Способ обнаружения утечек в кожухотрубном теплообменном аппарате
METHOD FOR DETECTING LEAKAGE IN A COUPLING TUBE HEAT EXCHANGER

Настоящее изобретение относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики теплообменных аппаратов (ТА) с использованием акустической эмиссии (АЭ), преимущественно кожухотрубных ТА, предпочтительно эксплуатирующихся в контакте с аварийно химически опасными веществами (АХОВ) или горючими веществами, проведение ремонтных работ которых предусматривает обязательное выполнение подготовительных мероприятий по специальной обработке (нейтрализация, дегазация и пр.) внутренней полости, и может быть использовано для определения утечек в ТА в процессе диагностирования, а также оптимизации процесса поиска мест негерметичности в трубном пучке.
В основе способа лежит явление АЭ, вызванное истечением рабочей среды (газа, жидкости) через сквозной дефект.
Анализ существующего уровня техники в указанной области показал, что известен способ акустико-эмиссионного контроля и диагностики сосудов, работающих под давлением, для хранения сжиженного газа, используемый для обнаружения протечек газа через сквозные дефекты, в котором решение о наличии утечки принимается на основе наличия шумов, регистрируемых АЭ системой, а для оценки зоны расположения дефектов и степени их опасности устанавливают сеть датчиков в виде множества первичных преобразователей (RU №2139511, 1999 г.).
Недостатком указанного способа является высокая стоимость его реализации из-за необходимости использования большого количества датчиков, а также невозможность использования для АХОВ.
Известен способ обнаружения утечки в ТА, предусматривающий введение продукта обнаружения в виде поискового газа, в качестве которого используют гелий, в один из каналов ТА и использование устройства обнаружения утечки (гелиевую детекторную головку) в другом канале, чтобы обнаружить гелий, который поступил в другой канал за счет утечки, причем создают поток воздуха через канал, содержащий гелиевую детекторную головку, при этом давление в содержащем гелий канале посредством компрессорного средства поддерживают выше, чем в канале, содержащем гелиевую детекторную головку. Этот способ позволяет получать результаты испытаний после короткого периода работы и может быть использован в присутствии воды или другой жидкости (WO 2001032756 А1, 2001 г.).
Недостатком указанного способа является то, что в ТА могут образовываться воздушные карманы в зависимости от геометрии каналов и при некоторых обстоятельствах в зависимости от наличия в них жидкости. Это может привести к неправильному толкованию результата и его низкой достоверности. Кроме того, указанный способ невозможно использовать для АХОВ.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому способу является способ обнаружения утечек в ТА, имеющем отдельные каналы для рабочей жидкости и теплообменного флюида, предусматривающий введение жидкости обнаружения в один из указанных каналов, пропускание жидкости в различных направлениях в указанном одном из каналом и обнаружение любой жидкости обнаружения, которая просочилась из одного канала в другой из каналов (RU №2344395, 2004 г.).
Недостатком указанного изобретения является низкая достоверность контроля трубчатого ТА, т.к. в изобретении рассмотрен простейший ТА, но на практике в состав трубного пространства входят от десятка до сотен трубок. Кроме этого, в кожухотрубном ТА межтрубное пространство покрыто кожухом и нет физической возможности визуального обнаружения окрашивания или следов от флуоресцентного красителя на дефектах по всей длине трубок без проведения полной разборки ТА. Возможно только выявление следов от красителя на торцах трубной решетки, но тоже после проведения частичной разборки ТА (снятия крышек). Кроме того, в случае использования в качестве продукта обнаружения красителя в прототипе предусматривается его прогон в противотоках для равномерности осаждения красителя, что занимает длительное время, а также требуется периодическая разборка ТА для удаления красителя, что также занимает время. При этом прототип не может использоваться в условиях с опасными или ядовитыми техническими жидкостями, АХОВ, так как требуется обязательное выполнение подготовительных мероприятий по специальной обработке внутренней полости, таких как нейтрализация, дегазация и прочее. В примере использования трубчатого ТА указанный способ не предусматривает использование ТА с пучками труб.
Задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего сократить время диагностики, в том числе и выявления утечки, и оптимизировать процесс поиска ряда, содержащего, по меньшей мере, одну дефектную трубку кожухотрубного ТА, выполненного со множеством трубок, без его разборки и одновременно обеспечить безопасность контроля технического состояния ТА в условиях работы в контакте с АХОВ.
