的椭圆成像算法得到的压力容器圆柱段及球形封头段的损伤诊断定位结果如图6。可见，利用本发明的压力容器损伤的在线监测及实时健康诊断方法及设备可以实现对压力容器圆柱段及球星封头段损伤的在线定位，定位精度好，证实了本发明的有效性。且本发明方法及设备适用的压力窗口可以是纯金属压力容器，也可以是复合材料压力容器。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。