СПОСОБ ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ПРОТЯЖЕННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
METHOD FOR HEAT MONITORING OF HEAT INSULATION IN LENGTHY PIPELINES

Предлагаемый способ относится к области неразрушающего контроля, а именно к инфракрасной диагностике и методам теплового неразрушающего контроля.
Известны способы контроля, при которых исследуемая поверхность подвергается искусственному нагреву. При внешнем нагреве источник тепла размещается со стороны тепловизора (Драгун В.Л., Филатов С.А. Тепловизионные системы в исследованиях тепловых процессов. - Минск: Наука и техника, 1989. - С.94). Внешний нагрев практически неприменим для поверхностей сферических и цилиндрических объектов (например, тубопроводов). Внутренний нагрев можно обеспечить путем размещения с обратной стороны или введения внутрь контролируемого объекта источников тепла (электронагревателей, теплоносителей и т.п.). Однако это не всегда представляется возможным и приводит к большим энергетическим затратам.
Известен способ тепловизионного неразрушающего контроля качества многослойных композиций (Драгун В.Л., Филатов С.А. Тепловизионные системы в исследованиях тепловых процессов. - Минск: Наука и техника, 1989. - С.95). Способ включает размещение внутри контролируемого объекта галогенных излучателей, создание с помощью них теплового потока к внутренней стороне контролируемой поверхности, контроль температурного поля на наружной стороне контролируемой поверхности с помощью тепловизора.
Недостатком указанного способа является невозможность его использования в протяженных трубопроводах, а также высокие энергетические затраты на его реализацию.
опт
Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемому способу является способ тепловизионного контроля теплоизоляции сосудов и трубопроводов (патент № 2296983, кл. G01K 25/32, 2007 г). Для реализации способа производится наддув сосуда газом наддува до давления p. Адиабатное повышение давления во внутренней полости сосуда приводит к повышению температуры газа в сосуде, в результате которого нагревается стенка сосуда. Тепловой поток, вызванный перепадом температуры между стенкой сосуда и окружающей средой, передается через теплоизоляцию на ее наружную поверхность, формируя на ней температурные поля различной конфигурации, определяемые качеством и текущим техническим состоянием теплоизоляции.
Недостатком указанного способа является недостаточная возможность его использования в протяженных трубопроводах.
Задачей изобретения является создание способа тепловизионного контроля теплоизоляции протяженных трубопроводов, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в обеспечении возможности контроля качества теплоизоляции протяженных трубопроводов, а также в сокращении энергетических затрат на проведение контроля.
Этот технический результат достигается тем, что при заполнении протяженных трубопроводов происходит адиабатное сжатие находящегося внутри трубопровода газа и повышение его внутренней энергии в результате совершения работы сжатия. Одновременно за счет теплопроводности и конвективного перемешивания температуры газов выравниваются, что приводит к возникновению тепловой волны. Указанная совокупность признаков (заполнение протяженных трубопроводов газом, движение тепловой волны) позволит исключить установку внутренних источников тепла и совместить операции тепловизионного контроля с обязательными периодическими операциями по опрессовке и проверке герметичности и прочности протяженных трубопроводов, а также ограничит количество газа, подаваемого во внутреннюю полость на наддув.
1
2
Процесс заполнения протяженных трубопроводов представлен на фиг.1 (L, D - длина трубопровода и его диаметр; L, L - длины, ограничивающие объемы, занятые газами с соответствующими параметрами). При этом происходит адиабатное сжатие находящегося внутри трубопровода газа и повышение его внутренней энергии в результате совершения работы сжатия. Одновременно за счет теплопроводности и конвективного перемешивания температуры газов выравниваются, что приводит к возникновению тепловой волны.
Для протяженных трубопроводов характерно существенное превышение длины над диаметром D/L<<1. Кроме того, время наддува значительно меньше времени выравнивания температур газов за счет конвективного перемешивания.
Изменение температурного поля внутри протяженного трубопровода может быть описано в виде нелинейного дифференциального уравнения:
где ρ - плотность газа;
р
с - удельная теплоемкость при постоянном давлении;
*
λ - эффективный коэффициент теплопроводности.
