СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ ВНУТРЕННИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ СТЕНОК СОСУДОВ С РАСТВОРАМИ ЯДЕРНО-ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASURING DISTANCES BETWEEN INNER SURFACES OF WALLS OF VESSELS WITH SOLUTIONS OF NUCLEAR HAZARDOUS SUBSTANCES, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля материалов и устройств и может быть использовано для измерения расстояний между внутренними поверхностями стенок сосудов, предназначенных для сбора, хранения или технологического использования растворов, содержащих ядерно-опасные вещества.
Наиболее важное требование к таким сосудам - обеспечение ядерной безопасности. Критерием безопасности, в соответствии с Правилами, являются или толщина слоя раствора, или максимально допустимый объем раствора, или диаметр бесконечно длинной трубы, в которой раствор находится.
В соответствии с этим существует ряд различных конструктивных форм таких сосудов: растворы хранятся либо в сосудах определенного объема, не превышающего допустимого, либо в сосудах, выполненных из труб допустимого диаметра, либо в сосудах, в которых строго выдержано расстояние между внутренними стенками, как в плоских, так и кольцевых.
Широко известным способом измерения расстояний между внутренними поверхностями стенок плоских, цилиндрических и кольцевых сосудов для растворов с ядерно-опасными веществами является способ, включающий измерение толщины сосудов с помощью стандартного мерительного инструмента, например штангенциркуля, или специальных устройств с удлиняемыми ножками, с последующим вычитанием из полученных значений величины толщины стенок с учетом их расчетного износа.
Однако известный способ не производителен, поскольку требует для обеспечения ядерной безопасности предварительного освобождения сосуда от раствора и снятия с него защитных экранов для обеспечения доступа. С использованием указанного способа особенно сложно измерять сосуды больших размеров. Измерение толщины сосудов возможно лишь с краев сосуда. Удаленные от края части сосуда измерениям не поддаются.
Растворы ядерно-опасных веществ способны вызывать коррозию, так как, как правило, химически агрессивны, в результате расстояния между внутренними стенками сосудов могут постепенно увеличиваться и достигать пределов допустимой величины. Вышеуказанный способ не способен учитывать фактический износ внутренних поверхностей сосудов.
В связи с этим задача обеспечения постоянного контроля изменения расстояний между внутренними стенками сосудов в процессе их эксплуатации чрезвычайно актуальна.
Известен способ Оценки толщины труб, например труб нефтегазовых скважин и трубопроводов с использованием источника ультразвуковых колебаний (1) [Патент РФ №2138778, МПК G01В 17/02, приоритет 27.08.97 г.], включающий зондирование ультразвуковым импульсом стенки заполненной жидкостью колонны, определение спектра отраженного сигнала, вычисление интенсивности и удельной интенсивности отраженной волны и математический расчет размера толщины колонны в месте зондирования.
Указанный способ хотя и позволяет проводить измерения, не требуя снятия защитных экранов с сосудов и освобождения сосудов от содержащейся в них жидкостей, однако требует выполнения сложных вычислений, что увеличивает количество технологических операций при его использовании и, соответственно, снижает производительность процедуры проведения измерений.
Кроме того, способ имеет довольно большую погрешность (7-8%), что неприемлемо для сосудов с растворами, содержащими ядерно-опасные делящиеся вещества. К тому же сосуды могут быть заполнены растворами, имеющими различную проводимость ультразвука, что еще более увеличивает погрешность измерений.
Известен способ ультразвуковой дефектоскопии материалов с помощью прибора «Пеленг» УД-2-102 (2) [производства ЗАО «АЛТЕК», руководство по эксплуатации дефектоскопа], заключающийся в том, что исследуемую поверхность материала предварительно очищают, удаляя загрязнения и окисные пленки, смачивают ее контактирующей жидкостью, вводят в память дефектоскопа необходимые настройки и зондируют материал ультразвуковым импульсом, принимают отраженный сигнал, посредством дефектоскопа вычисляют измеряемые величины и их значения выводят на дисплей.
