Оценка возможности использования теплового метода контроля герметичности котла железнодорожной цистерны

УДК 536.255

Е. В. Кондратенко

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КОТЛА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЦИСТЕРНЫ

В статье представлены результаты экспериментальных исследований по оценке возможности использования тепловых методов контроля герметичности котла железнодорожной цистерны. В данной работе отражены результаты исследования формирования тепловых полей на внешней поверхности резервуара в области сквозного дефекта типа трещина при дросселировании сквозь него газовой среды за счет перепада давления.

Полученные термограммы отражают локализацию дефекта с подробным описанием аномалий тепловых полей, зафиксированных тепловизором. Также практически подтверждены опыты, описанные в работах Джоуля и Томсона, по дросселированию газа сквозь местное препятствие.

Потребность в подвижных единицах для перевозки добытого сырья на предприятия переработки растет с каждым днем. Также актуальным остается вопрос транспортировки готового продукта по стране и за ее пределы, что обусловливает рыночные отношения экономики страны. Поэтому поддержание высокого уровня надежности подвижного состава является неотъемлемой задачей инженеров транспорта.

При перевозке жидких и газообразных веществ как нельзя лучше подходит вагон-цистерна, обеспечивающий легкость налива-опорожнения емкости и сохранность транспортировки груза.

В связи со сложностью и объемом конструкции цистерн в условиях вагоноремонтного депо при контроле герметичности котла используют устаревшие методы диагностирования, что сказывается на его достоверности.

Применение новых бесконтактных методов неразрушающего контроля позволяет не только повысить достоверность контроля, но и сократить субъективный фактор и вывести оператора-дефектоскописта из опасной зоны проведения испытаний.

Решением данной задачи является применение теплового вида неразрушающего контроля, основанного на активном методе, реализующемся за счет охлаждения поверхности около дефекта (типа трещина) при прохождении сжатого воздуха сквозь течь в теле котла [1]. Данное явление, описанное в работах Д. Джоуля и В. Томсона в 1852 - 1862 гг., получило название эффекта Джоуля - Томсона [2], который основан на изменении температуры газа при адиабатическом расширении (дросселировании), т. е. на медленном протекании газа под действием постоянного перепада давления сквозь местное препятствие потоку газа.

Практически эффект Джоуля - Томсона может быть осуществлен без использования пробки, как описывается в работе [2]. Если газ под давлением будет протекать в пространство с низким давлением (порядка атмосферного), например, через вентиль или узкое отверстие, то также возникает перепад температур. Такой процесс аналогичен течению газа по широкой трубе, в которой есть узкое отверстие (течь), за которым труба безгранично расширяется.

С целью практического подтверждения законов термодинамики при истечении газа сквозь течь проведем исследования по определению температурного контраста, возникающего при истечении газа, с возможностью его регистрации тепловизионной аппаратурой.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) подтвердить эффект Джоуля - Томсона при протекании сжатого воздуха сквозь течь в теле котла железнодорожной цистерны при перепаде давления не более 6 атм;

2) выявить градиент температуры на поверхности исследуемого резервуара или в приповерхностном слое воздуха при изменении давления истекающего рабочего тела (воздуха) сквозь течь разной длины;

3) подтвердить адекватность использования теплового вида неразрушающего контроля при проведении испытаний на герметичность сосудов, в частности, котлов железнодорожных цистерн.

Экспериментальные исследования проводились с использованием сосуда в виде запасного тормозного резервуара грузового вагона типа Р7-78, внешний вид которого представлен

на рисунке 1. Запасной тормозной цилиндр так же, как и котел железнодорожной цистерны, состоит из цилиндрической обечайки 3 (см. рисунок 1) и двух днищ 2. Для подачи воздуха в резервуаре имеются два технологических отверстия в виде штуцеров, расположенных на днище (штуцер 1) и на обечайке (штуцер 4).

Рисунок 1 - Внешний вид резервуара

В теле исследуемого резервуара имеются два дефекта типа трещина, образованных в результате механического воздействия (удара) в ходе эксплуатации резервуара. Трещины расположены в районе штуцера днища (см. рисунок 1, позиция 1) и имеют размеры 3 и 7 мм.

