СПОСОБ И УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК В ТРУБОПРОВОДЕ
METHOD AND DEVICE (VERSIONS) FOR DETECTION OF LEAKS IN PIPELINE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к авиакосмической промышленности и, в частности, к современным реактивным летательным аппаратам, в которых для обеспечения работы различных бортовых систем используется сжатый горячий воздух, отбираемый от двигателей.
Уровень техники
Специалистам хорошо известно использование в современных летательных аппаратах воздуха высокой температуры, отбираемого от компрессоров двигателей, для обеспечения работы различных бортовых систем. Отбираемый от двигателей поток горячего воздуха обычно используется для защиты от обледенения передних кромок крыла и хвостового оперения самолета, а также для работы установок кондиционирования воздуха, подающих свежий воздух в пассажирский салон. Поэтому отбираемый воздух нужно доставлять от двигателей в различные зоны самолета и это обычно осуществляют посредством изолированных металлических трубопроводов диаметром от 1 до 4 дюймов (2,5-10 см) и длиной от 6 до 120 дюймов (15-300 см). Давление воздуха в таком трубопроводе может достигать 450 фунт на кв. дюйм (3,1 МПа), а температура - 1200°F (649°С), но обычно рабочее давление составляет 45 фунт на кв. дюйм (0,3 МПа), а температура - 660°F (349°С).
Для предотвращения повреждений на борту летательного аппарата трубопроводы, транспортирующие отбираемый от двигателя воздух, изолируют. При этом трубопровод снаружи обертывают слоем изоляционного материала. Этот слой может состоять из материала, подобного материалу производства компании Johns-Manville Corporation, находящейся в г.Денвер, штат Колорадо, известному под торговым наименованием Q-Felt. Слой изоляционного материала способен снизить температуру наружной поверхности трубопровода с 660°F (349°C) примерно до 400°F (204°C) и ниже. Затем для фиксации слоя изоляционного материала на трубопроводе его обертывают изолирующей оболочкой из наполненного стекловолокном силоксанового каучука, текстурированной металлической фольги или наполненной стекловолокном полиимидной смолы.
Такие трубопроводы могут давать течь вследствие образования трещин во внутренней металлической трубке. Если такие трещины останутся незамеченными, это может привести к разрушению трубопровода с катастрофическими последствиями. Поэтому для обнаружения возможной утечки должны быть предусмотрены датчики, расположенные по длине трубопровода.
Известные устройства датчиков для обнаружения утечек содержат воздуховыпускной диск с выполненным в нем отверстием, позволяющим потоку горячего воздуха выходить за пределы изолирующей оболочки на основе силоксанового каучука, текстурированной металлической фольги или полиимидной смолы. В случае возникновения утечки из трубопровода, отбираемый горячий воздух выходит из металлической стенки трубопровода и проходит через слой изоляционного материала к воздуховыпускному диску, а затем выходит через отверстие в воздуховыпускном диске. Это отверстие выполнено так, чтобы распылять поток горячего воздуха в виде конусообразной струи, направляемой на два термочувствительных проводника, расположенных на расстоянии примерно одного дюйма (2,5 см) друг от друга и примерно 1,0-1,75 дюйма (2,5-4,4 см) от наружной поверхности трубопровода. Для этого могут использоваться термочувствительные проволочки производства компании Kidde Graviner Limited (Великобритания), известные под торговым наименованием Firewire. При воздействии заранее заданной температуры у термочувствительных проводников изменяются электрические характеристики. В обычных существующих системах, используемых на летательных аппаратах, цепь обнаружения утечек срабатывает при воздействии на проводник температуры 255°F (124°C). Во избежание ложных срабатываний необходимо, чтобы до этой температуры нагрелись оба из двух проводников, расположенных вблизи трубопровода, прежде чем пилоту будет выдан предупреждающий сигнал.
