УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ НЕКОНТАКТНЫМ АКУСТИЧЕСКИМ ГАЗОВЫМ МЕТОДОМ И КАЛИБРОВКИ НИЖНЕГО ПОРОГА СРАБАТЫВАНИЯ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ НЕКОНТАКТНЫМ АКУСТИЧЕСКИМ ГАЗОВЫМ МЕТОДОМ И КАЛИБРОВКИ НИЖНЕГО ПОРОГА СРАБАТЫВАНИЯ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ
Предшествующий уровень техники
Известен способ пассивного контроля герметичности [1]. При проведении контроля с использованием данного способа, в составе средств контроля применяется параболический усилитель акустического поля течи с закрепленным в фокусном расстоянии параболической антенны средством регистрации акустического сигнала. При этом сигнал с чувствительного элемента параболической антенны анализируется с помощью компьютерной системы и, таким образом, обеспечивается мониторинг работающего оборудования на предмет утечки по наличию акустического сигнала течи. Данный способ позволяет проводить контроль герметичности на удаленном расстоянии обеспечивающем безопасность персонала при проведения контроля, однако недостатком данного способа является то, что способ не калибруется с использованием контрольных течей обеспечивающих проверку нижнего порога чувствительности течеискателей и самого способа контроля герметичности с использованием дополнительных контактных усилителей акустического поля дефекта. При этом, надо понимать, что фронт акустического поля сквозного дефекта имеет сложную неравномерную форму, т.е. при проведении испытаний указанным способом возможно получение ложной картины о локализации места сквозного дефекта.
Известны способы определения места утечки и акустический течеискатели для их осуществления [2, 3, 4], при которых в качестве усилителей акустического поля используются рупоры соединенные с чувствительными элементами, причем [4] позволяет повысить точность определения места утечки путем освещения его световым лучом, совмещенным с максимумом ультразвукового сигнала, в котором размещен преобразователь и установленный за ним источник света по оси рупора. При этом, на внутреннюю поверхность рупора нанесена пленка из светоотражающего материала. При контроле герметичности изделий место течи определяют по месту пересечения продольной оси акустического преобразователя с поверхностью объекта контроля в момент регистрации максимума ультразвукового сигнала, возникающего при турбулентном истечении газа через сквозной дефект. Недостатком указанных способов, позволяющих производить контроль герметичности на удаленном расстоянии, является то, что чувствительность способов не обеспечивает проведение контроля герметичности на расстоянии, обеспечивающем безопасное проведение испытаний, которое может достигать десятков метров. Также необходимо отметить, что фронт акустического поля сквозного дефекта имеет сложную неравномерную форму, а свободным (диффузным) указанное акустическое поле становиться на расстоянии от дефекта, зачастую превышающем порог чувствительности указанного способа, т.е. при проведении испытаний указанным способом возможно получение ложной картины о локализации места сквозного дефекта, при этом нижний порог чувствительности способа не калибруется с использованием дополнительных контактных усилителей акустического поля дефекта, что еще более осложняет выявление сквозных дефектов.
Известен способ усиления акустического поля дефекта заключающийся в применении поверхностно-активных веществ, которые контактно наносятся на поверхность объекта контроля и в месте сквозного дефекта создают эффект усиления акустического давления во всем диапазоне частот, при котором происходит выделение акустической энергии сигнала в процессе истечения потока контрольной среды через сквозной дефект. Данные поверхностно-активные вещества описаны в [5], и их применение в процессе акустического газового способа контроля герметичности позволяет повысить безопасное расстояние до объекта контроля в процессе проведения испытаний, однако форма фронта акустического поля остается при этом сложной неравномерной формы, что негативно сказывается на процесс локализации места течи. Также необходимо отметить, что нижний порог чувствительности способа не калибруется с использованием дополнительных контактных усилителей акустического поля дефекта, что осложняет выявление сквозных дефектов.
Известен [6] акустический течеискатель, содержащий корпус с чувствительным элементом и совмещенный с ним турбулизатор, в котором, с целью повышения чувствительности течеискателя, турбулизатор выполнен в виде резонансного блока, состоящего из ряда параллельных металлических прямоугольных пластин, которые по своим средним поперечным осям скреплены между собой посредством гребенки из изоляционного материала. При этом размеры пластин выбраны из условия равенства их собственной резонансной частоты рабочей резонансной частоте чувствительного элемента. В процессе применения данного устройства, при наличии утечки из объекта контроля на заостренные концы прямоугольных пластин турбулизатора поступает поток газа, который завихряется и создает акустическое поле на резонансной частоте чувствительного элемента. Акустическая энергия сигнала преобразуется чувствительным элементом в электрическое напряжение, которое усиливается и регистрируется.
Способ позволяет повысить чувствительность контроля герметичности акустическим газовым методом, однако недостатком способа является то, что применение его на удаленном расстоянии, обеспечивающем безопасное проведение испытаний затруднено в следствии необходимости производить турбулизацию потока контрольной среды в непосредственной близости от объекта контроля. Данное обстоятельство негативно сказывается на безопасности операторов, проводящих контроль герметичности.
Известны приемники ультразвуковых течеискателей, включающие в свой состав турбулизаторы в виде пружин и решеток с коническими отверстиями [7, 8, 9]. Данные устройства обеспечивают усиление акустического поля дефекта, но совмещены с приемниками акустических колебаний, и применение их на удаленном расстоянии, обеспечивающем безопасное проведение испытаний затруднено в следствии необходимости производить турбулизацию в непосредственной близости от объекта контроля, что не обеспечивает безопасности персонала неразрушающего контроля проводящего течеискание.