Для проведения испытаний следует собрать пневмосхему, представленную на рисунке 2.

Исследования истечения воздуха сквозь течь при разном уровне давления производились по следующему алгоритму.

1. Собрать схему испытаний (см. рисунок 2).

2 - обратный клапан; 3 - ресивер; 4 - манометр; 5 - фильтр со сбросом конденсата; 6 - реле вакуума;

7 - регулятор давления со сбросом избыточного давления и манометром; 8 - клапан регулирующий,

дозирующий; 9 - резервуар; 10 - тепловизор

2. Установить тепловизионную аппаратуру в области первого дефекта таким образом, чтобы его объектив был защищен от прямого попадания потоков, вырывающихся сквозь течь воздуха под давлением.

3. Произвести съемку поверхности резервуара в области расположения течи в равновесном состоянии (без истечения воздуха сквозь течь).

4. Подать в резервуар воздух под давлением 1 атм, при этом запустить секундомер.

5. Провести съемку поверхности и приповерхностного слоя дефектной области через 1, 2, 5, 10, 15 минут опрессовки резервуара.

№ 3(19) ЛЛИ Л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 19

=2014

6. Последовательно увеличить давление воздуха до 6 атм с шагом 1 атм, при этом на каждом этапе повторить операции, описанные в п. 4, 5, опорожнить резервуар.

7. Установить тепловизионную аппаратуру в области второго дефекта таким образом, чтобы потоки истекающего воздуха не попадали в объектив тепловизора.

8. Провести съемку второй области дефекта согласно указаниям п. 4 - 6.

9. Провести анализ термограмм на факт наличия аномальных температурных зон исследуемой области резервуара.

10. Оценить изменение температурного контраста в зависимости от времени дросселирования и перепада давления.

В результате проведения испытаний выявлено, что при дросселировании воздуха сквозь дефект (течь) при перепаде давления между стенками резервуара создается разность (градиент) температур. Истекающий поток воздуха, проходя сквозь течь, в результате резкого расширения расходует свою внутреннюю энергию на изменение температуры потока воздуха. На внешней поверхности резервуара за счет трения граничных струек потока происходит охлаждение берегов течи. Далее за счет теплопроводности материала резервуара происходит охлаждение области вокруг течи, как результат создается тепловой контраст на внешней поверхности, фиксируемый теплочувствительным оборудованием (тепловизором).

Данный факт свидетельствует о возникновении термодинамических процессов, описанных в работе Джоуля - Томсона [2].

При повышении давления воздуха, подаваемого в резервуар, выявлена связь между величиной давления и температурой потока воздуха, истекающего сквозь течь (рисунок 3), характеризующаяся коэффициентом Джоуля - Томсона:

где /и - коэффициент Джоуля - Томсона;

Рисунок 3 - График зависимости градиента температур от перепада давления: дефект длиной 7 мм - первая область

Из графиков на рисунке 3 видно, что градиент температур в области дефектов зависит не только от давления воздуха, подаваемого в резервуар, но и от времени протекания его через течь (дросселировании). Так, по истечении одной минуты при низком давлении (1 - 2 атм) выявление течи невозможно, это связано с формированием низкого контраста температур. При продолжительном истечении воздуха (см. рисунок 3) контраст увеличивается за счет конвекционной теплоотдачи и позволяет выявить дефекты длиной от 7 мм (рисунок 3, а).

20 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(19) 2014

_ =

Дальнейшее изменение температурного градиента в пределах перепада давления 1 -6 атм происходит с плавным ростом. По истечении 10 минут способность обнаружения дефектов улучшается, что подтверждается формированием градиента от 1,3 до 2°С в области первого дефекта (см. рисунок 3, а) и от 0,1 до 0,5°С - во второй области (рисунок 3, б). Такого перепада достаточно для фиксирования и обнаружения течи с использованием теплочув-ствительной аппаратуры.

При истечении воздуха в течение 15 мин изменение градиента незначительно (см. рисунок 3) и отличается от результата последнего проведенного опыта лишь на сотые доли градуса. Дальнейшая опрессовка резервуара бессмысленна, так как минимальный предел чувствительности аппаратуры достигнут, что позволяет уже по истечении 15 мин локализовать течь.