Указанный способ удобен в работе, обеспечивает достаточный уровень точности и производительности, однако не может быть использован, для измерения расстояний между внутренними поверхностями стенок сосудов с растворами ядерно-опасных веществ, поскольку предназначен для определения сплошности металлоконструкций, сварных швов, расслоений, трещин, неметаллических включений, зазоров в болтовых соединениях и т.д.
Кроме того, способ не может быть использован для определения расстояний между внутренними поверхностями стенок закрытых сосудов, поскольку ультразвуковые сигналы затухают в воздухе между стенками.
При измерении и контроле расстояний между внутренними поверхностями стенок сосудов в период эксплуатации, когда сосуд заполнен агрессивной жидкостью, уровень погрешности измерений может оказаться недопустимо высоким в связи с тем, что плотность жидкости и скорость ультразвука в ней не известна и может изменяться в широких пределах. Чтобы иметь возможность использования известного способа и прибора для измерения и контроля расстояний между внутренними поверхностями стенок сосудов, необходимо вводить дополнительные операции и устройства, например определители скорости ультразвука в заполняющем сосуд конкретном растворе и влияние размеров самого сосуда, а именно толщины его стенок и расстояния между ними.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, - создание такого способа измерения расстояния между внутренними поверхностями стенок сосудов с растворами ядерно-опасных веществ, который в условиях соблюдения правил безопасности и при простоте используемого инструментария, обеспечивал бы высокую производительность процесса измерения с минимальной погрешностью.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном способе измерения расстояний между внутренними поверхностями стенок сосудов, включающем использование источника ультразвуковых колебаний, очищение и обработку поверхности контактирующей жидкостью, зондирование ее ультразвуковыми импульсами и выделение спектра отраженного сигнала, при измерении расстояний между внутренними поверхностями сосудов с растворами ядерно-опасных веществ из спектра отраженного сигнала исключают часть спектра сигнала, отраженного от внешней поверхности зондируемой стенки исследуемого сосуда, и часть спектра, отраженного от раствора, касающегося внутренней поверхности зондируемой стенки исследуемого сосуда, после чего оставшуюся часть спектра отраженного сигнала исследуемого сосуда сравнивают с аналогичной частью спектра сигнала, полученного при зондировании эталонного устройства, заполненного раствором из исследуемого сосуда и совпадающего с ним по параметрам толщины стенки и расстоянию между стенками.
Порядок осуществления способа измерения расстояний между внутренними поверхностями стенок сосудов следующий.
Перед измерением расстояний между внутренними поверхностями стенок исследуемого сосуда поверхности мест измерения очищают и обрабатывают контактирующей жидкостью, затем устанавливают допустимый размер «толщины» слоя жидкости в исследуемом сосуде на эталонном устройстве, после чего набирают из исследуемого сосуда раствор, заливают его в эталонное устройство и зондируют днище эталонного устройства в том месте, где толщина днища соответствует толщине стенки исследуемого сосуда, при этом на экране прибора возникает картина отраженного сигнала, включающая в себя отраженный сигнал от наружной стенки эталона, отраженный сигнал от жидкости, касающейся внутренней поверхности зондируемой стенки эталонного устройства и сигнал, отраженный от противоположной стенки эталона, исключают из общего отраженного сигнала ту часть его, которая касается толщины зондируемой стенки. Остается часть сигнала, характеризующая расстояние между стенками эталона.
После этого зондируют стенки исследуемого сосуда и также из отраженного сигнала исключают ту его часть, которая соответствует толщине зондируемой стенки. Оставшуюся часть сигнала сравнивают с аналогичной частью сигнала, полученного на эталонном устройстве, получая результат: либо величину расстояния между внутренними стенками исследуемой емкости, либо величину отклонения этого расстояния от эталонной.
Заявляемый способ прост, удобен, производителен, так как позволяет проводить измерения и контроль сосудов, содержащих растворы с ядерно-опасными материалами, без освобождения сосудов от содержащихся в них растворов, без снятия защитных экранов, с соблюдением правил ядерной безопасности, при этом погрешность измерений незначительна, так как при измерении учитывается скорость распространения ультразвука именно в растворе, содержащемся в обследуемом сосуде, а износ стенок не влияет на результат измерения, поскольку часть отраженного сигнала, относящаяся к стенке обследуемого сосуда, исключается из результата измерения. При необходимости толщина стенки может быть определена предварительно известным способом (с помощью прибора-прототипа), в том числе и при обследовании сосуда на изменение «толщины слоя» раствора.
