Improvement of traditional vacuum box leakage detection system
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摘要:
当前核电站建造期间的传统真空盒气泡检测系统存在设备复杂、检测过程操作繁杂、检测结果受人为因素影响大、检测过程无法记录等局限性。为此,对传统泄漏检测所使用的真空盒进行改进,通过一体化设计对各组成部分进行集成,实现了压力调节及保压时间的自动控制、检测全过程记录以及人脸识别等功能,克服了传统真空盒气泡法检测在设备集成、过程操作、结果记录等方面的局限性。
Abstract:At present, the traditional bubble detection in vacuum box during the construction of former nuclear power plant has some limitations, such as complicated equipment and detection process, great influence of human factors, and inability to record detection process. In this paper, the traditional vacuum box used for leak testing was improved. The integrated design was used to integrate each component, to achieve automatic control of pressure regulation and pressure holding time, detection process record and face recognition function. The improved vacuum box solved the limitations of traditional vacuum box bubble detection in equipment integration, process operation and result recording.
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Keywords:
- vacuum box /
- system improvement /
- automatic detection /
- process recording
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当前核电站建造期间安全壳钢衬里、不锈钢衬里密封焊缝和阀门均需进行泄漏检测,泄漏检测的主要方法为真空盒气泡法[1-3]。真空盒气泡法检测系统由真空泵、真空压力表、阀门、气管、真空盒等组成。在检测过程中,检测人员需在控制真空盒的同时观察压力表、秒表和是否有气泡产生,传统检测系统数字化程度低,操作时极为不便；而且检测过程无法记录,检测过程的人为影响因素较多,容易出现压力未达标,保压时间不足,未能及时观察到气泡等情况。随着国内三代核电建设机组的增加,机组安全壳钢衬里和不锈钢衬里焊缝数量大幅增加,传统真空盒检测系统亟需改进以提高检测效率。
为了解决真空盒气泡法存在的检测设备复杂、检测过程操作繁杂、检测结果受人为因素影响大、检测过程无法记录等问题,同时为保证检测设备操作人员为持证人员,对核设施泄漏检测所使用的真空盒进行改进,设计了一种一体化真空盒气泡检测系统。该系统将控制器与真空检漏相结合,实现了压力调节及保压时间的自动控制,同时嵌入视频监控系统以记录检测过程,减少了人为因素对检测结果的影响,并嵌入了人脸识别系统以实现资质匹配。通过以上改进,解决了传统真空盒系统的弊端,形成一套核设施自动真空盒泄漏检测系统。
1. 真空盒检测系统的设计
1.1 检测系统总体设计
真空盒气泡检测系统将照度传感器、LED（发光二极管）、压力传感器、摄像头等设备集成,采用一体化设计,集成微型真空控制模块,大大减小了装置的质量,降低了检测设备的复杂性。该系统包括自动保压模块、检测过程记录模块、人脸识别及资质匹配模块和环境检测模块等,其系统总体结构如图1所示。
1.2 真空盒自动保压模块
