Акустико-диагностическая установка-стенд для определения сквозных дефектов объектов, работающих под давлением

Полезная модель относится к области технической диагностики объектов с использованием акустической эмиссии и может быть использована для оценки технического состояния испарителей, конденсаторов, теплообменных аппаратов, сосудов и иных объектов, работающих под давлением (в дальнейшем ОРД), а также технологических трубопроводов для транспортирования жидких и газообразных сред методом акустической эмиссии путем формирования эталонных исходных данных для определения наличия, местоположения и количественной оценки размеров сквозных дефектов, вызывающих потерю герметичности.
В основе работы установки лежит явление акустической эмиссии, вызванное истечением жидкости или газа через сквозной дефект, и метод неразрушающего контроля, позволяющий получать и накапливать эталонные параметры АЭ при моделировании различных типоразмеров характерных дефектов металлоконструкций ОРД.
Известно устройство, реализующее способ определения координаты источников сигналов акустической эмиссии (АЭ), содержащее исследуемый объект в виде участка линейно протяженного длинномерного изделия в виде трубопровода с размещенными на его концах двумя группами датчиков, в виде преобразователей АЭ по два преобразователя в каждой группе [Патент РФ на ИЗ №1730917, МПК: G01N 29/04, опубл. 15.12.1994]. В устройстве предусмотрено наличие аппаратуры приема и обработки данных, принимающее сигналы АЭ и измеряющее время прихода сигналов к преобразователям в каждой группе и определяющее на основании полученных данных местоположение источника сигналов АЭ.
Недостатком указанного технического решения является то, что для определения местоположения дефекта необходимо использовать большое количество датчиков, что усложняет устройство, повышает его стоимость и затрудняет процесс идентификации полезных сигналов АЭ.
Известно устройство для обнаружения коррозионных дефектов в трубопроводах водоснабжения [Патент РФ на ИЗ №2138037, МПК: G01N 29/04 опубл. 20.09.1999], по которому на концах исследуемого объекта в виде контролируемого участка трубопровода устанавливают пары акустических датчиков, подключенных ко входу аппаратуры приема и обработки данных, которыми фиксируют генерируемые дефектом акустические колебания. При этом в каждой паре акустических датчиков одним датчиком фиксируют продольные колебания, а другим - поперечные колебания, а регистрацию колебаний осуществляют всеми датчиками одновременно с последующей их фильтрацией для выделения сигналов с частотой 1000-2500 Гц. Затем сравнивают сигналы акустических датчиков в каждой паре между собой для выявления сигналов от дефекта, а его местоположение определяют по сигналам от датчиков, регистрирующих продольные колебания.
Недостатком указанного устройства является то, что его использование предусматривает установку четырех датчиков, что существенно усложняет его конструкцию, повышает его стоимость и значительно затрудняет процесс выявления и разделения колебаний на продольные и поперечные. Кроме того, область применения объекта исследования ограничивается конструкциями с жидкой средой, а именно участком трубопровода диаметром более 80 мм.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является акустико-диагностический комплекс, реализующий способ обнаружения дефектов в трубопроводе (варианты) [Патент РФ на ИЗ 2379676, МПК: G01N 29/14, опубл. 20.01.2010], содержащий исследуемый объект, выполненный в виде трубопровода, пьезоэлектрические датчики, подключенные к аппаратуре приема и обработки данных, в виде блока аналого-цифрового преобразователя, соединенного с персональным компьютером с набором установленного программного обеспечения.
Недостатком указанного изобретения является то, что оно позволяет проводить исследование только тех объектов, в которых происходит истечение жидкой рабочей среды через сквозной дефект из внутреннего объема трубопровода во внешнюю среду, и не учитывает иные режимы эксплуатации ОРД, когда процесс истечения происходит из межтрубного (внешнего) в трубное (внутреннее) пространство. При этом область применения устройства не предусматривает диагностирование объектов исследования со средой иной, нежели жидкость. Кроме того, диапазон определяемых размеров сквозных дефектов достаточно узок и не охватывает всех возможных дефектов, возникающих при эксплуатации ОРД. Ограничением является то, что установка предназначена для диагностирования трубопроводов с диаметром более 25 мм.
Задачей настоящей модели является расширение ассортимента исследуемых ОРД с одновременным увеличением достоверности получаемых результатов, а также формирование базы данных эталонных сигналов, характерных для различных условий эксплуатации каждого из ОРД, что, в свою очередь, упрощает процесс выявления и определения размеров сквозных дефектов.
