СПОСОБ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНОГО СОСУДА
HEAT CONTROL METHOD FOR LEAKAGE CHECK OF LARGE-SIZED VESSELS

Способ теплового контроля герметичности крупногабаритных сосудов может быть использован при поиске дефектов типа сквозных трещин сосудов, например котлов железнодорожных цистерн.
Контроль герметичности котлов железнодорожных цистерн является неотъемлемой операцией деповского ремонта. По нормативным документам данный вид контроля проводится применением пузырькового, манометрического и ультразвукового методов неразрушающего контроля. В силу своих особенностей эти методы не прижились на производстве, и контроль герметичности фактически происходит посредством визуально-оптического метода, обладающего малой чувствительностью и достоверностью.
Известен тепловой способ диагностики технического состояния сосудов, работающих под избыточным внутренним давлением, патент № RU 2243519 С2 (от 27.03.2004 г.) МПК: G01M 3/00, G01N 25/72. Он заключается в нагружении сосуда внутренним давлением посредством подачи в него рабочего тела. Перед подачей рабочего тела в контролируемый сосуд измеряют температуру поверхности сосуда, рабочее тело нагревают (охлаждают) до температуры выше (ниже) температуры поверхности сосуда на величину не менее температурной разрешающей способности тепловизионной аппаратуры. После нагружения сосуда осуществляют регистрацию температурного поля его поверхности с помощью тепловизионной аппаратуры и проводят его анализ. При наличии контраста температурного поля делают вывод о дефектности и необходимости ремонта сосуда, а при отсутствии - заключение об удовлетворительном техническом состоянии.
Однако нагретое (охлажденное) рабочее тело, помещенное в контролируемый сосуд охлаждается (нагревается) за счет естественного теплообмена с окружающей сосуд средой. Рабочее тело при истечении через сквозной дефект сохраняет температурный контраст на поверхности сосуда, который можно еще регистрировать только до тех пор, пока оно не нагреет (охладит) стенки сосуда. Следовательно, накладывается требование к оперативности контроля. Кроме того, согласно эффекту Джоуля-Томсона при истечении рабочего тела температура на выходе течи уменьшается.
При нагружении сосуда нагретым рабочим телом вследствие эффекта Джоуля-Томсона струя на выходе течи будет охлаждаться, и температурный контраст может быть ослаблен настолько, что сквозной дефект может быть не обнаружен или потребуется средство контроля повышенной чувствительности.
При нагружении сосуда охлажденным пробным телом эффект Джоуля-Томсона создает условия более надежного выявления дефекта. Но на получения охлажденного рабочего тела требуется значительно большие ресурсы и более дорогостоящее оборудование (требуется жидкий газ, холодильное оборудование).
Известен способ неразрушающего контроля на герметичность частично открытых и составных объектов в серийном производстве, патент № US 2011310923 A1 (от 22.12.2011 г.) МПК G01M 3/00, G01N 25/72. Способ предусматривает подачу рабочего тела под давлением в испытуемый полый объект, точечное охлаждение при истечении рабочего тела под давлением через течь в теле полого объекта фиксируют с помощью тепловизора, к выходу которого подключен компьютер. Точное местоположение и размер каждой утечки определяется автоматически посредством построения графика, содержащего распределение температуры на поверхности объекта. Данный способ прост и нагляден, принят за прототип.
Однако он не учитывает влияние теплообмена рабочего тела с окружающей сосуд средой и поскольку данный процесс не является адиабатическим, температурный контраст, возникающий в местах утечек, будет ослаблен, что приведет к потере чувствительности контроля при заданных параметрах тепловизионной аппаратуры. Кроме того, при сканировании поверхности сосуда тепловизором может произойти «ослепление» последнего за счет попадания потока рабочего тела, истекающего сквозь течь под давлением, на чувствительный элемент, что также уменьшает чувствительность контроля вплоть до пропуска дефекта. Приведенные факторы уменьшают достоверность способа-прототипа.
Таким образом, возникает задача повышения достоверности обнаружения течи в котлах железнодорожных цистерн.
и
тp
Технический результат достигается за счет того, что контроль дополняют непрерывной подачей в сосуд водяного пара (рабочего тела), поддерживают постоянство уровней внутреннего давления и температуры данного рабочего тела, сканируют поверхность сосуда с регистрацией температурного контраста теплочувствительным устройством, причем ось визирования последнего устанавливают наклонно к контролируемой поверхности и сравнивают значения изменений измеряемой температуры контролируемой поверхности ΔТ с расчетным по ниже приведенной формуле значением изменения температуры в зависимости от установленного допустимого размера течи S,
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mi>р</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>н</mi><mo>.</mo><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Р</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Р</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>η</mi><mo>⋅</mo><mi>l</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>С</mi><mi>р</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
р
где ΔТ - расчетное значение разности температур рабочего тела и сосуда;
н.п.
Т - температура на поверхности сосуда, К;
р.т.