利用控制器将保压调控与真空检盒相结合,可以实现压力调节及保压时间的自动控制,简化检测过程的操作步骤,提高检测效率,该保压模块实物和工作流程如图2所示。
真空盒微控制器连接量程为-0.1~0 MPa的真空负压传感器,可以实时识别真空罩内压力,当压力达到-0.01 MPa时,微控制器控制真空罩自动保压10 s,或者当压力达到-0.05 MPa时,微控制器控制真空罩自动保压30 s。当压力未达到上述两个值时则自动开启进出气阀门,以调整真空罩内压力。同时,微控制器内置时钟可自行控制压力平台保压时间。当时间临近时,微控制器控制指示灯闪烁,蜂鸣器报警提示,操作人员可在时间到达后按下关闭按钮,保压状态结束,出气阀出气。
1.3 检测全过程记录模块
将视频监控系统嵌入真空盒中,实现了对检测过程的记录。通过真空罩上集成的内部微型摄像头,实时录制内部检测情况。摄像头采用高清摄像头模组,感光性能强,可在较暗环境下保证其成像质量；同时摄像头能够在保压过程中拍摄焊缝处情况,以便于系统实时分析监测视频。检测过程中,负压值、保压时间、温度、照度和监测视频等信息均自动保存在系统中,可以根据要求进行数据的统计分析,减少人为因素对检测结果的影响,提高检测结果的可靠性。
1.4 人脸识别模块
在真空盒中嵌入人脸识别系统,可辅助进行检测过程的质量控制,提高检测过程的质量。该模块由人脸识别摄像头和中央控制器的人脸识别程序组成,其中摄像头采用微型摄像头,且集成在控制器触摸屏上,采用类似手机人脸解锁的功能进行人脸识别及控制器解锁。人脸数据通过照片采集,将预先拍摄的电子照片导入系统,摄像头拍摄到人脸后,与原先录入系统的照片进行比对识别。
若操作人员具备相关资质,则打开真空泵抽气阀门锁,准备开始泄漏检测,否则阀门锁关闭,无法进行泄漏检测工作。
1.5 环境监测模块
为了保证检测过程的质量,确保检测环境满足程序要求,真空盒上集成有温度传感器和照度传感器,检测时可以实时监测检测环境并进行记录。
2. 关键参数测试
为了保证改进后的真空盒检测系统能够满足核设施检测的要求,笔者对影响性能的抽气速率和稳压性能等关键参数进行了测试。
2.1 抽气速率测试
由于真空盒为集成化设计,采用抽气速率为15 L·min-1的真空泵。为了减少真空仓的体积,其尺寸设计为21 cm×13 cm（长×宽）,与传统小真空盒相当,降低了真空盒的高度。
在完全密封和实际平板焊缝两种情况下对改进真空盒系统进行测试,其测试结果如表1所示,然后采用传统真空设备进行对比测试,其结果如图3所示,其中-11 kPa模拟的是第一平台压力,-52 kPa模拟的是第二平台压力,-63 kPa测试的是极限抽气能力。从整体测试情况看,集成真空盒抽气时间比传统真空盒略长,但能够满足检测的需求。
Table 1. 抽气时间测试结果工况 目标压力值 测试结果 测试1/s 测试2/s 测试3/s 平均值/s 完全密封 -11 kPa 3.2 3.8 4.2 3.7 -52 kPa 9.8 9.2 9.5 9.5 -63 kPa 15.6 17.4 14.3 15.8 实际焊缝 -11 kPa 5.5 6.4 5.7 5.9 -52 kPa 14.4 15.4 17.4 15.7 -63 kPa 25.3 24.3 28.3 26.0 对比测试(实际焊缝) -11 kPa 4.1 3.6 3.2 3.6 -52 kPa 10.8 11.2 12.1 11.4 -63 kPa 19.6 18.4 20.3 19.4 2.2 稳压性能测试
为测试稳压阀的稳压性能,将稳压阀（型号为IRV10A-LC08）、真空泵、压力表进行连接,在控制平台设定压力（-10~-70 kPa）,要求恒压期间压力变化不超过±0.00 2 MPa。通过实测压力表中显示的压力,评估稳压阀的稳压效果,测试结果如表2和图4所示。测试结果表明,稳压阀的压力标准误差均小于0.2 kPa,压力最大变化量为1.3 kPa,即0.001 3 MPa,满足设备性能要求。