При решении указанной задачи была разработана установка-стенд, позволяющая достигнуть технический результат, заключающийся в моделировании конструкционных особенностей исследуемых объектов, режимов эксплуатации и различных дефектов в исследуемых ОРД, сборе и обработке сигналов АЭ, генерируемых этими дефектами и формировании на их основе базы данных эталонных сигналов, для дальнейшего сравнения с сигналами, полученными при диагностировании объектов контроля.
Кроме этого, заявленная установка-стенд позволяет определять наличие и размер сквозных дефектов объектов контроля при режимах эксплуатации в качестве рабочей среды как жидкости, что предлагается в прототипе, так и газа. При этом учтен режим эксплуатации, при котором истечение рабочей среды через сквозной дефект происходит не только из внутренней замкнутой среды во внешнюю, как это предлагается в прототипе, но и из внешней замкнутой среды во внутренний объем объекта.
Повышение достоверности количественной оценки сквозных дефектов ОРД по сравнению с прототипом обеспечивается за счет расширения диапазона определяемых размеров сквозных дефектов (путем предварительного анализа, с учетом режима эксплуатации объекта контроля, предусматривающего истечение рабочей среды из трубного в межтрубное пространство и наоборот). Заявляемая установка позволяет определять характерные сигналы АЭ при истечении через дефекты с размерами менее 1 мм, и, кроме того, диагностировать трубопроводы с диаметром менее 25 мм. При моделировании потери работоспособности ОРД с использованием установки-стенда каждый вид дефекта имитируется на отдельной трубке. Дефект изготавливается сверлением, лазерным или плазменным способом в зависимости от требуемого диаметра (от 50 мкм).
Сущность заявляемой акустико-диагностической установки-стенда для определения сквозных дефектов ОРД, заключается в том, что она содержит исследуемый объект, пьезоэлектрические датчики, подключенные к аппаратуре приема и обработки данных, которая соединена с компьютером с набором установленного программного обеспечения.
Новым в заявляемой установке является то, что она содержит корпус с расположенными на его торцах крышками с отверстиями по их центру и резьбовыми соединениями для монтажа в них втулок с развальцованными в них соответствующими концами исследуемого объекта с предварительно нанесенным сквозным дефектом, один развальцованный конец которого загерметизирован пробкой, навинченной на соответствующую втулку, а другой соединен с системой для подачи избыточного давления рабочей среды в трубное пространство с возможностью ее герметизации, навинченной на другую втулку, корпус жестко соединен с системой для подачи избыточного давления рабочей среды в межтрубное пространство с возможностью его герметизации, причем пьезоэлектрические датчики расположены на соответствующих крышках корпуса.
Исследуемый объект может быть выполнен в виде сменного трубопровода.
Аппаратура приема и обработки данных может быть выполнена в виде блока аналого-цифрового преобразователя.
Система для подачи избыточного давления рабочей среды в трубное пространство может состоять из соединительного патрубка с внутренней резьбой, переходящего в нагнетательный патрубок, выполненный со смонтированными на нем манометром и запорной арматурой.
Система для подачи избыточного давления рабочей среды в межтрубное пространство может состоять из нагнетательного патрубка корпуса со смонтированными на нем манометром и запорной арматурой.
Проведенные патентные исследования не выявили технических решений, ставших общедоступными в мире до даты приоритета полезной модели и характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Кроме того, предлагаемая установка изготовлена на опытном производстве и может быть применима на практике при проведении технического диагностирования трубопроводов и других ОРД с целью обеспечения безопасности дальнейшей эксплуатации посредством своевременного выявления сквозных дефектов, а также количественной оценки их размеров, что соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Акустико-диагностическая установка-стенд для определения сквозных дефектов ОРД представлена на:
фиг. 1 - продольный разрез установки-стенда;
фиг. 2 - лабораторная установка-стенд;
фиг. 3 - графики результатов лабораторных испытаний, отраженных в базе данных компьютера.