При решении указанной задачи был достигнут технический результат, заключающийся в разработке способа обнаружения утечек в кожухотрубном ТА, в том числе с АХОВ, имеющем отдельные каналы для рабочей жидкости и теплообменного продукта, который предусматривает введение в канал с рабочей жидкостью (трубное пространство) продукта обнаружения в виде газа без прогонки его во встречных направлениях, как это происходит в прототипе, а в канал с теплообменным продуктом (межтрубное пространство) постепенное введение нейтрализующей жидкости с одновременным контролем высоты ее подъема. В качестве продукта обнаружения в виде газа для создания давления подходит любой инертный газ, а также, в некоторых случаях, азот. В качестве нейтрализующей жидкости, подаваемой в межтрубное пространство, можно использовать любую жидкость, способствующую нейтрализации, в том числе воду или уксусную кислоту (1%-2% раствор), а в качестве средства обнаружения использовать акустико-эмиссионный комплекс. Это позволяет исключить контакт обслуживающего персонала с элементами, что обеспечивает безопасность эксплуатации, ускоряет процесс диагностирования, так как исключает возвратное передвижение продукта обнаружения и совмещает процесс определения дефекта с нейтрализацией рабочего пространства. Возможность избирательного выбора ряда из множества каналов с рабочей жидкостью позволяет оптимизировать процесс обнаружения утечки. Заявляемый способ одновременно позволяет увеличить число видов обслуживаемых кожухотрубных ТА с различным количеством горизонтально расположенных пучков трубок.
Сущность способа заключается в том, что он включает использование отдельных каналов для рабочей жидкости и каналов для теплообменного продукта, выполненных с возможностью контакта между собой, введение продукта обнаружения в, по меньшей мере, один канал для рабочей жидкости, поддержание давления в одном из каналов выше, чем в другом, идентификацию утечек продукта обнаружения из одного канала в другой, в случае их наличия, посредством применения средства обнаружения.
Новым в заявляемом способе является то, что применяют все каналы для рабочей жидкости в виде горизонтальных рядов из трубок с возможностью установки их друг над другом с образованием каналами для теплообменного продукта межтрубного пространства ТА, удаляют из трубок рабочую жидкость, а из межтрубного пространства теплообменный продукт, после чего перекрывают соответствующей заглушкой доступы рабочей жидкости в трубки и теплообменного продукта в межтрубное пространство, вводят во все трубки продукт обнаружения, незамедлительно вводят последовательно по высоте в межтрубное пространство нейтрализующую жидкость, одновременно осуществляют постоянный контроль уровня высоты подъема нейтрализующей жидкости по тарировочной таблице до заполнения ею всего межтрубного пространства ТА, одновременно с вводом нейтрализующей жидкости в межтрубное пространство ТА осуществляют контроль средством обнаружения, в качестве которого используют акустико-эмиссионный комплекс, идентификацию утечки продукта обнаружения определяют по изменению сигналов акустической эмиссии при кавитационном истечении продукта обнаружения из соответствующего ряда трубок в соответствующие каналы для теплообменного продукта с нейтрализующей жидкостью и по зафиксированному ряду трубок, определяемому использованием тарировочной таблицы при нейтрализации межтрубного пространства ТА, после чего удаляют из межтрубного пространства ТА нейтрализующую жидкость, а из трубок продукт обнаружения и осуществляют выявление, по меньшей мере, одной дефектной трубки с имеющейся утечкой из обнаруженного ряда трубок.
Кроме того, новым в заявляемом способе является то, что в качестве продукта обнаружения может быть использован газ (например, инертный газ или азот), а в качестве нейтрализующей жидкости может быть использован 1%-2% раствор уксусной кислоты.
Проведенные патентные исследования не выявили технических решений, ставших общедоступными в мире до даты приоритета изобретения и характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Для специалистов в указанной области заявляемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники, следовательно, можно предположить, что указанное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Кроме того, предлагаемый способ может быть применим на практике при проведении технического диагностирования трубок ТА с целью обеспечения безопасности дальнейшей эксплуатации посредством своевременного выявления сквозных дефектов, что соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Пооперационное выполнение способа на реализующем его устройстве и результаты испытаний представлены на чертежах, где изображены на:
фиг. 1 - продольный разрез ТА;
фиг. 2 - поперечный разрез А-А ТА на фиг. 1;
фиг. 3 - графики результатов лабораторных испытаний, отраженных в базе данных компьютера;
фиг. 4 - фрагмент тарировочной таблицы.
