Способ контроля герметичности металлических резервуаров
METHOD FOR CONTROLLING THE TIGHTNESS OF METAL TANKS

Изобретение относятся к области неразрушающего контроля и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях промышленности при контроле герметичности резервуаров, котлов, баков, трубопроводов и прочих объектов с односторонним доступом, а также может быть использовано для определения координат мест течей в бассейнах выдержки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) на атомных электростанциях (АЭС).
В атомной энергетике задача обнаружения места утечки из бассейна осложняется тем, что испытываемые бассейны выдержки ОЯТ имеют бетонную опалубку, и доступ к их внешним стенкам отсутствует. Кроме этого, найти место утечки требуется в бассейне, заполненном водой и корпусами ОЯТ, что также ограничивает контролепригодность при течеискании.
Известны различные способы и устройства определения несплошностей (мест течей) резервуаров, бассейнов и т.п.
Известно техническое решение - патент RU 2014591 С1 от 01.08.1988 «Способ контроля качества сварных соединений труб». С помощью индуктора обхватывают контролируемый стык труб и после включения электропитания индуцируют в стыке труб по шву токи, протекающие перпендикулярно стыку. В результате неравномерного нагрева индукционными токами сварной стык с дефектами создает неравномерное инфракрасное излучение, которое отображает на экспонированной фотопленке соответствующие дефекты шва. Недостаток - способ неприменим для контроля герметичности бассейнов выдержки отработавшего ядерного топлива атомных электростанций - заглубленных бассейнов или если наружные поверхности бассейнов хотя бы частично закрыты вспомогательным оборудованием или заполнены жидкостью. Также недостатком способа является наличие расходных материалов, что негативно сказывается на экономических показателях проведения контроля герметичности.
Известно техническое решение - патент US 9897561 В2 от 20.02.2018 г. «METHOD OF DETECTING DEFECTS IN AN OBJECT BASED ON ACTIVE THERMOGRAPHY AND A SYSTEM THEREOF». Способ обнаружения дефектов в объекте на основе активной термографии, включающий нагрев поверхности объекта во множестве его локализованных областей, выбор по меньшей мере одной из локализованных областей в качестве эталонной области, выбор по меньшей мере еще одной из локализованных областей в качестве области сравнения, сравнение теплового отклика в области сравнения с тепловым откликом в эталонной области из-за нагрева и определение наличия дефекта у объекта на основе сравнения. Также предусмотрена соответствующая система для обнаружения дефектов в объекте. Недостатки - невозможность проведения тепловизионного контроля в жидкости делает невозможным обнаружение точных координат мест утечек жидкости в бассейнах выдержки отработавшего ядерного топлива атомных электростанций.
Для обнаружения течей применяют индикаторы, как правило, это химические вещества, обладающие окрашивающим эффектом, либо это радиоактивные вещества. Например, в а.с. СССР №1439427 «Способ обнаружения течей в днищах наземных резервуаров» приведен способ с использованием перманганата натрия характерного цвета для определения неплотности в стыке днища и корпуса бассейна. Указанный метод ограниченно контролепригоден, т.к. не позволяет осуществлять поиск и локализацию мест течей в днище бассейна. Кроме того, адсорбция этих веществ на поверхностях материалов оборудования не позволяет их применять при наличии ограничений технологическими требованиями к содержимому бассейнов и другого технологического оборудования. Совсем неудобен способ с применением красителя для контроля заглубленных бассейнов или если наружные поверхности бассейнов хотя бы частично закрыты вспомогательным оборудованием.
Известны акустические способы и устройства определения места течи, основанные на приеме шума вытекающей струи и преобразовании этого шума в электрические напряжения. Например, изобретение по патенту РФ №2249802, МПК G01M 3/24, F17D 5/02. Способ заключается в приеме шумовых сигналов течи двумя акустическими датчиками снаружи и внутри объекта контроля, обработке их и определения места течи по разности скорости распространения волн во внешней среде и в объекте. Данный метод также ограниченно контролепригоден и применим для объектов при свободном доступе к его внешней поверхности, например трубопроводов. Для заглубленных в землю бассейнов данный метод плохо применим. Кроме того, точность локализации места течи, приемлемая для трубопроводов, недостаточна для бассейна.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому изобретению является техническое решение - RU 2392597 С1 от 2009.04.2013. Способ заключается в вертикальном погружении несущей конструкции с основанием и закрепленными на нем сканирующими приборами через проходное отверстие в бассейн с водой. Улавливание звука выходящей через течь воды, выбор направления места течи, после определения направления основание с приборами продвигают в направлении сигнала до достижения наибольшей близости к его источнику, далее подают под давлением на предполагаемое место течи красящее вещество, ждут его оседания, фиксируют видеоизображение видимой точки засасывания вещества в течи. Указанный способ не дает возможности выявить поверхностные развивающиеся дефекты (не являющиеся сквозными). Способ также не дает возможности выявить малые течи, не обеспечивающие формирование требуемого акустического сигнала (как главного информативного критерия поиска места течи). Это неизбежно приводит к недобраковкам в процессе течеискания, и удорожанию проведения испытаний при последующем контроле герметичности. Также к недостаткам указанного способа можно отнести указанные выше недостатки для а.с. СССР №1439427.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа, позволяющего точно определить нахождение мест течей в бассейнах выдержки отработавшего ядерного топлива атомных электростанций, или любых других металлических резервуаров заполненных жидкостью.