Table 2. 稳压测试报告项目 参数 设定平台/kPa -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 实测压力1/kPa -10 -20.1 -30.1 -39.9 -50.2 -60.2 -69.8 相对误差/% 0.00 0.50 0.33 -0.25 0.40 0.33 -0.29 实测压力2/kPa -9.9 -20 -30.1 -40 -50.1 -60.2 -69.8 相对误差/% -1.00 0.00 0.33 0.00 0.20 0.33 -0.29 实测压力3/kPa -10.1 -20.1 -30.1 -39.9 -49.8 -60.2 -70.2 相对误差/% 1.00 0.50 0.33 -0.25 -0.40 0.33 0.29 实测压力4/kPa -10 -20.1 -30.2 -40.1 -50.1 -60.1 -69.8 相对误差/% 0.00 0.50 0.67 0.25 0.20 0.17 -0.29 实测压力5/kPa -9.9 -20.1 -30 -39.9 -50.2 -60.2 -69.8 相对误差/% -1.00 0.50 0.00 -0.25 0.40 0.33 -0.29 稳定度 0.007 0.002 0.005 0.008 0.027 0.002 0.032 变化量/kPa 1.1 1.3 0.9 1.0 0.9 1.1 1.3 3. 系统功能测试
3.1 自动保压测试
自动保压模块的测试主要是针对于稳压性能和保压时间的测试,稳压性能测试详见2.2节,测试结果表明,稳压阀的压力最大变化率为1.3 kPa,在预设一定压力值的条件下,满足检测要求。
对于保压时间的测试,所用真空盒检测系统采用标准的晶体振荡器计时,其误差率小于十万分之一（0.001%）,在一天内的误差小于0.864 s,在秒级的计时中几乎可以忽略不计。测试中使用已校准的计时器进行对比,结果表明,通过人工对比无法看出差别,因此,芯片计时的准确性能够满足要求。
3.2 全过程记录测试
利用集成后的真空盒系统,在试验板上进行检测,并记录检测过程中的负压值、保压时间、温度、照度、监测视频等信息的记录情况,系统界面如图5所示,监测视频截图如图6所示,图6监测视频信息包含红色框内的检测区域气泡情况。
3.3 人脸识别测试
改进后的真空盒系统可通过外置摄像头以及内部数据库,实现对操作人员的人脸识别与资质匹配（以防造假）,同时,还可对资质的有效期进行监控和预警。利用智能识别和数字化控制等方式,有效避免了无证人员的操作,为监管方的管控提供了便利。
选取10名已具备泄漏检测资质但不在授权有效期的人员、10名已具备泄漏检测资质且授权在有效期的人员和10名不具备泄漏检测资质的人员进行测试,将20名具备泄漏检测资质人员的信息和资质有效期录入,测试该批人员是否可进行操作。测试发现,仅10名具备泄漏检测资质且授权在有效期的人员可以打开真空泵阀门,该系统面部识别的准确率为100%,反映出面部识别系统的稳定性,实现了对操作人员合规性的有效监控。
3.4 气泡识别测试
通过摄像头对检测区域进行全程监控,使用AI（人工智能）神经网络技术进行识别,若系统检测到气泡产生,内置的蜂鸣器和屏幕出现提示,并记录缺陷数据。气泡检测准确性测试利用标准试块在检测过程中出现的气泡来进行识别,每次测试后改换识别位置,然后记录气泡是否显示。经过20次重复试验,试块上气泡全部检出,气泡检出时间均小于2 s。
3.5 环境监测测试
利用集成后的真空盒系统,在试验板上进行检测操作,记录检测过程中的温度、照度等信息以及照明功能的实现情况,将记录结果与标准照度计测试结果进行对比,验证其记录的准确性。照度和温度测试结果如表3,4所示,可见真空盒系统的照度监测误差率均小于2%,温度误差在1 ℃以内。
Table 3. 照度测试结果项目 测试1 测试2 测试3 测试4 监测照度/lx 503 1 011 1 498 2 015 标准照度计/lx 512 1 022 1 516 2 055 误差率/% 1.7 1.1 1.1 1.9 Table 4. 温度测试结果项目 测试1 测试2 测试3 测试4 监测温度 20 22 24 25 标准温度计 20.5 23 24 25.5 误差 -0.5 -1 0 -0.5 4. 改进效果
相较于传统真空盒检测系统,改进后的真空盒检测系统在设备集成、过程操作、结果记录等方面得到了优化。
设备集成方面,传统真空盒检测系统包括真空盒、真空泵、阀门、气管、手电筒、压力表、电源等装置。改进后的真空盒检测系统对真空泵、照度传感器、LED、压力传感器、摄像头进行了一体化集成,同时自带电池,整体结构便携。传统与改进后的真空盒检测系统外观如图7所示。
过程操作方面,传统真空盒检测在打开真空泵后,需通过阀门控制真空盒,同时观察压力表、秒表和气泡产生情况,操作过程繁杂,受人为因素影响大。改进后的真空盒检测系统可实现压力调节及保压时间的自动控制、检测过程全过程记录以及气泡识别等功能,操作人员仅需观察显示屏即可,便于操作,同时,该系统可以识别操作者的资质,以防造假。