Исследуемый ТА (фиг. 1), реализующий заявляемый способ, содержит горизонтально установленный корпус 1, выполненный в виде кожуха или обечайки, ограниченный с двух сторон трубной решеткой 2 с установленными в нем, по меньшей мере, одним каналом 3 для рабочей жидкости в виде трубки, предпочтительно, нескольких трубок, установленных в виде горизонтальных рядов, расположенных каждый на своем уровне друг над другом, и, по меньшей мере, двумя межтрубными каналами 4 для теплообменного продукта, предпочтительно, нескольких, расположенных каждый на своем уровне, образованных внутренней полостью корпуса, исключая объем занятый трубками, представляющих собою межтрубные пространства между трубными каналами 3 как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, в которых находятся АХОВ, например, компоненты ракетного топлива, подлежащие нейтрализации, то есть удалению АХОВ с поверхности объекта - с внутренней поверхности обечайки ТА и внешней поверхности трубных каналов 3.
Корпус 1 снабжен входным 5 и выходным 6 патрубками, а также распределительными камерами 7, 8, образованными каждая прикрепленными с обеих сторон крышками 9 и 10 соответственно. Крышка 10 имеет входной 11 и выходной 12 патрубки, соединенные с пространствами трубок 3. Перед началом осуществления заявляемого способа рабочая жидкость из трубок 3 и теплообменный продукт из межтрубных каналов 4 ТА удаляются. Продукт из межтрубных каналов 4 удаляется самотеком через патрубок 6 в резервную емкость, расположенную ниже уровня установки ТА (на чертеже не показана). Рабочая жидкость из трубного пространства 3 сначала самотеком через патрубок 12, а на конечном этапе под воздействием подаваемого продукта обнаружения выдавливается из трубного пространства. Далее для осуществления способа выходы из пространств трубок 3 через распределительную камеру 8 и выходной патрубок 12 закрывают посредством заглушки 13, а из межтрубных каналов 4 посредством заглушки 14, устанавливаемой на выходном патрубке 6.
Способ реализуется тем, что в трубное пространство каналов 3 сразу после закрытия заглушками 13 и 14 вместо используемой рабочей жидкости (хладоносителя), через входной патрубок 11, посредством подключенного к нему компрессора или ресивера (на чертеже не показан), подается продукт обнаружения - газ, а для легковоспламеняющихся и АХОВ - инертный газ, или азот, который заполняет трубное пространство каждой трубки 3, создавая избыточное давление. Возможно использование любого газа, не вступающего в реакцию с продуктом и применимого для легко воспламеняющихся жидкостей. Для этого подходят как инертные газы, так и азот. Как показывает практика, самым дешевым и наиболее часто применимым для этих целей является азот. С целью расширения ассортимента используемых газов и учитывая способ определения утечки с использованием гелия, описываемый в прототипе, в заявляемом способе предпочтительно используют инертные газы.
Процесс ввода газа производится в течение нескольких минут в зависимости от количества трубок, например, от 5 до 10 минут, пока газ не распределится по всему объему соответствующих каналов. При этом осуществляется контроль сигналов АЭ средством обнаружения, выполненным в виде акустико-эмиссионного комплекса, содержащим два датчика 15, выполненными каждый, например, в виде преобразователя АЭ (ПАЭ), подключенных к блоку приема и обработки информации 16, выполненному, например, в виде блока аналого-цифрового преобразователя, соединенному с персональным компьютером 17 с установленным набором программного обеспечения (пакетом установленных программ).
ПАЭ 15, установленными на фланцах корпуса 1 и контактирующими с трубными решетками 2 ТА, регистрируются колебания и контролируются сигналы АЭ, вызванные истечением газа из трубного пространства каналов 3 в межтрубное 4 через имеющийся сквозной дефект 18. Сразу после введения продукта обнаружения незамедлительно приступают ко вводу в межтрубное пространство 4 нейтрализующей жидкости (фиг. 1, 2), например, воды либо иной жидкости в зависимости от используемого вида АХОВ, например, нейтрализация несимметричного диметилгидразина осуществляется 1%-2% раствором уксусной кислоты через входной патрубок 5. Процесс сопровождается дальнейшей последовательной подачей жидкости самотеком до заполнения объема кожуха, при этом по мере заполнения каналов 4 межтрубного пространства уровень жидкости поднимается до соответствующих горизонтальных рядов уровней расположения трубок 3. Одновременно при контроле сигналов АЭ в блоке приема и обработки информации 16 необходимо следить за существенным изменением параметров сигналов АЭ, которое появляется при газовой кавитации, сопровождающейся появлением пузырьков выходящего через дефект 18 из трубок 3 газа в нейтрализующую жидкость под действием перепада давлений. Это будет свидетельствовать о заполнении и постепенным затоплении трубного пространства 3 нейтрализующей жидкостью и при наличии сквозного дефекта началу истечения газа из трубного пространства каналов 3 в межтрубное пространство каналов 4 в жидкость. При этом давление продукта обнаружения в каждом трубном канале 3 поддерживают незначительно большим, чем давление столба жидкости в контактирующих с ним межтрубных каналах 4.