Технический результат, благодаря которому решается поставленная задача, заключается в повышении безопасности хранения отработавшего ядерного топлива за счет точной локализации мест течей без удаления жидкости, в том числе в процессе эксплуатации бассейна, что влияет на снижение времени ремонта бассейна выдержки отработавшего ядерного топлива.
Известно, что при индукционном нагреве металлических поверхностей в местах несплошностей происходит перераспределение плотности вихревых токов, создаваемых электромагнитным полем нагревательного индуктора. По сравнению с бездефектным участком, в месте нахождения несплошности (дефекта) плотность вихревых токов увеличивается, что приводит к локальному повышению температуры.
Технический результат заявленного способа достигается тем, что он включает погружение в жидкость и перемещение с требуемой скоростью по поверхности резервуара несущей конструкции на колесах с основанием и закрепленными на нем нагревательным индуктором с управляемой мощностью, светоизлучающим источником, видеокамерой, микрофоном, измерителем температуры и устройством для создания постоянного магнитного поля, проведение настройки нагревом бездефектного участка металлического резервуара с использованием нагревательного индуктора до появления на поверхности резервуара в месте локального нагрева пузырьков кипящей жидкости, уменьшением мощности работы нагревательного индуктора до прекращения кипения жидкости, с дальнейшим проведением контроля герметичности перемещением несущей конструкции на колесах по поверхности резервуара и ее локальным индукционным нагревом, освещением и видеонаблюдением поверхности места нагрева, с постоянной фиксацией его координат, измерением температуры жидкости у места нагрева.
Указанное ниже описание отражает частный случай реализации способа контроля герметичности металлических резервуаров.
Сущность заявленного изобретения, реализуемость и возможность промышленного применения поясняется чертежами.
Фиг. 1 - Устройство (продольное сечение);
Фиг. 2 - Бездефектный участок, настройка (поперечное сечение):
Фиг. 3 - Бездефектный участок, проведение контроля герметичности (поперечное сечение);
Фиг. 4 - Участок с несплошностью, проведение контроля герметичности (поперечное сечение).
1 - металлический резервуар, 2 - жидкость, 3 - несущая конструкция, 4 - колеса, 5 - основание, 6 - нагревательный индуктор с управляемыми мощностью и частотой, 7 - светоизлучающий источник, 8 - видеокамера, 9 - микрофон, 10 - измеритель температуры, 11 - устройство для создания постоянного магнитного поля, 12 - направление движения, 13 - начало координат, 14 - место локального нагрева, условно показана толщина контролируемого металлического материала S и расстояние от нагревательного индуктора до поверхности контролируемого металлического материала L, 15 - бездефектный участок металлического резервуара, 16 - пузырьки кипящей жидкости, 17 - траектории вихревых токов, 18 - электромагнитное поле нагревательного индуктора, 19 - наведенное электромагнитное поле, 20 - траектории вихревых токов, 21 - электромагнитное поле нагревательного индуктора, 22 - наведенное электромагнитное поле, 23 - траектории вихревых токов, 24 - несплошность, 25 - участок металлического резервуара с несплошностью, 26 - наведенное электромагнитное поле.
Способ контроля герметичности металлических резервуаров осуществляется следующим образом.