Желательно, чтобы датчики утечек были способны обнаруживать утечку в металлическом трубопроводе через трещину, эквивалентную по площади отверстию диаметром 5 мм. На практике же выяснилось, что известные устройства для обнаружения утечек неспособны выявлять такие утечки. Основная причина этой неспособности известной конструкции заключается в недостаточности расхода воздуха через отверстие воздуховыпускного диска. Это приводит к тому, что температура потока горячего воздуха оказывается недостаточной для срабатывания датчика на термочувствительных проводниках. Во-первых, температура горячего воздуха, просачивающегося из металлической трубки, существенно снижается при прохождении горячего воздуха через слой изоляционного материала. Во-вторых, слой изоляционного материала препятствует прохождению горячего воздуха от места утечки под изолирующей оболочкой на основе силоксанового каучука, текстурированной металлической фольги или полиимидной смолы до отверстия воздуховыпускного диска. Кроме того, было установлено, что к моменту прохождения воздухом расстояния между отверстием воздуховыпускного диска и проводниками датчика температура воздуха падала гораздо ниже значения 255°F (124°С), необходимого для срабатывания датчика на термочувствительных проводниках.
Поэтому желательно усовершенствовать конструкцию устройства для обнаружения утечек таким образом, чтобы можно было успешно обнаруживать утечки через трещины в металлической трубке, эквивалентные по площади отверстию диаметром 5 мм. Также желательно обеспечить возможность экономичного переоборудования существующих летательных аппаратов под новую конструкцию устройства. В особенности желательно использовать при этом уже имеющиеся термочувствительные проводники и чтобы для установки усовершенствованного устройства для обнаружения утечек не требовалось снимать с трубопроводов имеющуюся изоляцию и устанавливать новую.
Раскрытие изобретения
Для создания потока воздуха с достаточной скоростью законы гидрогазодинамики предписывают необходимость наличия давления и объема воздуха одновременно. При наличии достаточного давления воздуха в малом объеме поддержание скорости истечения воздуха становится невозможным после быстрого опустошения этого объема. При наличии достаточного объема воздуха без давления воздух практически не будет перемещаться из области высокого давления в область низкого давления.
В случае образования трещины в металлической трубке, горячий воздух просачивается изнутри трубопровода в слой изоляционного материала. Слой изоляционного материала изменяет характеристики просачивающегося горячего воздуха, во-первых, поглощая тепловую энергию и понижая температуру воздуха, во-вторых, понижая его эффективное давление из-за падения давления, и, в-третьих, уменьшая объем вследствие рассеивания воздуха в кольцевом пространстве между металлической трубкой и изолирующей оболочкой по всей длине трубопровода.
В первом варианте осуществления изобретения эта проблема решается за счет улавливания, или сбора, растекающегося воздуха в воздухосборнике после того как этот воздух пройдет через слой изоляционного материала. Это достигается выполнением в изолирующей оболочке кольцевого выреза (выреза с угловым расстоянием 360°) в одном или нескольких местах по длине трубопровода. Эти кольцевые вырезы закрываются U-образной манжетой из многослойной стеклоткани, пропитанной силоксановым каучуком, которую устанавливают поверх каждого такого кольцевого выреза, выравнивая ее по центру выреза, и крепят по обоим краям к изолирующей оболочке. Просочившийся наружу и растекшийся горячий воздух собирается под манжетой, которая играет роль воздухосборника. Для направления собранного воздуха к имеющимся проводникам датчика предусмотрено выходное отверстие соответствующего размера и формы, аналогичное отверстию в воздуховыпускном диске. Для обеспечения устойчивости направления потока воздуха через выходное отверстие последнее усиливается подкладкой из силоксанового каучука, расположенной на внутренней стороне манжеты. Как только полость под манжетой заполнится воздухом, давление в манжете начнет расти. Это давление достигнет установившегося значения после того, как поток воздуха через трещину в трубопроводе и поток через выходное отверстие станут установившимися.
В отношении первого варианта осуществления изобретения было установлено, в зависимости от расстояния между выходным отверстием в манжете и проводниками датчика, что, несмотря на обеспечение устойчивой струи воздуха, вытесняемого через выходное отверстие при температуре, достаточной для срабатывания датчика, по достижении воздухом проводников датчика температура воздуха все же может оказаться недостаточной из-за того, что при движении воздуха между выходным отверстием и проводниками датчика к нему из-за эффекта эжекции подмешивается окружающий воздух, находящийся вокруг трубопровода.
