СПОСОБ КОНТРОЛЯ РЕСУРСА ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТА
METHOD TO MONITOR LIFETIME OF FILTERING ELEMENT

Изобретение относится к способу испытания бумажных фильтрующих элементов для очистки жидкостей, нефтепродуктов, в частности топлив для реактивных двигателей, и может быть использовано при проверке качества существующих и разработке новых фильтроэлементов в проектно-конструкторских бюро и эксплуатационных организациях.
Ресурс работы фильтроэлемента - это количество жидкости определенной загрязненности, прошедшей через пористую перегородку до достижения допустимого перепада давления (В.П.Коваленко, А.А.Ильинский. «Основы техники очистки жидкости от механических загрязнений», Химия, 1982 г., с.155, 156). При этом номинальная тонкость фильтрации должна быть не менее установленного уровня. Однако такие показатели, как объем отфильтрованной жидкости и допустимый перепад давления являются косвенными показателями ресурса и не отражают фактическое состояние фильтроэлемента.
При очистке реактивных топлив и загрязнении бумажных фильтроэлементов главным недостатком является процесс вымываемости волокон. По ГОСТ 28912-91 (Фильтры складские…) установлен допустимый параметр вымываемости волокон до 15 шт./л. При прокачке значительного количества топлива суммарное количество вымываемых волокон достигает больших значений. В процессе разрушения поровых каналов фильтрующей перегородки волокна вымываются неравномерно по площади и только в локальных местах расположения пор максимального размера.
2
2
Этот процесс происходит более интенсивно при достижении перепада давления более 1,1 кг/см (при максимально допустимом значении 1,5 кг/см), т.к. частичная закупорка фильтрующей перегородки приводит к увеличению гидравлических сил потока в оставшихся поровых каналах, которые, в свою очередь, разрушают поры и увеличивают их условные диаметры в 5-8 раз. Данному разрушению подвергаются в основном поры максимального диаметра, т.к. они имеют меньшую прочность и пропускают больший объем топлива. Вследствие увеличения условного диаметра поровых каналов фильтроэлемента уменьшается показатель «герметичность» и ухудшается показатель номинальной тонкости фильтрования.
Количество пропущенных частиц размером более 5 мкм с момента значения перепада давления, равного 2,5% предельно допустимого перепада давления до 80% предельно допустимого перепада давления (90% временного ресурса), увеличивается в 100-1000 раз (Проспект фирмы PALL. Фильтры Ultipleat SRT РЕВОЛЮЦИЯ В ФИЛЬТРАЦИИ, 10 стр. Reorder Code. RFB - P211 russ. 28/02/06). При этом герметичность фильтроэлемента снижается с 300 мм водного столба (для размера максимальных пор 5 мкм) до значений 100 мм водного столба (уровень размера максимальных пор 25 мкм).
Показателем герметичности фильтроэлемента является величина давления воздуха, прошедшего через фильтроэлемент, при котором наблюдается появление пузырьков воздуха, прошедших через поверхность фильтроэлемента (ГОСТ Р 50554-93 «Методы испытаний фильтров и фильтроэлементов»). Показатель герметичности по своей физической сути является функцией двух показателей: поверхностного натяжения используемой жидкости и диаметра максимальной поры фильтрующего материала.
Поверхностное натяжение - это сила, с которой жидкость сопротивляется изменению своей поверхности при разделе фаз жидкость-воздух в условиях прохождения поровых каналов, капилляров.
Поверхностное натяжение и плотность используемого топлива определяются с учетом фактической температуры топлива по справочным таблицам (Н.Ф.Дубовкин и др. Справочник. «Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив», Москва, Химия, 1985 год, с.240).
Таким образом, при эксплуатации фильтроэлемента и очистке топлив от механических примесей необходимо учитывать не только косвенные показатели ресурса - предельный перепад давления и объем отфильтрованного топлива, но и такой показатель как, герметичность. Как отмечалось выше, показатель герметичности характеризует максимальный размер поры фильтрующего материала, а снижение показателя герметичности в процессе эксплуатации фильтроэлемента на недопустимый уровень приводит к пропуску загрязнений большего размера и является параметром потери работоспособности фильтроэлемента.