Известен акустический течеискатель [10] в котором осуществляется усиление акустического поля дефекта за счет того, что чувствительный элемент течеискателя конструктивно содержит в своем составе прилегающие друг к другу слои полимерной ткани, состоящие из переплетенных нитей с ворсом, которые расположены перед чувствительным элементом параллельно его рабочей поверхности. При данном способе поток контрольного газа, выходящий через сквозной дефект в объекте контроля колеблет ворсинки полимерных нитей, которые в процессе взаимодействуя между собой создают дополнительное акустическое поле, регистрируемое приемником. Данный способ обеспечивает усиление интенсивности акустического поля дефекта для ламинарных струй, т.е. для струй малых потоков контрольного газа не создающих ультразвукового поля дефекта. Течеискание при этом возможно только в непосредственной близости чувствительного элемента течеискателя от объекта контроля, и применение его на удаленном расстоянии, обеспечивающем безопасное проведение испытаний не возможно, т.к. в конструкции [10] не предусмотрены элементы крепления полимерных нитей к объекту контроля. При этом, полимерные нити не обеспечивают требуемую жесткость конструкции для целей выравнивания сложной формы фронта акустического поля дефекта для турбулентного характера истечения контрольного газа (для более мощных потоков струй контрольного газа), что уменьшает вероятность нахождения места сквозного дефекта при проведении контроля на удаленном безопасном расстоянии. Также необходимо отметить, что в процессе проведения испытаний применение полимерных нитей ограничивается возможностью быстрого их разрушения в процессе проведения испытаний, а невысокая вероятность взаимодействия потока струи контрольного газа с нитями в случае применения одного слоя полимерных нитей может не обеспечивать требуемой надежности проведения контроля герметичности, что особенно важно для опасных производственных объектов работающих под давлением. Данное устройство принято за прототип.
Известен способ контроля герметичности изделий [11] при котором объект контроля заполняют испытательным давлением контрольного газа, при этом контролируемый участок поверхности обдувают одной или более ламинарными воздушными струями, непересекающимися между собой. При встрече технологической ламинарной струи (на поверхности объекта контроля или в пространстве над ней) с ламинарной струей контрольного газа выходящей через сквозной дефект в объекте контроля происходит принудительная турбулизация и возникает источник ультразвуковых колебаний, которые затем фиксируют приемником ультразвука и на основе этого судят о герметичности объекта контроля.
Данный способ обеспечивает усиление интенсивности акустического поля дефекта, для ламинарных струй, т.е. для струй малых потоков контрольного газа не создающих ультразвукового поля дефекта, однако применение его на удаленном расстоянии, обеспечивающем безопасное проведение испытаний затруднено в следствии необходимости производить турбулизацию в непосредственной близости от объекта контроля, тем самым не обеспечивается безопасность проведения испытаний. Кроме того, при условиях, когда поток контрольного газа обеспечивает образование ультразвукового поля, способ не обеспечивает выравнивание сложной формы фронта акустического поля, уменьшая тем самым вероятность обнаружение и локализацию сквозного дефекта.
Известна диффузионная течь [12], для настройки системы течеискания, содержащая корпус с входным и выходным каналами, с выполненным в нем опорным пояском, на котором прижимным кольцевым элементом герметично закреплена проницаемая мембрана. При этом контрольная течь снабжена конденсором газа, отверстие в котором выполнено в виде капилляра, который установлен между прижимным кольцевым элементом и проницаемой мембраной контактно ее поверхности. В данном устройстве выполнены элементы, для калибровки с использованием контактных средств усилителей акустического поля дефекта. Однако недостатком данного устройства является то, что калибровка акустического газового способа ограничена со стороны грубых потоков контрольных газов, которые данным устройством не могут воспроизводиться за счет диффузионного характера истечения контрольного газа, таким образом, не обеспечивается формирование ультразвукового акустического поля дефекта генерируемого турбулентными потоками контрольной среды. Также необходимо отметить, что в данном контрольном образце хотя и предусмотрена возможность использования поверхностно-активных веществ, описанных в [5], не предусмотрена возможность измерения толщины наносимого покрытия без использования дополнительных средств измерения (толщиномеров покрытий), что негативно сказывается на оперативность контроля, т.к. расход данных веществ (имеющих разный химический состав) в процессе проведения испытаний определяется исходя из инструкций по применению и, в конечном итоге, определяется толщиной наносимого покрытия. Кроме того в конструкции указанного контрольного образца не предусмотрено использование контактных средств усиления акустического поля дефекта и изменения сложной формы его фронта- сетчатых конструкций, описываемых в настоящем патенте (приведенных ниже). Также необходимо отметить, что в конструкции данного контрольного образца не предусмотрена возможность измерения температуры контрольного газа перед мембраной сквозь которую диффундирует контрольный газ - гелий. Данное устройство принято за прототип.
Известен способ определения размеров течи [13], относящийся к контролю герметичности изделий контактным акустическим методом. Данный способ позволяет повысить точность определения эквивалентного диаметра течи путем измерения интенсивности акустического излучения от истечения жидкости через течь. Указанная интенсивность излучения определяется за счет измерения толщины стенки изделия в месте течи, динамической вязкости, плотности жидкости, скорости распространения звука в жидкости, давления на входе и выходе из течи, а также расстояния от места течи до приемного преобразователя. Приемный преобразователь измеряет интенсивность акустических сигналов от течи. С учетом измеренных величин определяют эквивалентный диаметр течи. Недостатком данного устройства является то, что оно применимо для контрольных жидкостей, и не обеспечивает калибровку неконтактного акустического газового способа с применением средств контроля применяемых контактно испытуемой поверхности и обеспечивающих усиление акустического поля дефекта.