В металлический резервуар 1, заполненный жидкостью 2 погружается несущая конструкция 3 на колесах 4 с основанием 5 и закрепленными на нем нагревательным индуктором 6 с управляемыми мощностью и частотой, светоизлучающим источником 7, видеокамерой 8, микрофоном 9, измерителем температуры 10 и устройством для создания постоянного магнитного поля 11 (Фиг. 1). Несущая конструкция 3 начинает перемещение с определенной скоростью по поверхности резервуара 1, в направлении 12 с одновременной постоянной фиксацией положения несущей конструкции 3 относительно начала координат 13 и контролем места локального нагрева 14. После чего проводится настройка нагревом бездефектного участка 15 (Фиг. 2) металлического резервуара 1 с изменением мощности и частоты нагревательного индуктора 6 до появления в месте локального нагрева 14 на поверхности бездефектного участка 15 резервуара 1 пузырьков кипящей жидкости 16. Измерителем температуры 10 проводится измерение и фиксация температуры. Схематично показаны траектории вихревых токов 17 в металле бездефектного участка 15 резервуара 1, которые создает электромагнитное поле 18 нагревательного индуктора 6, а также наведенное электромагнитное поле 19. Далее (Фиг. 3) проводится изменение мощности и частоты нагревательного индуктора 6 в сторону уменьшения его коэффициента полезного действия до прекращения кипения жидкости 2 (появления пузырьков 16 (Фиг. 2)). Также схематично показаны измененные траектории вихревых токов 20 в металле бездефектного участка 15 резервуара 1, которые создает измененное электромагнитное поле 21 нагревательного индуктора 6, а также наведенное электромагнитное поле 22. Проведение контроля герметичности (Фиг. 4) осуществляется перемещением несущей конструкции 3 на колесах 4 по поверхности резервуара 1 с определенной скоростью и ее локальным индукционным нагревом, освещением и видеонаблюдением поверхности места нагрева 14, с постоянной фиксацией координат несущей конструкции 3 (места локального нагрева 14), и измерением температуры жидкости 2 у места локального нагрева 14. Также схематично показано перераспределение плотности вихревых токов 23 в области несплошности 24 в металле участка 25 резервуара 1 содержащего несплошность 24, электромагнитное поле 21 нагревательного индуктора 6, а также наведенные электромагнитные поля 26. Таким образом, при визуальном обнаружении пузырьков кипящей жидкости 16 с использованием видеокамеры 8 в области локального индукционного нагрева 14 фиксируется место несплошности 24. При улавливании микрофоном 9 звука появления пузырьков 16 кипящей жидкости 2 определяется наличие несплошности 24. При увеличении температуры жидкости 2 определяется наличие несплошности 24 (Фиг. 4).
Возможна реализации указанного способа заключающаяся в том, что в контролируемых участках 15 и 25 металлического резервуара 1 создается электромагнитное поле соответственно 18 и 21 нагревательным индуктором 6 с управляемыми мощностью и частотой, и постоянное магнитное поле устройством для создания постоянного магнитного поля 11 (Фиг. 1). При этом в постоянном магнитном поле контролируемый участок 15 и 25 намагничивается до состояния технического насыщения. При наличии несплошности 24 из-за действия размагничивающего фактора будут искажаться силовые линии магнитного поля и изменяться намагниченность как вблизи себя, так и в приповерхностном слое. В результате из-за нелинейности характеристики намагничивания контролируемого участка 25 металлического резервуара 1 вблизи поверхности изменится магнитная проницаемость. Это приведет к перераспределению плотности вихревых токов и неравномерности выделяемого тепла в области несплошности 24, которое может быть зафиксирована при визуальном обнаружении пузырьков кипящей жидкости 16 с использованием видеокамеры 8 в области локального индукционного нагрева 14, а также при улавливании микрофоном 9 звука кипения жидкости 2, или при увеличении температуры жидкости 2.
Данный способ можно применять, если резервуар 2 погружен в жидкость 3.
Заявленное изобретение имеет отличия от наиболее близких аналогов, таким образом, удовлетворяя условию патентоспособности «новизна».
Заявленное техническое решение явным образом не следует из уровня техники. Кроме того, в процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного решения, и, следовательно, оно удовлетворяет условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
В настоящее время способ апробирован на предприятии ООО «РЕСУРС И СЕРВИС» и экспериментально подтверждена его реализуемость с достижением заявленного технического результата (https://www.resnk.ru).
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №1439427 «Способ обнаружения течей в днищах наземных резервуаров».
2. Патент РФ №2249802 от 25.01.2002 «Способ определения места течи в трубопроводе и устройство для его реализации».
3. Патент RU 2014591 С1 от 01.08.1988 «Способ контроля качества сварных соединений труб».
4. Патент US 9897561 В2 от 20.02.2018 г. «METHOD OF DETECTING DEFECTS IN AN OBJECT BASED ON ACTIVE THERMOGRAPHY AND A SYSTEM THEREOF».
5. Патент RU 2392597 C1 от 2009.04.2013 «Способ обнаружения и устранения течи в бассейне выдержки ОЯТ и устройство для его осуществления».
6. ГОСТ Ρ 59286-2020 «Контроль неразрушающий. Течеискание. Термины и определения».