Еще одним достоинством предлагаемого способа является то, что измерение может производиться в любом количестве точек стенки. Этот способ может быть использован при обследовании любых форм сосудов, например цилиндрических, выполненных из листа или из труб.
Осуществление заявленного способа измерения расстояний между внутренними поверхностями стенок сосудов различных типов и конструкций возможно посредством специального эталонного устройства, которое заявляется как еще два объекта исключительного права.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство для измерения объема жидкостей, а именно относящееся к мерам вместимости, предназначенным для поверки и градуировки рабочих средств измерения (3) [Патент РФ №2127872, МПК G01F 19/00, приоритет 19.11.96 г.], например, в виде металлического корпуса с днищем, снабженное отверстием для заливки жидкости, и делениями, демонстрирующими объем заливаемой жидкости.
Недостатком известного устройства является то, что его невозможно использовать как эталон при измерении расстояний между внутренними поверхностями стенок сосудов с ядерно-опасными жидкостями, по причине большого разнообразия форм сосудов имеющих как различные толщины стенок, так и различные расстояния между стенками таких сосудов.
Задача состояла в том, чтобы создать универсальное устройство для настройки источника ультразвуковых колебаний на измерение различных расстояний между внутренними поверхностями стенок плоских и кольцевых сосудов при различной толщине стенок, который можно было бы использовать в способе измерения расстояний между внутренними поверхностями стенок сосудов, заполняемых ядерно-опасными растворами.
Поставленная задача решена тем, что известное устройство, содержащее корпус с днищем, снабжено поршнем с уплотнением по внутренней поверхности корпуса, на котором закреплена мерная шкала с делениями, соответствующими расстояниям между стенками измеряемых сосудов, днище имеет ступенчатую форму с толщиной ступеней, равной толщине примененного при изготовлении сосудов листового материала, при этом ступени выполнены на поверхности днища преимущественно в виде секторов.
Конструкция заявляемого эталонного устройства для подготовки измерения расстояния между внутренними поверхностями стенок сосудов поясняется чертежами фиг.1-4.
На фиг.1 изображено эталонное устройство в разрезе его вдоль оси.
На фиг.2 изображен вид А, показанный на фиг.1.
На фиг.3 изображен вид Б, показанный на фиг.1.
На фиг.4 изображен вид В, показанный на фиг.1.
Устройство состоит из корпуса 1 и расположенного внутри него поршня 2 с уплотнительным кольцом 3, герметизирующим полость Г.
Дно 4 корпуса 1 выполнено ступенчатым. Ступени 5 выполнены в виде секторов, разделенных канавками 6 (фиг.3). Толщины ступеней различны. Толщина каждой ступени равна одной из номинальных толщин металла, применяемого для изготовления сосудов. На каждой ступени нанесена маркировка ее толщины 7 (фиг.3). Как видно на фиг.2 на наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 нанесены риски 8, соответствующие расстоянию Д между внутренними стенками измеряемых сосудов («толщине» слоя жидкости) с маркировкой 9 этой величины. Корпус устанавливают на ножки 10. На верхней части корпуса выполнено отверстие 11 для залива жидкости из испытуемого сосуда.
Сверху на фланце 12 закреплен указатель 14, свободный конец которого лежит в одной плоскости с внутренним торцом 15 поршня 2. Свободный конец указателя 14 показывает, на какую «толщину слоя» настроен эталон. С помощью мерительного инструмента, устанавливаемого в зазор Е, положение поршня 2 может быть установлено с достаточной степенью точности. Поршень 2 на тыльной стороне снабжен фланцем 12 с ручкой 13 (фиг.4), за которую его перемещают в необходимое положение.