Известен способ контроля герметичности изделий [14]. Данное изобретение относится к контролю герметичности изделий акустическим методом и позволяет расширить технологические возможности путем определения геометрических размеров течи. В контролируемое изделие подают газ, и в нем создается испытательное давление. Затем измеряют температуру и динамическую вязкость газа. С помощью чувствительного элемента измерительной аппаратуры сканируют контролируемую поверхность изделия. При фиксации измерительной аппаратурой акустического сигнала измеряют минимальное расстояние от места течи до чувствительного элемента. Эквивалентный размер течи определяют из соотношения, устанавливающего связь параметров течи с физическими свойствами используемых газов, условиями испытаний и минимальным расстоянием от течи, на котором регистрируются акустические колебания. Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает безопасности проведения испытаний, т.к. указанное минимальное расстояние на котором акустический приемник фиксирует акустическое поле дефекта может быть меньше требуемого по технике безопасности. Кроме того в процессе калибровки течеискательной аппаратуры и способа контроля герметичности не предусмотрена возможность использования средств контроля обеспечивающих усиление акустического поля дефекта применяемых контактно поверхности объекта контроля.
Известен способ контроля герметичности изделий [15], при котором эталонный образец с калиброванным отверстием заполняют технологической жидкостью и повышают ее давление. При помощи пьезоприемника, установленного на изделии, регистрируют появление акустических колебаний, возникающих в материале образца при истечении жидкости, при котором возникают акустические колебания. По известной площади калиброванного отверстия и зафиксированному минимальному давлению определяют эквивалентную площадь микродефектов. Недостатком указанного способа является то, что он применим для способа контроля герметичности с использованием акустической эмиссии (с контактным поверхности объекта контроля размещением акустических преобразователей), при этом способ не подходит для неконтактного акустического газового способа, в следствии того, что предназначен для определения акустических волн, генерируемых контрольной средой - жидкостью в материале объекта контроля (например в стали) и не предназначен для определения акустических волн распространяющихся в воздухе (при значительно большем коэффициенте затухания) при генерации акустического поля дефекта газовыми струями с учетом разного пространственного положения струи контрольного газа выходящей из микросопла контрольной течи, и использованием существующих средств усиления акустического поля дефекта, применяемых контактно поверхности объекта контроля. При этом, надо понимать, что направление и форма акустического поля дефекта, распространяющегося в воздухе (вне материала объекта контроля) не имеют значения при проведении акустико-эмиссионного контроля т.к. расположение дефекта определяется за счет расчета коэффициента корреляции от сигналов поступающих с нескольких микрофонов, установленных неподвижно (как правило, с акустическим контактом посредством контактных жидкостей) на поверхность объекта контроля, но имеют большое значение для неконтактного акустического газового метода. Также необходимо отметить, что в данном контрольном образце не предусмотрена возможность использования поверхностно-активных веществ, описанных в [5] т.к. расход данных веществ (имеющих разный химический состав) в процессе проведения испытаний определяется исходя из инструкций по применению и в конечном счете определяется толщиной наносимого покрытия. Кроме того в конструкции указанного эталонного образца не предусмотрено использование контактных средств усиления акустического поля дефекта и изменения сложной формы его фронта описываемых в настоящем патенте (приведенных ниже). Кроме того необходимо отметить, что в процессе проведения контроля герметичности важное значение имеет расположение места дефекта (пространственное направление струи контрольного газа, выходящей из места дефекта), т.к. при отражении акустической волны от какой либо преграды (неизбежно присутствующих в зоне контроля) сигнал может давать ложную индикацию. Надежность локализации дефекта требует проведения натурных испытаний с учетом разного направления струи контрольного газа, исходящей из микросопла. В то время, как технология проведения контроля герметичности неконтактным акустическим газовым методом подразумевает сканирование щупом акустического течеискателя поверхности объекта контроля на удаленном расстоянии, при этом пространственное расположение дефекта и форма акустического поля дефекта им генерируемая, особенно при применении контактных усилителей акустического поля дефекта (так как поверхностно-активные вещества могут просто стечь с поверхности контрольного образца в процессе проведения калибровки течеискательной аппаратуры). Данные обстоятельства требуют разработки контрольного образца для неконтактного акустического газового метода, который обеспечивал бы любое пространственное положение дефекта и в процессе калибровки обеспечивал бы натурность испытаний для надежной локализации сквозных дефектов (течей контрольного газа) и их последующего ремонта.
Задачей группы изобретений является разработка устройства для неконтактного акустического газового метода контроля герметичности, позволяющего производить формирование и усиление акустического сигнала - ультразвука воздушного в широком диапазоне расходов струй контрольного газа, выходящих из сквозного дефекта, что позволяет производить испытания на удаленном расстоянии, обеспечивающем безопасность их проведения, а также повышение надежности локализации места течи контрольного газа. Также задачей группы изобретений является разработка устройства -калиброванной контрольной течи, позволяющего производить калибровку нижнего порога чувствительности течеискательной аппаратуры и неконтактного акустического газового метода контроля герметичности с применением контактных усилителей акустического поля сквозного дефекта как средств контроля герметичности применяемых в процессе пневмоиспытаний, обеспечивающей повышение надежности локализации места течи контрольного газа на удаленном безопасном расстоянии за счет повышения точности определения ее величины.
Краткое описание фигур
На фиг. 1а представлена технологическая схема проведения контроля герметичности, неконтактного акустического газового метода контроля герметичности, позволяющего производить пневмоиспытания на удаленном расстоянии, в случае когда рабочая ось микрофонной системы совпадает с осью звукового луча акустического поля дефекта, включающая: 1 - объект контроля - труба с фланцевым соединением, 2 - течь контрольного газа во фланцевом соединении, 3 - акустическое ультразвуковое поле дефекта с фронтом акустической волны неравномерной формы, 4 - оператор с акустическим течеискателем, 5 - усилитель акустического сигнала течи параболического типа с чувствительным элементом, закрепленным в фокусе параболы, 6 - лазерный целеуказатель течи, 7 - ось направления потока контрольного газа выходящего из сквозного дефекта, совпадающая с осью акустического луча фронта акустического поля дефекта, 8,9- оси координат, 10 - схематично показана формы среза фронта акустической волны. Показан случай, когда направление оси струи контрольного газа, выходящего из сквозного дефекта и совпадающей с ней осью акустического луча располагаетсяперпендикулярно осевой линии объекта контроля ВВ′. Также схематично показано расстояние L1 от точки сквозного дефекта до оператора.