Поэтому во втором предпочтительном варианте осуществления изобретения между манжетой и проводниками датчика предусмотрен коллектор, направляющий поток горячего воздуха напрямую из выходного отверстия к проводникам датчика без потерь тепла в окружающей среде. В этом предпочтительном варианте конструкция дополнена коллектором и крышкой коллектора, установленными на верхней поверхности манжеты и на одной оси с выходным отверстием в манжете. Коллектор предназначен для направления горячего воздуха, движущегося по одному выполненному в нем каналу, через Y-образное разветвление, где этот канал делится на два канала, ведущих непосредственно к проводникам датчика. Воздействие горячего воздуха на проводники достигается установкой на коллекторе крышки, фиксирующей каждый из проводников датчика в соответствующем пазу. Каждый паз для размещения в крышке соответствующего проводника выполнен совмещенным с выходным отверстием одного из двух каналов, идущих через коллектор от Y-образного разветвления. По существу, горячий воздух проходит от выходного отверстия прямо к проводникам датчика с количеством теплоты, достаточным для срабатывания датчика.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлены виды манжеты сбоку, в сечении и в изометрической проекции.
На фиг.2 представлены виды подкладки сверху, сбоку и в изометрической проекции.
На фиг.3 представлены виды коллектора сверху, снизу, сбоку, в сечении и в изометрической проекции.
На фиг.4 представлены виды крышки сверху, сбоку и в изометрической проекции.
На фиг.5 представлен вид предложенной конструкции в разобранном состоянии, на котором показаны манжета, подкладка, коллектор и крышка, а также их расположение относительно друг друга.
На фиг.6 изображен предпочтительный вариант предложенной конструкции устройства после установки на трубопроводе.
Осуществление изобретения
На фиг.6 показан трубопровод 2 в сборе с изоляцией (далее - изолированный трубопровод), иллюстрирующий тип трубопроводов, на которых предполагается использование изобретения. Этот трубопровод состоит из внутренней металлической трубки 3, обычно выполняемой из стали, имеющей диаметр от 1 до 4 дюймов (2,5-10 см), покрытой слоем изоляционного материала 4, который зафиксирован внешней изолирующей оболочкой 5. Слой изоляционного материала 4 и внешняя изолирующая оболочка 5 выполнены из материалов, рассмотренных выше.
На фиг.1 изобретение представлено в части, касающейся манжеты 10. Манжета 10 установлена по окружности внешней изолирующей оболочки 5 изолированного трубопровода 2, показанного на фиг.6. Манжета 10 предпочтительно выполнена из нескольких слоев стеклоткани, пропитанной силоксановым каучуком, причем в наиболее предпочтительном варианте используются три слоя, во избежание разрыва манжеты 10 из-за чрезмерного роста напряжений в материале при установке манжеты на месте путем ее надевания на изолированный трубопровод 2. Перед креплением манжеты 10 к изолированному трубопроводу 2 по окружности последнего делают кольцевой вырез изоляции, вырезая, по крайней мере, внешнюю изолирующую оболочку 5. Можно удалить и малый фрагмент внешней изолирующей оболочки 5 с образованием в ней узкого просвета.
Для крепления манжеты 10 к изолированному трубопроводу 2 ее надевают на участок изолированного трубопровода 2, где выполнен вырез во внешней изолирующей оболочке 5, и смыкают элементы пазового крепления 11 на краях манжеты 10, показанного на фиг.1.