Акустико-диагностическая установка-стенд для определения сквозных дефектов ОРД содержит корпус 1 (Фиг. 1), выполненный в форме цилиндра диаметром более 100 мм, с двумя плоскими крышками 2 и 3, приваренными к корпусу 1 по его торцам, и выполненными из того же материала. Во внутренней полости корпуса 1 установлен исследуемый объект в виде испытательного трубопровода 4, развальцованного с двух концов во втулки 5 с внешней резьбой. Размер диаметра трубопровода может быть различным, в том числе менее 25 мм. Продольные оси трубок 4 и корпуса 1 совпадают. В центре крышек 2, 3, имеются круглые отверстия соответственно 6 и 7 с резьбой 8 для монтажа развальцованных испытательных трубопроводов, выполненных с заранее нанесенным сквозным дефектом 9 в виде отверстия известного (заданного) размера. Со стороны крышки 3 на втулке 5, ввинченной в резьбовое соединение 8, устанавливается, посредством резьбового соединения, система для подачи избыточного давления рабочей среды в трубное пространство, предназначенная для подачи газа или жидкости под давлением в трубное пространство 10, и состоящая из соединительного патрубка 11 с внутренней резьбой для навинчивания на резьбу втулки 5, переходящего в нагнетательный патрубок 12 со смонтированными на нем манометром 13 и запорной арматурой 14. Оси соединительного 11 и нагнетательного 12 патрубков совпадают. Возможность герметизации трубопровода со стороны системы для подачи избыточного давления в трубное пространство, осуществляется открытием или закрытием запорной арматуры 14. На корпусе 1 устанавливается система для подачи избыточного давления в межтрубное пространство, предназначенная для подачи газа или жидкости под давлением в межтрубное пространство 15, состоящая из нагнетательного патрубка 16 корпуса, жестко установленного на корпусе 1 посредством сварки, со смонтированными на нем манометром 17 и запорной арматурой 18. Возможность герметизации корпуса посредством системы для подачи избыточного давления в межтрубное пространство, осуществляется открытием или закрытием запорной арматуры 18. Со стороны крышки 2 на втулке 5 путем навинчивания на нее устанавливается пробка 19, герметизирующая один развальцованный конец трубопровода 4, а со стороны 3 на другой втулке устанавливается система для подачи избыточного давления в трубное пространство, герметизирующая другой конец трубопровода.
Исследуемый объект 4 изготавливают с учетом того, что при его монтаже в корпус 1 втулки 5 с развальцованным трубопроводом должны выступать с обеих сторон крышек корпуса на расстояние, достаточное для монтажа на них с одной стороны пробки 19 для герметизации, а с другой - системы для подачи избыточного давления рабочей среды в трубное пространство.
Контроль сигналов АЭ осуществляется акустико-эмиссионным комплексом, содержащим два пьезоэлектрических датчика 20, установленных соответственно на крышках 2 и 3, и подключенных к аппаратуре приема и обработки данных 21, выполненной, например, в виде блока аналого-цифрового преобразователя, соединенной с персональным компьютером 22 с установленным набором программного обеспечения (пакетом установленных программ). Датчики 20 регистрируют колебания, вызванные истечением рабочей среды, например, воздушных масс через сквозные дефекты в направлении движения, как из межтрубного (внешнего) пространства 15 в трубное (внутреннее) пространство 10, так и обратно.
Установка работает следующим образом. В лабораторных условиях на исследуемый объект 4 наносят сквозной дефект 9, форма и размер которого наиболее характерны для контролируемого ОРД. Во втулки 5 развальцовываются концы исследуемого объекта. Далее установка собирается и герметизируется. Исследуемый объект 4 с развальцованными втулками вкручивается в корпус 1 через отверстия 6, 7 и со стороны крышки 2 герметизируется пробкой 19, а со стороны крышки 3 герметизируется системой для подачи избыточного давления рабочей среды в трубное пространство посредством ее запорной арматуры 14. Далее моделируется режим работы ОРД - межтрубное 15 и трубное 10 пространство заполняются испытательной средой, например, газом и в них создается испытательное давление, соответствующее режиму эксплуатации, контролируемое манометрами 13 и 17.
В качестве нагнетающих устройств могут быть использованы компрессоры, ресиверы и насосы, которые подсоединяются к системе для подачи избыточного давления рабочей среды в трубное пространство и к системе для подачи избыточного давления рабочей среды в межтрубное пространство. При этом обеспечиваются возможные режимы эксплуатации объекта контроля, при котором истечение рабочей среды через сквозной дефект происходит как из внутренней замкнутой среды - трубной 10 во внешнюю - межтрубную 15, так и из внешней замкнутой среды во внутренний объем объекта.
Эксперименты проводились с использованием системы «А-Line 32D» модификации «Ethernet-Вох», состоящей из сетевого промышленного компьютера, комплекта соединительных кабелей, предусилителей или модулей и преобразователей АЭ (датчиков). Управление платами в корпусе сетевого промышленного компьютера осуществляется при помощи другого персонального компьютера с набором программного обеспечения.