На фиг. 16 представлена технологическая схема проведения контроля герметичности, неконтактного акустического газового метода контроля, в процессе проведения которой рабочая ось микрофонной системы совпадает с направлением максимума звукового давления акустического поля сквозного дефекта с фронтом сложной формы. Также на фигуре схематично представлен график падения акустического давления акустического поля сквозного дефекта от расстояния между оператором и объектом контроля в условиях отсутствия контактных усилителей акустического поля дефекта. На фигуре также схематично представлен график уменьшения акустического давления от расстояния между местом течи и оператором. Также представлено расстояние L2 между оператором и объектом контроля, и 31 - угол α между рабочей осью микрофона и осью акустического луча поля дефекта.
Размеры анализатора, объекта контроля и акустического поля, представленные на фиг. 1а, 1б, не соответствуют реальным, что сделано в целях облегчения восприятия.
На фиг. 2а представлена схема проведения контроля герметичности без использования контактных средств усиления акустического поля дефекта, включающая: 12 - объект контроля, 13- штенгельную заправочную трубку, 14 - баллон с контрольным газом, или иное средство обеспечивающее давление контрольного газа в объекте контроля, 11 - сквозной дефект основного материала или сварного соединения, 10 - схематично представлено акустическое поле дефекта с фронтом сложной формы.
На фиг. 2б представлена схема проведения контроля герметичности с применением контактных средств усиления акустического поля: 16 - сетчатая конструкция (турбулизатор), 32 - схематично представлена форма фронта акустического поля дефекта.
На фиг. 3а представлена схема проведения контроля герметичности с применением: 13 - штенгельная заправочная трубки, 18 - контрольная течь в сборе, 30, 33 - газовые клапаны.
На фиг. 3б представлен график зависимости пробного давления контрольной среды от времени при проведении пневмоиспытаний и определении пороговой чувствительности течеискателей и акустического газового метода контроля герметичности.
На фиг. 4 представлена контрольная течь (изометрия) для проверки нижнего порога чувствительности акустического газового метода, содержащая: 18- контрольная течь в сборе, 20 - входной канал, 22 - прижимная гайка. Также на фигуре представлены линии АА′ и ББ′, определяющие плоскость реза указанной контрольной течи, для пояснения работы устройства.
На фиг. 5а представлена контрольная течь для проверки нижнего порога чувствительности акустического газового способа в плоскости реза содержащей линии АА′ и ББ′ (фиг. 4), содержащая: 19 - корпус контрольной течи, 20 - входной канал, 23 - критическое калиброванное микросопло, выполненное во вставке - 25, 22 - прижимная гайка, 21 - уплотнительный элемент, 24 - выполненная в прижимной гайке калибровочная емкость, 35 - устройство измерения параметров контрольной среды перед соплом с устройством индикации.
На фиг. 56 представлена часть контрольной течи для проверки нижнего порога чувствительности акустического газового способа, поясняющая работу устройства и содержащая: 22 - прижимная гайка, 23 - критическое калиброванное микросопло, выполненное во вставке - 25, 24 - выполненная в гайке калибровочная измерительная емкость, 26 - индикаторная шкала с рисками для определения уровня и объема налитой в калибровочную емкость жидкости, обеспечивающими требуемый уровень наполнения контактных жидкостей для усиления акустического поля.
На фиг. 5в представлен элемент контрольной течи (вид сверху) для проверки нижнего порога чувствительности акустического газового способа, содержащий: 22 - прижимная гайка, 23 - критическое калиброванное микросопло, выполненное во вставке - 25, 24 - выполненная в гайке калибровочная измерительная емкость, 27 - сетчатый элемент, 28 - прижимные планки для фиксации сетчатого элемента, 29 - фиксирующие винты.
Раскрытие изобретения
Указанная задача группы изобретений решается за счет того, что в процессе проведения пневмоиспытаний при контроле герметичности неконтактным акустическим газовым методом главным фактором определяется безопасность специалистов проводящих поиск сквозных дефектов в процессе пневмоиспытаний. Данный параметр - L1 приведенный на фиг. 1а рассчитывается согласно [21, 22] по формулам:
оск
где R - радиус разлета осколков при взрыве трубопроводов в случае аварийной ситуации, м; р - давление в трубопроводе, мПа (в момент испытаний), k - коэффициент принимаемый 15,3 для труб, у которых отношение диаметра к толщине стенки равно 100. Для труб с условным диаметром менее 700 мм, отношение диаметра к толщине стенки колеблется от 40 до 80. Для этого случая числовой коэффициент принимается равным: 4 -для трубопроводов диаметром до 300 мм; 10 - для трубопроводов диаметром до 500 мм; 11 - для трубопроводов диаметром более 500 мм.