Т - температура рабочего тела внутри сосуда, К;
1
2
Р, Р - давление окружающей среды и рабочего тела в сосуде соответственно, МПа;
тр
2
S - площадь течи, м;
η - вязкость рабочего тела, Па·с;
l - толщина стенки сосуда, м;
φ - коэффициент скорости истечения рабочего тела;
р.т.
<mrow><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi></mrow></mfrac></mrow>
µ - молярная масса рабочего тела,
;
р
<mrow><mfrac><mrow><mi>Д</mi><mi>ж</mi></mrow><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mo>⋅</mo><mi>К</mi></mrow></mfrac></mrow>
С - молярная теплоемкость рабочего тела при постоянном давлении,
,
и при превышении расчетного значения температуры измеренным судят о наличии сквозного дефекта и его местоположения на поверхности котла.
Эффект Джоуля-Томсона заключается в изменении температуры рабочего тела в результате медленного протекания его под действием перепада давления через дроссель - сквозную трещину, расположенную в теле сосуда. Предполагается при этом, что истечение рабочего тела - процесс адиабатический, т.е. без теплообмена с окружающей средой, в частности со стенками сквозной трещины. В реальных условиях данный процесс политропный, связанный не только с охлаждением потоков газа, проходящего сквозь течь за счет медленного дросселирования последнего через малое отверстие (течь) из котла цистерны в окружающую среду, но и с отводом тепла в стенки сквозной трещины, например, за счет трения струи рабочего тела. В процессе такого истечения рабочее тело совершает работу, затрачивая внутреннюю энергию. При этом изменение внутренней энергии рабочего тела будет прямо пропорционально изменению температуры:
<mrow><msub><mi>Е</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>Т</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>С</mi><mi>р</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
k
где E - кинетическая энергия струи истекающего рабочего тела.
Отсюда
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mi>р</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>н</mi><mo>.</mo><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Р</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Р</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>η</mi><mo>⋅</mo><mi>l</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>С</mi><mi>р</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
По этому выражению суть способа сводится к следующей последовательности операций: измерение температуры рабочего тела внутри сосуда, измерение температуры на поверхности сосуда, расчет разности температур рабочего тела и сосуда в зависимости от установленного допустимого размера течи, которая используется для сравнения с измеренными данными, полученными при сканировании поверхности сосуда.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема системы контроля по заявленному способу; на фиг.2 изображено сечение котла со сквозной трещиной, через которую происходит утечка рабочего тела при перепаде давления.
На фиг.1, 2 представлены: 1 - котел цистерны; 2 - сквозная трещина; 3 - паропровод; 4 - парообразователь; 5 - соединительные провода для сбора информации с элементов системы; 6 - пульт управления; 7 - устройство стабилизации давления и температуры; 8 - манометр; 9 - термометр; 10 - теплочувствительное устройство; 11 - пороговое устройство; 12 - вычислительное устройство; 13 - блок вывода информации.
1
1
2
2
п
Кроме того, на фиг.2 показаны: P, Т - давление и температура окружающей среды соответственно; Р, Т - давление и температура рабочего тела внутри котла соответственно; Т - температура потока рабочего тела, вырывающегося через течь в теле котла.
2
1
2
1
2
2
п
и
р
тр
и
Предлагаемый способ заключается в следующем. Контроль железнодорожных цистерн целесообразно проводить на пропарочных станциях, где выполняют очистку котлов паром от остатков перевозимого груза. Водяной пар (рабочее тело), нагретый до температуры Т=+200°С, отличной от температуры окружающей среды Т, под давлением Р=0,2 МПа, превышающее давление окружающей среды Р, подают в котел цистерны 1 (фиг.1, 2) по паропроводу 3 из парообразователя 4 при включенной кнопке «Пуск» на пульте управления 6. Устройство стабилизации 7 обеспечивает постоянство температуры Т и давления Р, фиксируемое термометром 9 и манометром 8. Сканирование осуществляется посредством перемещения теплочувствительного устройства 10 с пороговым устройством 11. При наличии сквозного дефекта типа трещины 2 возникает утечка рабочего тела с температурой Т. За счет перепада давления между внутренней и внешней стенками котла цистерны (фиг.2) согласно эффекту Джоуля-Томсона в зоне дефекта образуется локальное изменение температуры ΔТ. Обнаружение участка локального изменения температуры на фоне помех и шумов производят путем сравнения расчетной разности температур ΔТ рабочего тела и сосуда в зависимости от установленного допустимого размера течи S со значениями температуры ΔТ, полученными на поверхности сосуда при сканировании его поверхности. И при превышении расчетного значения температуры измеренным фиксируют факт наличия сквозного дефекта и его местоположения на поверхности контроля. После обработки в вычислительном устройстве 12 результаты контроля представляют в виде отчета с указанием факта обнаружения сквозной течи и ее местоположения в блоке вывода информации 13.
Преимущества заявленного способа перед аналогом и прототипом заключаются в следующем: повышение достоверности контроля за счет учета теплообмена объекта контроля с окружающей средой и его влияние на возникающий эффект Джоуля-Томсона; уменьшение экономических затрат за счет проведения контроля одновременно с технологическими операциями по пропарке котла цистерны с использованием штатного оборудования пропарочной станции.