На фиг. 3 представлены графики, характеризующие различные параметры сигналов АЭ, генерируемых при истечении рабочей среды через сквозной дефект, диаметром 0,5 мм, размещенном на испытательной трубке (длиной 400 мм) на расстоянии 100 мм от одного из развальцованного во втулке 5 конца, при следующих параметрах рабочего режима: в межтрубном пространстве 15 - газ азот с давлением 0,4 МПа, а в трубном пространстве 10 - воздух 0,1 МПа. Числовые значения показателей, представленных на этих графиках, вносятся в базу данных эталонных сигналов. По оси абсцисс указывается время проведения испытаний, а по оси ординат значения параметров сигналов АЭ.
Формирование эталонных сигналов АЭ производится следующим образом. В лабораторных условиях на установке датчиками 20 выявляются сигналы АЭ, генерируемые при истечении рабочей среды через сквозной дефект 9 известного размера при разных режимах истечения рабочей среды, задаваемых посредством изменения давления, после чего в аппаратуре приема и обработки сигналов 21 производится их преобразование в цифровую форму, далее на персональном компьютере 22 в программной среде LabView производится формирование базы данных эталонных сигналов АЭ. Далее исследуемый трубопровод 4 заменяется на аналогичный с дефектом другого размера и испытание повторяется при различных сочетаниях рабочих режимов. Полученные эталонные сигналы АЭ аккумулируются в базу данных компьютера.
Замена исследуемого трубопровода 4 другим производится следующим образом. Со втулки 5 свинчиваются пробка 19 и система для подачи избыточного давления рабочей среды в трубное пространство посредством соединительного патрубка 11. Вывинчиваются втулки 5 с исследуемым трубопроводом 4. Производится замена трубопровода 4 и снова развальцовывается во втулках 5 и устанавливается на стенде.
После формирования эталонных сигналов АЭ и размещения их численных значений в базе данных компьютера проводятся испытания контролируемого ОРД путем подключения к нему датчиков 20 акустико-эмиссионного комплекса. Полученные на контролируемом ОРД сигналы АЭ вводятся в программную среду LabView, где производится их сравнение с базой данных предварительно полученных эталонных сигналов АЭ, сформированной благодаря заявляемому стенду, и при наличии сигналов, входящих в соответствующие интервалы, выдается заключение о наличии сквозного дефекта, его размерах и местоположении.
Заявляемая установка-стенд позволяет расширить ассортимент испытуемых ОРД путем использования сменных исследуемых объектов с различными параметрами, например, различных толщин и материалов со сквозными дефектами разных видов и размеров, а также одновременно создать различные режимы их испытания (изменением давлений нагнетания рабочих сред) и, при этом, определять конкретные значения сигналов АЭ, соответствующих этим параметрам и режимам, формируя эталонные значения АЭ в базе данных компьютера. Проведение моделирования различных размеров сквозных дефектов (от 50 мкм) контролируемого объекта и формирование эталонных сигналов АЭ, соответствующих каждому из типоразмеров дефектов, при заданных рабочих параметрах, соответствующих реальным режимам эксплуатации ОРД, увеличивает достоверность получаемых эталонных сигналов.
Установка - стенд предназначена для многократного применения путем использования сменных исследуемых объектов для последующего диагностирования трубопроводов и ОРД, в том числе, диаметром менее 25 мм. Возможность осуществления заявляемой акустико-диагностической установки-стенда для определения сквозных дефектов ОРД, подтверждается использованием в ней известных элементов, в том числе, на уровне функционального обобщения, а также материалов, применяющихся в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности. Заявляемая установка позволяет решить задачу, заключающуюся в расширении ассортимента исследуемых ОРД с одновременным увеличением достоверности получаемых результатов путем:
- получения на экспериментальной установке-стенде эталонных сигналов АЭ, характерных для истечения рабочей среды через сквозной дефект известного размера в соответствии с реальными режимами эксплуатации ОРД;
- формирования базы данных эталонных сигналов АЭ в программной среде LabView;
- получения сигналов АЭ в ходе дальнейшего проведения диагностирования производственных объектов контроля и сравнения их с базой данных эталонных сигналов АЭ в программной среде LabView и выдаче заключения о наличии, местоположении сквозного дефекта и его размере.
Достоверность полученных данных обеспечивается путем моделирования установкой - стендом технологических условий, приближенных к различным реальным условиям работы контролируемых ОРД, а также путем изготовления физической модели объекта из марки материала исследуемого объекта с соответствующими размерами и допусками, требуемыми условиями контакта пьезоэлектрического датчика на поверхности модели, поверенностью АЭ-аппаратуры и средств контроля.