2
Данный фактор назначается определяющим, т.к. например для объектов газового надзора при проведении пневмоиспытаний, в случае аварии может происходить образование осколков с разлетом до 40 м. (диаметр трубы - 1 м., толщина основного материала - 5 мм, испытательное давление 20 кГс/см). Проведение испытаний на данном безопасном расстоянии при этом осложняется ввиду того, что распространяющийся воздушным путем (воздушный ультразвук) с преобладающей частотой 40 кГц, который генерируется потоком контрольного вещества, выходящим через сквозной дефект в объекте контроля с увеличением расстояния от места дефекта до приемного преобразователя быстро затухает. Значения затухания звукового давления в воздухе рассчитанное согласно [27], например, для нормальных условий и ƒ=40 кГц, составляет α=1,3445 дБ/м, таким образом, на расстоянии 40 м уровень акустического давления падает в десятки раз, без учета поглощения звуковых колебаний которые порождаются диссипативными потерями. При этом применение неконтактных усилителей акустического поля дефекта изложенных в [1-4, 6-10] не приведет к усилению акустического поля дефекта и тем самым к его локализации ввиду того, что усиливать в большинстве случаев на указанном расстоянии будет просто нечего. Кроме того, форма фронта акустического поля дефекта неравномерна и имеет так называемый «конус тишины» [26], данное обстоятельство проиллюстрировано фиг. 1а, при этом, на фиг. 1б показан случай, когда в процессе проведения пневмоиспытаний рабочая ось микрофонной системы совпадает с направлением максимума звукового давления акустического поля сквозного дефекта, при этом расстояние L2=L1/cosα по сравнению с расстоянием L1 еще больше увеличивается, что ведет к еще большему ослаблению амплитуды акустического давления поля дефекта. Данное обстоятельство негативно сказывается на чувствительность контроля герметичности, так как при направлении чувствительного элемента (рабочей оси микрофонной системы) строго в направлении турбулентной струи течи (фиг. 1) оператор не получит достоверной картины о расположении места дефекта. Данное обстоятельство еще более сказывается в случае ограниченной контролепригодности объекта контроля при отражении звуковой волны например от земли. Теоретические предпосылки для реализации данного способа были изучены достаточно давно, и приведены в [16, 17].
Для компенсации потерь амплитуды звукового давления и интенсивности акустических ультразвуковых колебаний поля дефекта и для решения задач группы изобретений предлагается использовать стальные и полимерные сетчатые конструкции состоящих из одного или более слоев сетки размещаемых контактно поверхности объекта контроля (фиг. 2б). Данные сетчатые конструкции изготовленные из просечно-вытяжной сетки или сетки саржевого плетения играют роль турбулизатора при малых потоках контрольной среды (не обеспечивающих образование ультразвукового поля дефекта) и обеспечивают образование и усиление ультразвукового поля дефекта. В целях понимания можно сравнить эффект возникновения ультразвука воздушного при прохождении через сетчатую конструкцию ламинарного потока струи контрольного газа с простейшим ультразвуковым свистком. Предпосылки к данному изобретению для ламинарных потоков контрольной среды описывается в работах [18, 19, 20]. При этом ламинарный поток течи, проходя через ячейки сетчатой конструкции разбивается на несколько потоков, которые взаимодействуя между собой, образуют усиленное ультразвуковое поле (ультразвук воздушный) аналогично [11], и при этом могут быть зафиксированы чувствительным элементом на расстоянии обеспечивающем безопасность проведения пневмоиспытаний согласно ф. 1. Для случая турбулентных потоков предпосылки для реализации данного способа контроля приведены в [16, 17]. Из данных работ следует, что образование ультразвука воздушного для турбулентных потоков происходит не во всей струе, а в зоне струи контрольного газа, которая расположена на краю, где ультразвук воздушный (на частотах 35-45 кГц) образуется на зоне перехода от турбулентного к ламинарному режиму течения потока. Данное обстоятельство определяет образование «конуса тишины» (Рис. 1), что отражено в 4 главе [16] и [26], и позволяет соотнести площадь поверхности фронта акустической волны с параметрами акустического поля дефекта. При этом, в случае применения сетчатых конструкции турбулентный поток контрольного газа разбивается на несколько потоков, что обеспечивает увеличение указанной площади зоны формирования ультразвука воздушного теперь уже несколькими струями контрольного газа и изменение формы фронта акустического поля за счет суперпозиции указанных акустических полей. Указанное образованное и усиленное акустическое поле может быть зафиксировано на расстоянии без необходимости нахождения в непосредственной близости от объекта контроля.
Данный способ в отличие от изложенных в [7-10], при которых датчики акустического сигналов совмещается с разными конструкциями турбулизаторов обеспечивает проведение контроля неконтактным акустическим газовым методом на безопасном расстоянии описанном выше.
Более детально раскрывая описанный способ контроля можно отметить, что в случае турбулентного потока выходящего из сквозного дефекта в объекте контроля, сетчатая конструкция играет роль усилителя акустического сигнала течи, за счет того, что происходит разбиение потока контрольной среды, с образованием нескольких потоков. При этом, при взаимодействии этих потоков происходит усиление акустического сигнала течи в несколько раз, кроме того, в случае применения сетчатых конструкций происходит изменение сложной воронкообразной формы акустического фронта поля дефекта, обеспечивая его изменение к форме близкой к сферической (фиг. 2б), за счет того, что создание акустических колебаний потоком газа обусловлено турбулентностью его движения. Струйка газа, вытекающего через течь, имеет несколько зон, а именно: непосредственно на выходе течи участок ламинарного движения и на некотором расстоянии от выхода турбулентное. Источником акустических сигналов от течи является турбулентность, которая своим возникновением обязана скачку скоростей на границе струи и окружающего газа, создавая при этом внутри потока струи «конус тишины». Применение сетчатых конструкций обеспечивает физическое дробление потоков контрольного газа, тем самым создавая турбулентную область пересекающихся струй контрольного газа и преобразование сложной формы акустического поля дефекта содержащего «конус тишины» в форму близкую к сферической. Таким образом, достигается технический результат - повышение надежности поиска течей на безопасном расстоянии (фиг .2а, 2б). При чем достижение данного технического результата в большей мере достигается за счет использования сетчатых пакетов применяемых контактно поверхности объекта контроля (с обеспечением контакта с помощью элементов крепления (34 - фиг. 2б, 28 - фиг. 5в)) за счет повышения вероятности взаимодействия струи контрольного газа выходящего через сквозной дефект и материала сетчатого пакета.