В ходе проведенного исследования можно сделать вывод о влиянии времени на формирование градиента температур. Проведение дросселирования в течение 15 мин достаточно для формирования температурного градиента порядка 1 °С для трещин от 3 мм и 2 °С для трещин длиной от 7 мм (см. рисунок 3).

При повышении давления скорость истечения воздуха из резервуара через течь увеличивается, что способствует уменьшению температуры потока и более интенсивному охлаждению берегов течи.

На рисунках 4 и 5 представлены термограммы и фотографии резервуара в области течи в начальный момент времени, без дросселирования.

^НеравномерноспГшва^!

Г 7

* VI

ПГЧ* < \

I

I

Неравномерность шва Г

| Область дефекта |

Л

Шлак

жя

б

Рисунок 4 - Термограмма области резервуара с первым дефектом в начальный момент времени

а б

Рисунок 5 - Термограмма области резервуара со вторым дефектом в начальный момент времени

На термограмме четко прослеживается температура основной поверхности резервуара, равная в среднем 21 °С. Также наблюдаются поверхностные дефекты резервуара, характеризующиеся изменением температуры поверхности, в виде шлаковых включений, неравномерности сварного шва, наплыва и брызг металла. В предполагаемых областях нахождения дефектов (см. рисунки 4 и 5) следов градиента температуры не наблюдается.

а

В момент подачи сжатого воздуха в резервуар под давлением 1 атм на термограмме изменений не наблюдается, в свою очередь на манометре резервуара фиксируется падение давления, что свидетельствует об утечке воздуха из резервуара.

По истечении 10 мин с момента подачи воздуха в резервуар, при постоянном давлении в сосуде, равном 1 атм, на термограмме возникает градиент температуры, фиксируемый тепловизором в области предполагаемой первой течи (рисунок 6).

Рисунок 6 - Термограммы резервуара при перепаде давления 1 атм: дефект длиной 7 мм - первая область

Градиент температуры в области первой течи составляет порядка 0,5 °С, образуя по берегам сквозной трещины область контраста температур, линейные размеры которой позволяют оценить длину предполагаемого дефекта, равную 7 мм.

При нагружении резервуара воздухом под давлением 2 атм также происходит охлаждение берегов течи на внешней поверхности резервуара, но время, затраченное на процесс формирования температурного градиента первой течи (длиной 7 мм), сокращается и составляет уже 7 мин.

В свою очередь при давлении 2 атм в области второго дефекта происходит формирование температурного контраста, на что затрачивается 9 мин, при этом разность температур составляет 0,2 °С (рисунок 7).

б

Рисунок 7 - Термограмма резервуара при перепаде давления 2 атм в области второго дефекта

в

г

а

По температурному контрасту второй области дефекта (см. рисунок 7), зафиксированному тепловизором, точно определить длину не представляется возможным, так как трещина находится около кратера сварного шва (длина трещины составляет примерно 3 мм).

Дальнейшее повышение давления до 6 атм подтверждает результаты, полученные при низком давлении (1, 2 атм), на термограммах в областях трещин (рисунок 8) наблюдаются охлаждение и температурный контраст, но времени на формирование такого контраста требуется меньше, 1 мин для трещины 7 мм и 3 мин для трещины 3 мм.

Помимо этого на процесс формирования температурного градиента берегов течи влияют теплофизические характеристики, описывающиеся коэффициентами теплопроводности материала резервуара и коэффициентом конвекционной теплопередачи воздуха. От этих двух коэффициентов зависит время формирования пятна аномальной температуры на внешней поверхности резервуара.

в г

Рисунок 8 - Термограммы резервуара при давлении 6 атм: область дефекта длиной 7 мм - первый дефект

Проведенное исследование подтверждает практическое применение законов термодинамики при дросселировании воздуха сквозь малые отверстия (течи), в частности, эффект Джоуля - Томсона. Этот факт позволяет сделать вывод о применимости данного эффекта при проведении освидетельствования котлов железнодорожных цистерн в условиях вагоноремонтного депо тепловыми способами неразрушающего контроля. Для достижения этого используется штатное оборудование, имеющееся на любом предприятии, производящем ремонт подвижного состава, что удешевляет процесс диагностики цистерн.