2
В ГОСТ Р 50554-93 рекомендована схема стенда для определения показателя герметичности и в п.9.3 указано, что испытанию подвергается чистый фильтроэлемент. Для определения показателя герметичности в этой методике рекомендовано использование жидкости изопропанол. В качестве искусственного загрязнителя применяется любой мелкозернистый порошок с известным распределением частиц по размерам, например, стандартный загрязнитель (кварцевая пыль 10500 см/г) по ГОСТ 14146-88.
Известен способ определения ресурса фильтров для очистки жидкостей, включающий экспериментальное определение на модели фильтра показателей, характеризующих процесс фильтрации с учетом времени фильтрации, когда в процессе испытаний через равные интервалы времени определяют изменение гидравлического сопротивления фильтра, строят графики изменения сопротивления и скорости изменения гидравлического сопротивления во времени, и в момент установления постоянной скорости изменения гидравлического сопротивления испытания прекращают, а ресурс фильтра определяют графически (RU №2050934, B01D 37/04).
К недостаткам этого способа следует отнести значительную погрешность, обусловленную тем, что не учитывается процесс разрушения поровых каналов, приводящий к изменению таких параметров фильтроэлемента, как номинальная тонкость фильтрования и герметичность.
i
Известен способ контроля целостности (потери ресурса) по меньшей мере одного фильтрующего элемента в фильтрующем блоке, включающий подачу воздуха под давлением с входной стороны фильтрующего элемента, имеющего смоченный фильтрующий материал, поддержание этого давления постоянным в период измерения давления, измерение давления P в функции времени в выходном патрубке при закрытом выходном вентиле, находящемся за фильтром, определение, не превышает ли давление, измеренное в заданное время, опорное давление на заданную величину, или не является ли время, необходимое для достижения заданного давления, меньше, чем опорное время, на заданную величину, и по полученным результатам делают вывод о нарушении целостности данного фильтроэлемента, что указывает на потерю его ресурса (RU №2113706, G01N 15/08).
Этот способ обладает недостатками, поскольку, несмотря на измерение давления воздуха при прохождении через смоченное поровое пространство фильтроэлемента, взятого как заданное «опорное давление», которое имеет значение, близкое к показателю «герметичность», не определяется момент выхода за заданный параметр и тем самым не определяется момент потери работоспособности фильтроэлемента и его фактический ресурс.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу и взятым за прототип является способ определения ресурса работы фильтроэлемента, заключающийся в определении величины перепада давления на фильтроэлементе при его загрязнении. Ресурс фильтроэлемента определяется без отбора проб и анализа загрязненности фильтрата. При увеличении перепада давления на фильтре на заданную величину, периодически мгновенно перекрывают сечение напорного трубопровода после фильтра, создавая гидравлический удар, измеряют величину перепада давления на фильтроэлементе, определяют ее знак и по его изменению судят о степени загрязнения фильтроэлемента. По достижении значения гидравлического сопротивления фильтроэлемента, при котором гидроударная волна не проходит в обратном направлении, принимают за максимальную степень загрязненности, а фильтроэлемент - выработавшим свой ресурс (RU №2035967, B01D 37/04).
Основным недостатком прототипа является низкая точность, обусловленная тем, что в этом способе применяется гидравлический удар, который способствует более интенсивному разрушению поровых каналов и, как следствие, большему снижению ресурса фильтроэлемента. При этом не учитывается поверхностное натяжение жидкости, используемой при испытании и колебания температуры жидкости в период испытаний. Не учитывается также возможная потеря работоспособности фильтроэлемента с невысокой степенью загрязненности.
Технический результат изобретения - повышение точности определения ресурса фильтроэлемента.