Работа с заявляемым эталонным устройством производится следующим образом. Из технической характеристики определяют расстояние (проектное) между внутренними поверхностями стенок сосуда и проектную толщину его стенок. Устанавливают на эталонном устройстве величину зазора между дном корпуса и торцом поршня, равную проектному расстоянию между внутренними стенками исследуемого сосуда. Затем из обследуемого сосуда набирают раствор, с которым производится эксплуатация сосуда в момент обследования. Через отверстие корпуса эталонного устройства заливают раствор, извлеченный из сосуда, в корпус эталонного устройства. Выбирают на дне корпуса сектор с толщиной, равной толщине стенок контролируемого сосуда, и прикладывают к нему датчик аппарата для УЗВ контроля. Производят зондирование ультразвуковым импульсом стенки заполненного жидкостью эталонного устройства, выделяют спектр отраженного сигнала, из спектра отраженного сигнала исключают часть спектра сигнала, отраженного от внешней поверхности стенки эталона и от жидкости, касающейся внутренней стенки эталона в месте зондирования. Прибор УЗВ-контроля готов к работе.
В том случае, когда количество типоразмеров обследуемых сосудов не велико, могут быть использованы варианты исполнения заявляемого эталонного устройства.
Для этого в известном устройстве (3) [Патент РФ №2127872, МПК G01F 19/00, приоритет 19.11.96 г.], содержащем корпус с днищем, корпус может быть выполнен многоугольным в плане, при этом одна из стенок корпуса снаружи выполнена ступенчатой с толщиной ступенек, равной толщинам листового материала, применяемого для изготовления сосудов, а изнутри - плоской, противоположная ей стенка выполнена ступенчатой внутри корпуса, величины расстояний от внутренней поверхности ступенчатой снаружи стенки до ступеней стенки ступенчатой изнутри равны величинам расстояний между внутренними поверхностями стенок обследуемых сосудов, плоскости, образующие поверхности обеих ступенек, параллельны между собой, направление изменения толщины наружных ступенек перпендикулярно направлению изменения толщины ступенек внутри корпуса, наружные ступени рассечены канавками, расположенными напротив перехода внутренних ступенек одной в другую, а на наружной поверхности ступенчатой снаружи стенки нанесена маркировка толщины стенок обследуемых сосудов и расстояний между внутренними поверхностями их стенок.
Наличие у эталонного устройства ступенек, толщины которых равны толщинам листов, из которых изготовлены обследуемые сосуды, и точных расстояний от плоской внутренней поверхности этой стенки до внутренних поверхностей внутренних ступенек, равных проектным расстояниям между внутренними поверхностями стенок обследуемых сосудов, а также параллельность плоскостей, образующих ступеньки, обеспечивают высокую степень точности измерений сосудов.
Перпендикулярность направления изменения толщины наружных ступенек к направлению изменения толщины ступенек внутри корпуса обеспечивает универсальность устройства при простоте конструкции: возможно измерение различных расстояний между внутренними поверхностями стенок эталонного устройства при одинаковой их толщине или измерение одного расстояния между внутренними поверхностями стенок эталонного устройства при различной их толщине. Наличие на наружных ступеньках канавок, расположенных напротив перехода внутренних ступенек одной в другую, а на наружной поверхности ступенчатой снаружи стенки маркировки толщины стенок обследуемых сосудов (и эталонного устройства) и расстояний между внутренними поверхностями их стенок позволяет быстро и точно определить необходимое место зондирования эталонного устройства.
Варианты исполнения заявляемого многоугольного эталонного устройства для измерения расстояния между внутренними поверхностями стенок сосудов различной формы, а также при разных толщинах стенок, представлены чертежами фиг.5-13:
На фиг.5, 8, 11 изображены заявляемые первый, второй и третий варианты эталонного устройства на виде сверху.
На фиг.6 изображен разрез Ж-Ж, выполненный на фиг.5 первого варианта многоугольного эталонного устройства.
На фиг.7 изображен вид З на наружную ступенчатую поверхность первого варианта эталонного устройства (фиг.5)
На фиг.8 изображен второй вариант многоугольного эталонного устройства.
На фиг.9 изображен разрез И-И, выполненный на фиг.8 второго варианта многоугольного эталонного устройства.
На фиг.10 изображен вид К на наружную ступенчатую поверхность второго варианта многоугольного эталонного устройства.
На фиг.11 показан третий вариант многоугольного эталонного устройства.
На фиг.12 изображен разрез Л-Л, выполненный на фиг.11 третьего варианта многоугольного эталонного устройства.