На фиг.1 (сечение А-А) представлен вид манжеты 10 в поперечном сечении, на котором показана выступающая средняя часть 15 манжеты, к которой с обеих сторон примыкают уступы 12. При установке манжета будет опираться уступами 12 на внешнюю изолирующую оболочку 5 изолированного трубопровода 2, а ее выступающая средняя часть 15 останется над изолирующей оболочкой 5, образуя таким образом под собой кольцевую полость. Манжета 10 крепится к трубопроводу 2 обертыванием уступов 12 и прилегающих к ним участков внешней изолирующей оболочки 5 термостойкой лентой 13 на основе силоксанового каучука, как это показано на фиг.6. Примером соответствующей термостойкой ленты 13 из силоксанового каучука является лента производства компании Arlon Corporation, находящейся в г.Санта-Эйна, штат Калифорния, известная под торговым наименованием МОХ-Таре™. Вместо применения термостойкой ленты 13 можно использовать любой известный способ крепления манжеты 10 к изолированному трубопроводу 2 при условии, что не ограничивается проход воздуха через слой изоляционного материала 4 к полости под манжетой 10. Манжета 10 должна располагаться на изолированном трубопроводе 2 так, чтобы отверстие 14 было ориентировано в удобном направлении относительно положения имеющихся проводников 8 датчика, чтобы выходящий из отверстия 14 воздух воздействовал на оба проводника 8.
Поскольку давление во внутренней металлической трубке 3 изолированного трубопровода 2 может достигать 45 фунт на кв. дюйм (0,3 МПа), можно предположить, что такое же давление может действовать и в полости, образованной между манжетой 10 и изолированным трубопроводом 2. Вследствие этого существует возможность деформирования средней части 15 манжеты 10, при котором она может выгнуться из-за повышения давления в полости под манжетой 10. В результате, при деформации средней части 15 манжеты 10 отверстие 14 может перестать направлять выходящий из него воздух на проводники 8 датчика. Поэтому в качестве вспомогательного средства для поддержания ориентации отверстия 14 в направлении проводников 8 датчика на внутренней поверхности манжеты 10 расположена подкладка 20, находящаяся между манжетой 10 и внешней изолирующей оболочкой 5 изолированного трубопровода 2. Подкладка 20 выполнена по форме с двумя "лапами" 26, которые могут опираться на наружную поверхность изолированного трубопровода 2, и расположенным между лапами 26 желобом 24, предусмотренным для того, чтобы пропускать сжатый воздух, находящийся в образованной манжетой 10 полости, к нижней кромке отверстия 22. Подкладка 20 приклеена к внутренней поверхности манжеты 10 любыми средствами, известными в уровне техники, например клеевым составом на основе силоксанового каучука, вулканизируемым при комнатной температуре (RTV), от компании Dow-Corning. Подкладка 20 выполнена из гибкого материала на основе силоксанового каучука, у которого число твердости по Шору составляет от 30 до 50, так, чтобы подкладка 20 могла изменять форму по внутреннему радиусу манжеты 10. После расположения подкладки на внутренней поверхности манжеты 10 отверстие 22 в подкладке 20 должно быть совмещено с отверстием 14 в манжете 10, чтобы воздух мог проходить из образованной манжетой 10 полости через желоб 24, отверстие 22 и выходить из отверстия 14.
Конструкция в составе манжеты 10 и подкладки 20 представляет собой один вариант изобретения, который будет работоспособным при условии, что проводники 8 датчика расположены достаточно близко к наружной поверхности манжеты 10, чтобы воздух, вытесняемый из отверстия 14, сохранял к моменту воздействия на проводники 8 датчика количество теплоты, достаточное для срабатывания датчика. Эта температура составляет примерно 255°F (124°C). Если же расстояние между проводниками 8 датчика и трубопроводом 2 слишком велико, чтобы датчик мог сработать под действием выходящего воздуха, то можно использовать второй предпочтительный вариант осуществления изобретения.
В этом предпочтительном варианте, помимо рассмотренных выше манжеты 10 и подкладки 20, предусмотрены коллектор 30 и крышка 40. Коллектор 30 в отдельности показан в различных проекциях на фиг.3, а после установки на месте - на фиг.6. Коллектор 30 выполнен в виде массивной детали из состава на основе силоксанового каучука, в которой выполнены каналы для направления воздуха из отверстия 14 в манжете 10 непосредственно к проводникам 8 датчика, которые фиксируются пазами 42 в крышке 40, расположенной на верхней поверхности коллектора 30.