Применение указанных сетчатых конструкций снимает неопределенность в процессе измерения параметров акустического поля дефекта на удаленном расстоянии с помощью течеискательной аппаратуры за счет выравнивания формы акустического фронта и приближении его к сферической в случае турбулентного потока контрольного газа.
Таким образом, достоверность выявления течей с применением контактных усилителей акустического поля дефекта - сетчатых конструкций обеспечивает не только образование и усиление акустического поля дефекта в случае ламинарного потока течи, но и выравнивание сложной формы фронта ультразвуковой волны образуемой течью контрольной среды в случае турбулентного течения. Применение данных устройств обеспечивает решение поставленных задач группы изобретений в части надежной локализации места сквозного дефекта на безопасном расстоянии. Дополнительным фактором, обеспечивающим усиление поля дефекта являются сетчатые конструкции, используемые контактно поверхности объекта контроля представляющие собой несколько сеток сложенных вместе. Данное техническое решение имеет целью усиление акустического поля дефекта за счет дополнительного разбиения и турбулизации малых потоков контрольного газа и увеличении вероятности соприкосновения струи контрольного газа с элементами сетчатой конструкции.
В целях возникновения эффекта турбулизации возможно использование сетчатых конструкций представляющих собой сетку из металла, полимерных материалов, или ткани с ворсом применяемых контактно поверхности объекта контроля и сетчатых конструкций представляющих собой комбинацию сеток из металла, полимерных материалов или тканей с ворсом. Данное техническое решение позволяет произвести совмещение эффекта турбулизации технологических потоков с эффектом описанным в [5].
Также дополнительным фактором при проведении контроля герметичности неконтактным акустическим газовым методом с использованием сетчатых конструкций в целях повышения уровня чувствительности, а также с целью более точной локализации акустического поля дефекта возможно дополнительное использование усилителей акустического поля дефекта описанных в [1, 2, 3, 4] совмещенных с приемником неконтактным акустическим преобразователем, обеспечивающих проведение испытаний на удаленном расстоянии от объекта контроля.
Также задачей группы изобретений является повышение надежности локализации места течи контрольного газа на удаленном безопасном расстоянии за счет повышения точности определения ее величины. Поставленная задача решается реализацией устройства - контрольной течи, позволяющего производить калибровку нижнего порога чувствительности течеискательной аппаратуры и неконтактного акустического газового метода контроля герметичности с применением контактных усилителей акустического поля сквозного дефекта изложенных в [5] и с помощью сетчатых конструкций описанных выше на удаленном безопасном расстоянии. Данное устройство обеспечивает формирование потоков контрольного газа в широком диапазоне расходов (турбулентных и ламинарных потоков) за счет использования в конструкции поверяемого микросопла. А также обеспечивает любое пространственное положение струи контрольного газа, при этом с его помощью может быть реализована любая ситуация при которой происходит отражение акустической волны создаваемой струей контрольного газа для моделирования ограниченной контролепригодности в процессе отработки технологии контроля герметичности.
Предпосылки к реализации данного устройства предпринимались в работах [16, 17], так в 3-ей главе [17], разработаны и опробованы контрольные образцы для неконтактного акустического газового метода, представляющие собой капиллярные металлические трубки с разными внутренними диаметрами. Недостатком данных контрольных образцов является то, что они метрологически не поверяются, и их применение не обеспечивает калибровку всей системы контроля герметичности [23], включающей не только объект контроля и течеискатели, но и средства усиления акустического поля дефекта - сетчатые конструкции, описываемые в настоящем патенте, а также неконтактные средства усиления акустического поля дефекта описанные в [1-4, 6-11]. При этом, также как и [12] указанные контрольные образцы не обеспечивают контактное нанесение поверхностно-активных веществ, с требуемым уровнем нанесения без использования дополнительных средств измерения толщины наносимого покрытия. Устранение указанных недостатков обеспечивается реализацией устройства - контрольной течи, работа и устройство которой приведены ниже.
Контрольная течь, приведена на фиг. 4. Работа устройства иллюстрируется фиг. 3а и фиг. 3б, согласно которым в процессе подготовки объекта контроля к испытаниям устройство - контрольная течь монтируется через входной канал 20 корпуса течи фиг. 2а в газовую магистраль заправочной штенгельной трубки 13 обеспечивающей подвижность устройства, при этом обеспечивается единство характеристик контрольной среды, которой нагружается объект контроля и контрольной течи. Набор давления в объекте контроля в процессе испытаний согласно [21] осуществляется ступенчато фиг. 3б. Данное обстоятельство в процессе подготовки к контролю или в процессе проведения испытаний (в части проверки нижнего порога чувствительности) позволяет произвести замер минимально-регистрируемой интенсивности акустического поля на удаленном безопасном расстоянии, рассчитываемом с помощью [22] для испытательного давления Рисп фиг. 3б. При этом в процессе набора давления на первом ступенчатом участке (интервал Т2-ТЗ) фиг. 3б производится определение уровня акустического давления для давления в объекте контроля Р1, которое регистрируется с помощью приемного преобразователя на расстоянии, рассчитываемом как безопасное для испытательного давления по формуле 1, с применением контактных усилителей акустического поля дефекта или без них (так, как определено технологией проведения контроля герметичности). Если в процессе набора давления на первом участке акустическая аппаратура не зарегистрировала показаний, происходит дальнейшее увеличение в соответствии со схемой нагружения объекта контроля. При дальнейшем увеличении давления (интервал Т4-Т5) для уровня давления в объекте контроля Р2 операция по определению уровня акустического давления на безопасном расстоянии определяемом Рисп повторяется, до тех пор, пока неконтактный акустический преобразователь не зафиксирует показаний в единицах выходной шкалы течеискателя (например, мВ). Значения (в единицах выходной шкалы течеискательной аппаратуры), при которых неконтактный акустический преобразователь фиксирует для указанного интервала давления представляют собой зависимость свойств акустического поля дефекта от давления в объекте контроля с учетом всех применяемых усилителей акустического поля дефекта, в соответствии с которым рассчитывают пороговое значение испытательного давления при котором произошла регистрация акустического поля сквозного дефекта рассчитываемого по формуле 2 в соответствии с [21]. Таким образом, калибровочной характеристикой неконтактного акустического газового способа является зависимость выраженная в единицах массового расхода контрольного вещества рассчитанного в соответствии с [24, 25] и прошедшего через критическое микросопло контрольной течи в процессе калибровки течеискательной аппаратуры и неконтактного акустического газового метода с применением контактных усилителей акустического поля дефекта в единицу времени относительно давления контрольной среды в объекте контроля и условий пневмоиспытаний в соответствии с формулой 3, которая определяется в соответствии с [21, 23]. При этом, для этого расчета в конструкции контрольного образца предусмотрен блок измерения параметров контрольного газа (давления и температуры) указанных на фиг. 5а.