Технический результат достигается тем, что в известном способе контроля ресурса фильтроэлемента, используемого для очистки жидкостей от механических примесей, включающем прокачку жидкости, смешанной с искусственным загрязнителем, и фиксацию перепада давления на фильтроэлементе через равные величины его прироста, согласно изобретению, определяют исходную (фактическую) величину поверхностного натяжения и плотность используемой жидкости, с учетом фактической температуры, задают величину поверхностного натяжения изопропанола, вертикально закрепляют полностью погруженный в жидкость фильтроэлемент в прозрачной камере, осуществляют прокачку загрязненной жидкости снаружи-внутрь фильтроэлемента, замеряя текущее значение перепада давления на фильтроэлементе, после каждого прироста перепада давления на величину, равную 10% предельно допустимого значения, прокачку прекращают и подают под давлением воздух изнутри-наружу фильтроэлемента до момента появления первого пузырька воздуха на его поверхности, фиксируют величину давления воздуха в этот момент и замеряют расстояние от точки появления первого пузырька до уровня жидкости над фильтроэлементом, после чего рассчитывают показатель герметичности фильтроэлемента по следующей зависимости:
<mrow><mi>Г</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>Ж</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>И</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mi>В</mi></msub><mo>−</mo><mi>H</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
где Г - показатель герметичности фильтроэлемента, мм вод.ст.;
Ж
δ - величина поверхностного натяжения используемой жидкости, мН/м;
И
δ - величина поверхностного натяжения изопропанола, мН/м;
В
P - давление воздуха в момент появления первого пузырька, мм вод.ст.;
H - расстояние от точки появления первого пузырька воздуха до уровня жидкости над фильтроэлементом, мм;
Ж
3
ρ - плотность используемой жидкости, кг/м,
при значении показателя герметичности не менее заданной величины продолжают прокачку жидкости и при увеличении перепада давления на фильтроэлементе еще на 10% прокачку прекращают и подают под давлением воздух изнутри-наружу фильтроэлемента до момента появления первого пузырька воздуха на его поверхности, фиксируют величину давления воздуха в этот момент и замеряют расстояние от точки появления первого пузырька до уровня жидкости над фильтроэлементом, после чего рассчитывают показатель герметичности, при значении показателя герметичности менее заданной величины судят о выработке ресурса фильтроэлемента, а величину перепада давления на фильтроэлементе, зафиксированную на предыдущем приросте давления на 10% принимают за критическое значение.
При просмотре научно-технической литературы и источников патентной информации авторы не выявили таких способов оценки ресурса фильтроэлементов, в которых использовалась бы совокупность показателей герметичность, величина поверхностного натяжения жидкости и перепад давления.
Кроме того, как уже отмечалось выше, показатель герметичности фильтроэлемента, в основном, используют при создании новых фильтроэлементов, а определение ресурса только по величине перепада давления не отражает фактическое состояние фильтроэлемента, поскольку перепад давления является косвенным показателем состояния фильтроэлемента.
На фиг.1 приведена блок-схема установки, реализующей способ контроля ресурса фильтроэлемента 1.
Установка состоит из вертикальной герметической камеры 2 с цилиндрическим прозрачным корпусом 3, к которой подведены магистрали подвода и отвода жидкости 4, 5, имеющие запорные вентили 6, 7. К магистрали 5, в точке перед запорным клапаном 7 подключена магистраль 8 подачи воздуха в фильтроэлемент 1 изнутри-наружу. В магистрали подачи воздуха установлен запорный вентиль 9 и манометр 10. Воздух из герметичной камеры 2 отводится по магистрали 11, в которой установлен вентиль 12.
Гидравлическое сопротивление (перепад давления) на фильтроэлементе 1 замеряют дифманометром 13. Топливные магистрали 4, 5 подключены к стандартному блоку 14 подготовки загрязненной жидкости по ГОСТ 50554-93 (для определения характеристик фильтрования).
Сущность измерения расстояния от точки появления первого пузырька воздуха до уровня жидкости над фильтроэлементом сводится в определению гидростатического давления в этой точке, которое зависит от плотности жидкости.
Способ реализуется следующим образом.
Пример: Необходимо определить ресурс работы фильтроэлемента для очистки авиационных топлив фирмы «Элион-2», ФЭ-100-5-1-М с паспортными данными:
3
- ресурс ФЭ - не менее 550 м;
- номинальная тонкость фильтрации - 5 мкм;
- герметичность - 300 мм вод.ст.;
2
- предельно допустимый перепад давления - 1,5 кг/см.