Нижняя поверхность коллектора 30 выполнена изогнутой с заданным радиусом кривизны 33, соответствующим внешнему радиусу манжеты 10, установленной на изолированном трубопроводе 2. Естественно, радиус 33 является переменным в зависимости от размера изолированного трубопровода 2, на который устанавливается манжета 10. Нижняя поверхность коллектора 30 также спрофилирована в соответствии с профилем наружной поверхности манжеты 10. Выступы 37 на нижней поверхности коллектора 30 садятся на уступы 12 манжеты, а выемка 35 предусмотрена для сопряжения с выступающей средней частью 15 манжеты 10. По внешним краям коллектора 30 на его нижней поверхности выполнены полки 36, которые выходят за внешнюю кромку манжеты 10 и используются для крепления коллектора 30 к манжете 10 посредством термостойкой ленты 13 того же типа, что используется для крепления манжеты 10 на наружной поверхности изолированного трубопровода 2.
В коллекторе 30 выполнен канал 34, который после установки коллектора 30 в его положение на манжете 10 совмещен с отверстием 14 в манжете 10. Канал 34 делится на два отдельных канала 32, которые проходят до верхней поверхности коллектора 30 и выходят наружу через выполненные в ней отверстия 31, образуя при этом Y-образный канал внутри коллектора 30. Проводники 8 датчика размещены в пазах 42 крышки 40, фиксирующих их непосредственно над отверстиями 31. Для фиксации крышки 40 и обеспечения надежного совмещения проводников 8 датчика с отверстиями 31 в коллекторе используются стержни 38, выполненные на верхней поверхности коллектора 30, благодаря чему горячий воздух, поступающий из каналов 32 через отверстия 31, воздействует непосредственно на проводники 8 датчика без потери теплоты, имеющей место в известных устройствах, где горячий воздух должен был проходить область гораздо меньшей температуры.
В крышке 40 выполнены отверстия 44 под стержни 38, расположенные на верхней поверхности коллектора 30, с образованием замка-защелки, позволяющего крепко фиксировать крышку 40 в ее положении на верхней поверхности коллектора 30 без использования инструмента. Коллектор 30 предпочтительно выполнен из состава на основе силоксанового каучука с числом твердости от 65 до 85. В другом варианте коллектор 30 может быть выполнен из других материалов, таких как алюминий, однако при этом нужно проявлять осторожность, чтобы избежать чрезмерно высокой теплопередачи через металлический корпус коллектора 30, что привело бы к снижению температуры горячего воздуха, выходящего из отверстий 31. Также крышка 40 предпочтительно должна быть более мягкой, чем коллектор, с числом твердости по Шору от 30 до 50, чтобы при снятии крышки со стержней-защелок 38 не повредить коллектор.
В лаборатории были проведены испытания этой конструкции, при этом на одном трубопроводе рядом друг с другом были установлены известная конструкция с воздуховыпускным диском и предложенная конструкция, раскрытая в данном описании. В металлической трубке 3 изолированного трубопровода 2 была выполнена прорезь шириной примерно 0,025 дюйма (0,06 см) и длиной 1,25 дюйма (3,1 см), имитировавшая трещину, эквивалентную по площади отверстию диаметром 5 мм, и подали давление в металлическую трубку 3 изолированного трубопровода 2. Поток воздуха через известный воздуховыпускной диск не обнаруживался, тогда как через выходное отверстие 14 в манжете 10 воздух выходил со значительной скоростью по всем диапазоне давлений в трубопроводе, составлявших от 5 до 40 фунт на кв. дюйм (0,03-0,28 МПа). В полости, образованной манжетой 10, измерялось давление, составившее примерно 12% от давления в металлической части 3 изолированного трубопровода 2. Это давление в сочетании с объемом полости в манжете 10 обеспечило визуально определимый и измеряемый поток воздуха через выходное отверстие 14 в манжете 10, тем самым решая поставленную перед изобретением задачу.
Раскрытые в описании варианты осуществления носят иллюстративный характер и не должны рассматриваться как ограничивающие объем патентных притязаний на изобретение. Предполагается, что под эти притязания подпадает использование и других материалов, способов крепления различных элементов предложенной конструкции, а также иных форм и конфигураций манжеты, коллектора и крышки.