где
min
P - пороговое значение давления в объекте контроля, кПа;
n
P - значение давления в контрольной течи при котором микрофонная система течеискателя регистрирует минимальный уровень акустического давления на расстоянии, определяемом по ф. 1 для испытательного давления Рисп, кПа;
а
Т
- сигнал микрофонной системы от контрольной течи, мВ;
а
Ф
- средний фоновый сигнал, мВ;
a
а
Фmax
Фmin
- максимальное и минимальное значения флуктуаций фонового сигнала,
где
min
Q - пороговая чувствительность течеискателя с учетом реальных условий контроля, кг/ч;
1
K - коэффициент определяемый и поверяемый для конкретного микросопла с внутренним диаметром Dy;
min
P - пороговое значение давления в объекте контроля, кПа;
T=273,l+t° - абсолютная температура перед микросоплом, °C.
Описываемое устройство - контрольная течь устраняет недостатки способа указанного как прототип [12], а также [13, 14, 15]. Данное устройство предназначено для калибровки неконтактного акустического газового метода. Устройство обеспечивает формирование акустических волн распространяющихся в воздухе (при значительно большем коэффициенте затухания, чем в материале объекта контроля) при генерации акустического поля дефекта газовыми струями (с ламинарным и турбулентным характером истечения) с учетом разного пространственного положения струи контрольного газа выходящей из микросопла контрольной течи, и использованием усиления акустического поля дефекта - сетчатых конструкций описываемых выше и других существующих средств. В конструкции указанного эталонного образца предусмотрено использование контактных средств усиления акустического поля дефекта и изменения сложной формы его фронта - сетчатых конструкций. Конструкция контрольной течи (фиг. 5а, б, в) содержащей корпус с входом контрольного газа, содержит элементы крепления сетчатых конструкций (пакетов сеток) на выходе контрольного газа, представляющем собой калиброванное микросопло выполненное во вставке, герметично связанное с корпусом контрольной течи посредством прижимной гайки. Также необходимо отметить, что в данном контрольном образце предусмотрена возможность использования поверхностно-активных веществ, описанных в [5] с регистрацией толщины их нанесения без использования дополнительных средств измерения толщины покрытия, за счет соотнесения геометрических параметров измерительной емкости образованной прижимной гайкой 22 (фиг. 5а, фиг. 5б.) со сквозным отверстием и вставкой с сменным критическим микросоплом 25 (фиг. 5а), а также уровнем наносимого покрытия измеряемого с помощью индикаторной шкалы с рисками 26 (фиг. 5б.). В конструкции указанного эталонного образца предусмотрено использование контактных средств усиления акустического поля дефекта и изменения сложной формы его фронта описываемых в настоящем патенте. Кроме того необходимо отметить, что конструкция контрольной течи в процессе проведения контроля герметичности обеспечивает возможность изменения расположения места дефекта (пространственное направление струи контрольного газа, выходящей из места дефекта), и имитацию отражения акустической волны от какой либо преграды (неизбежно присутствующих в зоне контроля), тем самым устраняя возможность сигнала давать ложную индикацию. Калибровка нижнего порога срабатывания течеискательной аппаратуры при использовании контрольной течи обеспечивает надежность локализации дефекта при проведении натурных испытаний с учетом разного направления струи контрольного газа, исходящей из микросопла. Отработка технологии проведения контроля герметичности неконтактным акустическим газовым методом при использовании контрольной течи обеспечивает надежность выявления течей контрольного газа при сканировании щупом акустического течеискателя поверхности объекта контроля на удаленном расстоянии, при этом обеспечивается точное натурное моделирование формы акустического поля дефекта и пространственное расположение дефекта как при применении поверхностно-активных веществ, так и сетчатых конструкций описанных выше (при обеспечении их надежной фиксации фиг. 5в). Конструкция контрольной течи включает в себя емкость, выполненную в прижимной гайке 22 (фиг. 5а, фиг. 5б.). Кроме того, для испытаний с применением дополнительных контактных усилителей, например контактных жидкостей, в емкости 24 предусмотрены индикаторная шкала с рисками, обеспечивающая налив контактных жидкостей в строгом соответствии с инструкцией по применению данных контактных жидкостей. Также необходимо отметить, что контрольная течь для неконтактного акустического газового метода обеспечивает любое пространственное положение дефекта для надежной локализации сквозных дефектов (течей контрольного газа) и их последующего ремонта, т.к. в схеме контрольной течи предусмотрены фиксирующие планки для крепления контактных сетчатых конструкций (фиг. 5в).