Таким образом, в ходе проведенного исследования удалось практически подтвердить эффект Джоуля - Томсона при истечении газа сквозь малые отверстия за счет перепада температур не более 6 атм. Данного давления достаточно для фиксации образующегося температурного контраста на поверхности резервуара и определения области течи последнего.

Установлена связь между перепадом давления истекающего сквозь течь воздуха и температурным контрастом, образующимся в области сквозных дефектов. Установлена связь между размером дефекта и временем формирования контраста на устранение дефекта меньшего размера при одинаковом перепаде давления требуется больше времени.

№ 3(19) ЛЛИ Л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 23

=2014

На основании полученных результатов выявлена возможность применения тепловизион-ных методов неразрушающего контроля для проведения освидетельствования котлов железнодорожных цистерн на герметичность в условиях вагоноремонтного депо. Для проведения такого вида диагностики используется штатное оборудование, имеющееся на любом ремонтном предприятии.

Список литературы

1. Пат. 2520952 Российская Федерация, G 01 N 25/00. Способ теплового контроля герметичности крупногабаритного сосуда [Текст] / А. Р. Ахмеджанов, Е. В. Кондратенко (Россия); заявтель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2012152487; заявл. 05.12.2012; опубл. 28.04.2014.

2. Сивухин, Д. В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика: Учебное пособие [Текст]. - М.: Физматлит, 2005. - Т. 2. - 544 с.

References

1. Akhmedzhanov R. A., Kondratenko E. V. Patent RU 2012152487 G01, 05.12.2012.

2. Sivuhin D. V. Obshhij kurs fiziki. Termodinamika i molekuljarnaja fizika (The General course of physics. Thermodynamics and molecular physics). Moscow: Fizmatlit, 2005, 544 p.

УДК 625.1

Я. А. Новачук, Д. Н. Никитин, Р. В. Коблов, А. Н. Тепляков НОВАЯ ПАРАДИГМА КИНЕМАТИКИ «КОЛЕСО - РЕЛЬС»

Предметом исследований является определение и обоснование математических характеристик движения железнодорожного колеса, адекватно отражающих механизм его взаимодействия с рельсом.

Целью работы является адаптация фундаментальных положений циклоидальных кривых, отражающих движение круга, к движению условных точек топологических кругов сечения бандажа железнодорожного колеса, имеющего сложный профиль.

Методология работы построена на изучении и систематизации фундаментальных исследований в области геометрии, математики и механики идеализированного движения круга, в основу которого положены математические свойства циклоидальных кривых. Приведена модель движения колеса железнодорожной колесной пары (с неподвижными колесами на оси), в основу которой положены кинематические и механические свойства голономных систем. В соответствии с общими голономными, фундаментальными математическими свойствами системы, установлены аналитические зависимости и соотношения кинематических параметров поступательной скорости подвижного состава и скорости взаимодействия колес с рельсами, которые позволяют дополнять методологию тяговых расчетов в России и в других странах. В настоящее время в отечественной практике используют десятки различных формул, в которые включена составляющая линейной скорости движения, а не скорость взаимодействия колес с рельсами с учетом их физических и геометрических параметров. Линейная (поступательная) скорость движения колеса недостаточно точно отражает механизм взаимодействия колес подвижного состава с рельсами.

Фундаментальная теория циклоидальных кривых дает возможность обоснованно аналитически нормировать скорость движения подвижного состава различных типов, его проектировщикам и создателям априори формировать конструкционные и технико-экономические характеристики, гарантирующие надежность, долговечность и эффективность работы оборудования экипажной части, снижая риск безопасности движения поездов.

Актуальность очередного обращения к понятийной сущности кинематики движения колеса по рельсу определена принципиальными противоречиями, доминирующими в теоретических объяснениях этого явления отечественными и зарубежными учеными и исследователями в течение двух (XIX и XX) столетий.

Целью наших исследований является ознакомление изыскателей с фундаментальными математическими свойствами движения круга, которые положены в основу понятийной сущности движения топологических кругов, принадлежащих сложному профилю бандажа железно-