Появление кавитационного режима истечения газа в канале характеризуется измененными значениями контролируемых параметров сигналов АЭ. При этом размер найденного дефекта не определяется, а фиксируется только месторасположение ряда трубок, в котором найдена утечка хотя бы в одной трубке.
Для реализации предложенного способа предварительно подготавливают тарировочную таблицу по заполнению объема внутреннего межтрубного пространства кожуха. В нормативно-технической документации на каждый ТА есть данные, позволяющие ее построить (фиг. 4). При построении тарировочной таблицы учитывается плотность применяемой нейтрализующей жидкости и габариты ТА. Итоговая тарировочная таблица должна содержать зависимость количественных характеристик уровня высоты подъема столба нейтрализующей жидкости от объема заправленной в межтрубное пространство нейтрализующей жидкости с указанием номера рядов трубок, соответствующих указанным параметрам.
При появлении изменения параметров сигнала АЭ оператор отмечает на тарировочной таблице, какой высоте подъема уровня нейтрализующей жидкости соответствует это изменение, тем самым определяя и горизонтальный ряд трубок 3, соответствующий этой высоте. Операция продолжается до полного заполнения межтрубного пространства нейтрализующей жидкостью. В случае обнаружения повторного изменения параметров сигнала АЭ оператор снова отмечает, какой высоте уровня жидкости соответствует это изменение. Способ позволяет после проведения испытания по уровню, при достижении которого происходило изменение параметров сигнала АЭ, определить соответствующий горизонтальный ряд трубок, в одной или нескольких из которых имеется сквозной дефект, способствующий течи. В дальнейшем производится удаление из пространства ТА нейтрализующей жидкости посредством снятия с выходного патрубка 6 заглушки 14 и слива нейтрализующей жидкости в емкость для последующей утилизации, затем осуществляют выявление, по меньшей мере, одной дефектной трубки из обнаруженного ряда трубок с имеющейся утечкой, для чего в выявленном ряду проводятся дополнительные обследования по определению конкретного места утечки различными общепринятыми средствами неразрушающего контроля, например, ультразвуковым дефектоскопом, и их изоляция, например, пробками. В случае превышения количества выявленных дефектных трубок более 15% от их общего числа в ТА производится выемка трубного пучка и его ремонт.
Эксперименты проводились с использованием акустико-эмиссионной системы «А-Line 32D» модификации «Ethernet-Вох», состоящей из сетевого промышленного компьютера, комплекта соединительных кабелей, предусилителей или модулей и ПАЭ. Управление платами в корпусе сетевого промышленного компьютера осуществляется при помощи другого персонального компьютера с набором программного обеспечения.
Применение заявленного способа приводит к оптимизации процесса поиска места негерметичности при наличии множества трубок в ТА, что позволяет исключить необходимость дополнительного обследования другими методами контроля до 96%. Такое ограничение области поиска дефектных труб приводит к ускорению поиска дефектной трубки из общего множества трубок ТА. Например, ТА ТЛ-160 состоит из 476 трубок, использование предложенного способа позволяет определить ряд трубок, одна или несколько из которых содержит дефект, приводящий к утечке. В зависимости от уровня подъема жидкости можно выявить ряд, содержащий от 11 до 23 трубок. При выявлении ряда из 15 трубок оптимизация поиска течи заключается в исключении необходимости обследования 96,9% трубок, из 22 трубок - 95,4% из их общего числа.
На фиг. 3 представлены графики, характеризующие различные параметры сигналов АЭ, генерируемых при истечении рабочей среды через сквозной дефект диаметром 0,5 мм, предварительно нанесенный в трубке ТА, при следующих параметрах рабочего режима: в трубном пространстве - азот под давлением 0,2 МПа. Числовые значения показателей, представленных на этих графиках, меняются в случае изменения режима истечения (создание кавитационного режима). По оси абсцисс указывается время проведения испытаний, а по оси ординат - значения параметров сигналов АЭ.
Возможность осуществления заявляемого способа обнаружения утечек в кожухотрубных ТА подтверждается использованием для его реализации средств, известных до даты приоритета, в том числе на уровне их функционального обобщения, а также материалов, применяющихся в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности. Заявляемый способ позволяет решить задачу, заключающуюся в обеспечении безопасности эксплуатации ТА в условиях работы в контакте с АХОВ, из-за отсутствия необходимости доступа к элементам диагностируемого ТА, сократить время обнаружения утечки, оптимизировав процесс поиска соответствующего ряда, содержащего дефектную трубу кожухотрубного ТА без его разборки, а также совместить процесс определения дефекта с проведением обязательной операции по нейтрализации межтрубного пространства.