Ж
Ж
И
3
2
В качестве используемой жидкости берут авиационный керосин марки ТС-1 при 20°C, замеряют исходную плотность ρ=780 кг/м, из справочника берут величины поверхностного натяжения авиационного керосина марки ТС-1 при 20°C, δ=24,53 мН/м, для изопропанола δ=24,00 мН/м. В блоке 14 в соответствии с п.12 ГОСТ Р 50554-93, по описанной методике в авиационный керосин ТС-1 добавляют загрязнение, стандартный искусственный загрязнитель с известным распределением частиц по размерам (кварцевая пыль 10500 см/г) по ГОСТ 14146-88.
В
Фильтроэлемент 1 устанавливают и закрепляют в герметичную камеру 2, открывают вентили 6, 7 и начинают прокачку загрязненной жидкости снаружи-внутрь до увеличения перепада давления, фиксируемого дифманометром 13, на величину 10% от предельно допустимого. Как только данная величина достигает 0,15 кг/см, подачу топлива прекращают, закрывая вентили 6, 7. Открывают вентили 9, 12 и подают под давлением воздух изнутри-наружу фильтроэлемента 1 до появления первого пузырька. Фиксируют давление воздуха (показание манометра 10) P и замеряют расстояние H от точки A появления первого пузырька воздуха до уровня жидкости над фильтроэлементом 1. Проводят вычисление показателя герметичности фильтроэлемента по формуле
<mrow><mi>Г</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>Ж</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>И</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mi>В</mi></msub><mo>−</mo><mi>H</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
При величине показателя герметичности не менее 300 мм вод.ст. несколько раз последовательно повторяется процесс загрязнения фильтроэлемента и определение показателя герметичности, до достижения предельного перепада давления или до получения величины показателя герметичности менее 300 мм вод.ст.
2
При первом испытании, измерении и вычислении получены значения показателей: перепад давления 0,15 кг/см, расстояние от места появления первого пузырька до уровня жидкости в корпусе - 66 мм; давление воздуха - 355 мм вод.ст., расчет показателя герметичность проводится по формуле
<mrow><mi>Г</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>Ж</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>И</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mi>В</mi></msub><mo>−</mo><mi>H</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>24,53</mn></mrow><mrow><mn>24,0</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>355</mn><mo>−</mo><mn>66</mn><mo>⋅</mo><mn>780</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1,022</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>355</mn><mo>−</mo><mn>51,48</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>310,2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi><mtext> </mtext><mi>в</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mo>.</mo><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow>
2
При последующих трех циклах измерения герметичности получены результаты: 308, 305, 303 мм вод.ст.(не менее 300 мм. вод.ст.). При пятом измерении и достижении перепада давления 0,75 кг/см, расстояние от места появления первого пузырька до уровня жидкости в корпусе - 130 мм, давление воздуха - 385 мм вод.ст., расчет показателя герметичность проводится по формуле
<mrow><mi>Г</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>Ж</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>И</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mi>В</mi></msub><mo>−</mo><mi>H</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>24,53</mn></mrow><mrow><mn>24,0</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>385</mn><mo>−</mo><mn>130</mn><mo>⋅</mo><mn>780</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1,022</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>385</mn><mo>−</mo><mn>101,4</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>283,84</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi><mtext> </mtext><mi>в</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mo>.</mo><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow>
3
Показатель герметичности равен 283,84 мм вод.ст., что не превышает 300 мм вод.ст. Следовательно, ресурс испытуемого фильтроэлемента исчерпан. Фактический объем прокаченного топлива составил 470 м.
2
3
2
Вывод: по результатам испытания, фильтроэлемент ФЭ-100-5-1 рекомендуется использовать до достижения перепада давления не более 0,75 кг/см, несмотря на то, что паспортные показатели ресурса - не менее 550 м, и максимально допустимого перепада давления - 1,5 кг/см, не достигнуты.
Применение изобретения повышает точность определения ресурса фильтроэлемента.