Применение сетчатых конструкций в процессе проведения пневмоиспытаний и калибровка неконтактного акустического газового метода с применением указанной контрольной течи и сетчатых конструкций размещаемых контактно поверхности течи как объекта контроля обеспечивает повышение точности измерения размеров течи на удаленном расстоянии за счет выравнивания формы акустического фронта дефекта и снятия неопределенности в процессе измерения характеристик акустического поля дефекта, что позволяет соотнести расходную характеристику течи и параметров акустического поля сквозного дефекта. Оценка акустического давления или интенсивности акустического поля выровненного с помощью сетчатых конструкций на контрольной течи и на объекте контроля позволяет соотнести расходную характеристику сменного поверяемого микросопла с акустическими характеристиками акустического поля дефекта на удаленном расстоянии, что представляет собой новый технический результат, направленный на увеличение надежности локализации места течи и увеличении оценки ее величины. Также новым техническим результатом группы изобретений является повышение безопасности при проведении контроля герметичности неконтактным акустическим газовым методом за счет применения сетчатых конструкций как турбулизаторов ламинарных потоков течей в части увеличения чувствительности проведения контроля. Данное обстоятельство позволяет уменьшать давление контрольного газа при проведении испытаний и проводить сам контроль и калибровку течеискательной аппаратуры в процессе пневмоиспытаний для акустического газового способа при минимальном расстоянии от объекта контроля до щупа ультразвукового течеискателя, согласно [23]. Таким образом, достигается новый технический результат - повышение безопасности и улучшение технологичности в процессе контроля герметичности за счет того, что происходит упрощение конструкции анализаторов течеискателей, так как не требуется применение турбулизаторов ламинарного потока течи и обеспечивается условие безопасности проведения пневмоиспытаний, что особенно важно для объектов контроля в которых нельзя создать высокое давление контрольного газа. Данное обстоятельство позволяет расширить применимость неконтактного акустического газового метода контроля герметичности.
Таким образом, применение группы изобретений решает поставленную задачу. Промышленная применимость
Заявленные устройства для повышения уровня чувствительности при контроле герметичности неконтактным акустическим газовым методом и калибровки нижнего порога срабатывания течеискательной аппаратуры в процессе пневмоиспытаний промышленно применимы и опробованы на течеискательном комплексе «ТИ1-ЗОНД» и контрольной течи «КТ-2 АКУСТИКА» позволяющих проводить контроль на удаленном безопасном расстоянии. Подтверждающие материалы по реализации способа контроля герметичности и контрольного образца представлены видеоотчетом на интернет сайте www.. Устройства могут найти широкий потребительский спрос из-за простоты использования и высокой технологичности при решении особо важных задач при контроле герметичности. Таким образом, техническая задача решена в данной группе изобретений.
Источники литературы принятые во внимание
1. US Patent 5,979,239 « Ultrasonic imaging system»; 73/24.01; 73/597; 1999.
2. US Patent 5,710,377 «Ultrasonic leak detection system»; 73/584; 73/40.5A; 73/585; October 17, 1995.
3. RU, 1516815, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1987.
4. RU, 1516815, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1987.
5. RU (11), 94040121 А1, заявка на изобретение, кл. G01M 3/00, 1994.
6. RU, 1188556, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1984.
7. RU, 838483, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1979.
8. RU, 456165, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1972.
9. US Patent 6,247,353 « Digital ultrasonic monitoring system and method»; 73/40.5A; 73/632; December 10, 1999.
10. RU, 2127877, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1992. (Прототип)
11. RU, 711408, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1980.
12. RU, 2402003 С1, авторское свидетельство, кл. G01M 3/02, 2009. (Прототип)
13. RU, 1312426, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1986.
14. RU, 1295250, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1985.
15. RU, 712716, авторское свидетельство, кл. G01M 3/24, 1978.
16. Уткин В.Е., Разработка путей совершенствования технологии проверки герметичности корпусных конструкций и определение применимости неконтактного акустического метода испытаний. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург. 1999 г. (ОД РГБ, 141406, г. Химки, МО, ул. Библиотечная, 15)
17. Покора И.Н., Исследование акустических спектров звука струи, возникающего при истечении газов из отверстия малого диаметра. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Одесса. 1970 г. (ОД РГБ, 141406, г. Химки, МО, ул. Библиотечная, 15)
18. Баулин И., За барьером слышимости. М.: 3нание. 1971 г., 176 с.
19. Хорбенко И.Г., Звук, ультразвук, инфразвук. Серия: Наука и прогресс. Издание 2-е перер. и доп. М.: Знание. 1986 г., 192 с.
20. Агранат Б.А. и др., Основы физики и техники ультразвука. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1987 г., 352 с.
21. ПБ 03-576-03 Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. Москва, 2003 г., ПИО ОБТ, 187 с.
22. РД 26-12-29-88 Правила проведения пневматических испытаний изделий на прочность и герметичность. Москва, 2001 г., ИПК Издательство стандартов, 25 с.
23. СДОС-07-2012 Методические рекомендации о порядке проведения контроля герметичности, технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах. Москва, 2012 г., ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность», 102 с.
24. ГОСТ 8.586.1-2005 ГСИ. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 1. Принцип метода измерений и общие требования. Москва, 2007 г., Стандартинформ, 41 с.
25. РД 50-411-83 Методические указания расход жидкостей и газов методика выполнения измерений с помощью специальных сужающих устройств. Москва, 1984 г., ИПК Издательство стандартов, 52 с.
26. Кузнецов В.М. Основы теории шума турбулентных струй. М. Физматлит 2008 г. 240 с.
27. ГОСТ Р МЭК 61094-3-2001. Микрофоны измерительные. Москва, 2010 г., Стандартинформ, 16 с.