Эффективный коэффициент теплопроводности может быть определен из выражения:
где ε=f(Gr, Pr, D/L) - коэффициент конвекции, определяемый эмпирически и зависящий от чисел подобия Грасгофа Gr, Прандтля Рr и относительного удлинения D/L.
Для однозначного решения задачи о движении тепловой волны необходимо задать начальные и граничные условия. Начальными условиями являются распределения термодинамических параметров газов в начальный момент времени:
Граничными условиями, вытекающими из постановки задачи, являются условия Неймана:
Поставленная нелинейная задача о движении тепловой волны не имеет аналитического решения. Для ее решения используется математический пакет MathCAD (версия 13), который имеет встроенные возможности численного решения одномерного дифференциального уравнения теплопроводности.
С целью анализа влияния геометрического удлинения D/L на характер изменения температурной картины во времени были выполнены расчеты для следующих исходных данных:
р
- газ идеальный, подчиняется уравнению состояния Клапейрона-Менделеева - воздух с показателем адиабаты k=1,4 и удельной теплоемкостью при постоянном давлении с=1005 Дж/(кг К);
5
- начальное давление в трубопроводе 10 Па;
6
- давление наддува 10 Па;
- температуры газов начальные равны 293 К;
- безразмерный параметр D/L варьировался от 0,01 до 0,1.
- коэффициент конвекции был принят равным ε=1000.
На фиг.2-5 представлены результаты расчетов при D/L=0,01 и на фиг.6-9 представлены результаты расчетов при D/L=0,1.
2
В зависимости от давления наддува газ, находящийся в трубопроводе, адиабатически сжимается, занимая различную долю первоначального объема и повышая внутреннюю энергию до определенных значений. В соответствии с приведенными выше исходными данными геометрическая степень сжатия составляет примерно L/L≈20% (фиг.2, 6 t=0 с), при этом температура газа возрастает до 566 К.
Анализ полученных данных показывает существенное влияние относительного удлинения D/L на изменение температурного поля по длине трубопроводов. Так при значении D/L=0,1 установление равновесного значения температуры газа ≈325 К происходит менее, чем через 10 мин (600 с) после наддува (фиг.9). При значительных удлинениях, например D/L=0,01 (фиг.2-5), неравномерность распределения температуры сохраняется значительно дольше, и характерное время релаксации составляет более часа.
Пример реализации предлагаемого способа проиллюстрируем на основе работы установки, представленной на фиг.10. Установка включает источник газа наддува 1, контролируемый протяженный трубопровод 2 с теплоизоляцией, а также тепловизионную камеру 3.
Работа установки происходит следующим образом. Производится наддув трубопровода 2 газом от его источника 1. При заполнении протяженных трубопроводов происходит адиабатное сжатие находящегося внутри трубопровода 2 газа и повышение его внутренней энергии в результате совершения работы сжатия. Особенностью наддува протяженных объектов, для которых отношение длины к диаметру превышает 100, является движение максимума температуры в сторону наддува после его окончания. Тепловой поток, вызванный перепадом температуры между стенкой трубопровода и окружающей средой, передается через теплоизоляцию трубопровода 2 на ее наружную поверхность, формируя на ней температурные поля различной конфигурации, определяемые качеством и текущим техническим состоянием теплоизоляции. Контроль температурных полей на наружной поверхности теплоизоляции трубопровода 2 производится тепловизионной камерой 3, с помощью которой осуществляется регистрация температурных полей на поверхности трубопровода. Закон движения тепловой волны предопределяет и схему перемещения оператора тепловизионной камеры вдоль трубопровода для использования максимальной контрастности ИК-изображений. Тепловизионная камера 3 перемещается вдоль трубопровода 2 в сторону источника газа наддува 1 в соответствии с законом движения максимума температуры по длине трубопровода. Время движения тепловизионной камеры вдоль трубопровода устанавливается по результатам расчетов.
Предлагаемый способ обеспечивает возможность контроля качества теплоизоляции протяженных трубопроводов, а также сокращение энергетических затрат на проведение контроля.