结果记录方面,传统真空盒检测系统需人工进行原始数据的记录,包含照度、温度、保压时间、检测结果等信息。改进后的真空盒检测系统可将上述信息数字化,直接导出形成记录单,避免人为因素影响。
5. 结语
（1）设计并开发了一种便携式真空盒检测系统,通过一体化设计将各组成部分集成,实现了压力调节及保压时间的自动控制、检测过程全过程记录以及人脸识别等功能。
（2）对该检测装置进行性能测试,结果表明,真空盒稳压阀的压力标准误差均小于0.2 kPa,压力最大变化量为1.3 kPa,满足测试要求；同时真空盒抽气速率和气泡检测准确率均满足实际检测要求。
（3）该真空盒检测系统满足核设施现场泄漏检测要求,解决了真空盒气泡法检测设备复杂、检测过程操作繁杂、检测结果受人为因素影响大、检测过程无法记录等问题。
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Table 1 抽气时间测试结果
工况 目标压力值 测试结果 测试1/s 测试2/s 测试3/s 平均值/s 完全密封 -11 kPa 3.2 3.8 4.2 3.7 -52 kPa 9.8 9.2 9.5 9.5 -63 kPa 15.6 17.4 14.3 15.8 实际焊缝 -11 kPa 5.5 6.4 5.7 5.9 -52 kPa 14.4 15.4 17.4 15.7 -63 kPa 25.3 24.3 28.3 26.0 对比测试(实际焊缝) -11 kPa 4.1 3.6 3.2 3.6 -52 kPa 10.8 11.2 12.1 11.4 -63 kPa 19.6 18.4 20.3 19.4 
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Table 2 稳压测试报告
项目 参数 设定平台/kPa -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 实测压力1/kPa -10 -20.1 -30.1 -39.9 -50.2 -60.2 -69.8 相对误差/% 0.00 0.50 0.33 -0.25 0.40 0.33 -0.29 实测压力2/kPa -9.9 -20 -30.1 -40 -50.1 -60.2 -69.8 相对误差/% -1.00 0.00 0.33 0.00 0.20 0.33 -0.29 实测压力3/kPa -10.1 -20.1 -30.1 -39.9 -49.8 -60.2 -70.2 相对误差/% 1.00 0.50 0.33 -0.25 -0.40 0.33 0.29 实测压力4/kPa -10 -20.1 -30.2 -40.1 -50.1 -60.1 -69.8 相对误差/% 0.00 0.50 0.67 0.25 0.20 0.17 -0.29 实测压力5/kPa -9.9 -20.1 -30 -39.9 -50.2 -60.2 -69.8 相对误差/% -1.00 0.50 0.00 -0.25 0.40 0.33 -0.29 稳定度 0.007 0.002 0.005 0.008 0.027 0.002 0.032 变化量/kPa 1.1 1.3 0.9 1.0 0.9 1.1 1.3
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Table 3 照度测试结果
项目 测试1 测试2 测试3 测试4 监测照度/lx 503 1 011 1 498 2 015 标准照度计/lx 512 1 022 1 516 2 055 误差率/% 1.7 1.1 1.1 1.9
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[1] 王伟, 孔祥团, 赵康嘉核电不锈钢异形焊缝真空罩泄漏检测优化山东省核学会2022年论文汇编（上）烟台黄海数字出版社2022王伟, 孔祥团, 赵康嘉. 核电不锈钢异形焊缝真空罩泄漏检测优化[C]//山东省核学会2022年论文汇编（上）. 烟台：黄海数字出版社, 2022. [2] 孙明.核电阀门的真空泄漏检测[J].化肥设计,2022,60(6)：44-46. [3] 吴孝俭, 闫荣鑫. 泄漏检测[M]. 北京：机械工业出版社, 2013.
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