На фиг.13 изображен вид М на наружную ступенчатую поверхность третьего варианта многоугольного эталонного устройства.
Заявляемое устройство состоит из корпуса 1 с дном 4. Корпус 1 выполнен на виде сверху в виде многоугольника (фиг.5, 8 и 11). При малом (1-2 шт.) количестве типоразмеров обследуемых сосудов по размерам между внутренними поверхностями стенок сосудов корпус выполняют в виде прямоугольника, показанного на фиг.5. При увеличении количества типоразмеров обследуемых сосудов по размерам между внутренними поверхностями стенок сосудов для облегчения устройства его выполняют в виде пятиугольника, изображенного на фиг.8. Пунктирной линией показана форма устройства, если бы он был выполнен прямоугольным.
На фиг.11 показана конструкция заявляемого многоугольного эталонного устройства в плане, масса которого уменьшена в сравнении с массой многоугольного эталонного устройства на фиг.8 за счет изменения формы стенки с внутренними ступенями: наружная сторона стенки тоже выполнена ступенчатой.
Одна стенка корпуса 1 выполнена ступенчатой снаружи со ступенями Н толщиной О, равной толщинам листового материала, применяемого для изготовления сосудов, а внутренняя поверхность этой стенки П выполнена плоской.
Противоположная стенка корпуса выполнена ступенчатой изнутри, при этом расстояния Д от внутренних поверхностей П до поверхностей Р равны проектным расстояниям между внутренними поверхностями стенок обследуемых сосудов.
Поверхности Н наружных ступенек параллельны поверхностям Р внутренних ступенек. Направление С изменения толщины наружных ступенек перпендикулярно направлению Т изменения величин размеров Д. Наружные ступени прорезаны канавками 6. Канавки 6 расположены напротив перехода внутренних ступенек одной в другую (зона У). Размеры площадок ступенек выбраны такими, чтобы на них размещалось устройство для зондирования. На ступенях нанесена маркировка ее толщины 7 и маркировка 9 величин, соответствующих расстояниям между внутренними стенками обследуемых сосудов («толщине» слоя жидкости).
Измерение расстояний между стенками сосудов с использованием эталонного устройства производят следующим образом.
Из технической характеристики определяют расстояние (проектное) между внутренними стенками сосуда и проектную толщину его стенок. Затем из сосуда набирают раствор, с которым производится эксплуатация сосуда в момент его обследования. Заливают раствор, извлеченный из сосуда, в корпус 1 эталона. Выбирают на стенке корпуса площадку Н с толщиной, равной проектной толщине стенок контролируемого сосуда, место на стенке, в котором размер Д соответствует проектному расстоянию между внутренними поверхностями контролируемого (обследуемого) сосуда, и прикладывают к нему датчик аппарата для ультрозвукового (УЗВ) контроля. Производят зондирование ультразвуковым импульсом стенки заполненного жидкостью эталона, выделяют спектр отраженного сигнала, из спектра отраженного сигнала исключают часть спектра сигнала, отраженного от внешней поверхности стенки эталона и от жидкости, касающейся внутренней стенки эталона в месте зондирования, Таким образом настраивают УЗВ прибор на измерение конкретного сосуда. После этого прикладывают датчик прибора УЗВ контроля к соответственно подготовленной стенке контролируемого сосуда и приведенную выше операцию проводят с обследуемым сосудом. Прибор сравнивает спектр, полученный при обследования сосуда, со спектром от эталона и выдает величину расстояния между стенками сосуда. Обследование может быть проведено для многих точек сосуда, после чего можно делать вывод о возможности дальнейшей его эксплуатации.
Испытания заявленных способа и устройства в опытно-промышленных условиях показали отличные результаты и подтвердили целесообразность их использования при эксплуатации в промышленных условиях.
Новые технические решения намного превзошли известные способы и устройства не только по производительности измерений, но и по степени точности получаемых результатов при измерении сосудов с ядерно-опасными жидкостями.
Кроме того, заявляемые способ и эталонное устройство могут применяться для контроля и при изготовлении сосудов указанного типа при совмещении замеров с гидравлическими испытаниями, когда сосуды заполняют испытательной жидкостью.