Выбор метода течеискания
Е.А. Богданов Основы технической диагностики нефтегазового оборудования
Термины и определения течеискания, количественная оценка течей
Методы течеискания, как и методы капиллярного контроля, относятся к виду неразрушающего контроля проникающими веществами.
Течеисканием называют вид неразрушающего контроля, обеспечивающий выявление сквозных дефектов в изделиях и конструкциях, основанный на проникновении через такие дефекты проникающих веществ. Течами называют канал или пористый участок перегородки, нарушающий ее герметичность, т. е. течи бывают сквозные и пористые. Часто термин «течеискание» заменяют термином «контроль герметичности». Все сосуды, аппараты и трубопроводы нефте-газохимической промышленности, предназначенные для хранения, переработки и транспортировки жидких и газообразных веществ, подлежат испытанию на прочность и герметичность.
Герметичностью называют свойство конструкций препятствовать проникновению через их стенки жидкости, газа или пара. Абсолютно герметичных конструкций не бывает, так как даже при отсутствии течи проникновение пробных веществ через перегородки конструкции может быть обусловлено и чисто диффузными процессами. Поэтому конструкцию называют герметичной, если проникновение газа или жидкости через нее настолько мало, что им можно пренебречь. В условиях эксплуатации вводят понятие нормы герметичности, которое характеризуется суммарным расходом вещества через течи конструкции, при которой сохраняется ее работоспособное состояние.
Герметичность конструкции может быть нарушена вследствие ряда причин:
• химического взаимодействия материала с технологической
средой;
• механических повреждений, износа трущихся элементов и уплотнений;
• коррозии металла и сварных соединений;
• раскрытия разъемных соединений или течей, закрытых в нормальном состоянии, из-за температурных деформаций или превышения внутреннего давления;
• деградации свойств конструкционных материалов (основного
металла, уплотнений).
В процессе испытаний изделий на герметичность используют пробные, индикаторные и балластные вещества. Пробным называют вещество, проникновение которого через течь обнаруживается при течеискании. Балластные вещества используют для создания большого перепада давления и, соответственно, повышения чувствительности испытаний при малых концентрациях пробных веществ. Индикаторными называют вещества, применяемые для индикации (обнаружения) выхода пробных веществ через течь на другую сторону конструкции (проявитель, люминофоры).
В качестве пробных веществ применяют жидкости, газы, пары легколетучих жидкостей. В зависимости от пробного вещества методы разделяют на жидкостные или газовые. Шире используют газы, обеспечивающие более высокую чувствительность. В качестве пробных применяют, как правило, инертные газы (гелий, аргон), имеющие низкое содержание в атмосфере и не взаимодействующие с материалом объекта контроля или веществом внутри него. Роль пробного вещества может также выполнять газ, заполняющий контролируемый объект при эксплуатации или хранении (фреон, хлор, аммиак).
В некоторых случаях в качестве пробных веществ применяют легколетучие жидкости: спирт, ацетон, бензин, эфир. Обычно индикаторы улавливают пары этих жидкостей, тогда способы контроля такими жидкостями относят к газовым.
К жидким пробным веществам относят воду, применяемую при гидроиспытаниях (гидроопрессовке), воду с люминесцирующими добавками, облегчающими индикацию течей, а также смачивающие жидкости — пенетранты.
Для количественной оценки течи при применении жидкости в качестве пробного вещества используют объем жидкости, проникающей через течь в единицу времени. При использовании газовых пробных веществ количественную оценку производят в единицах мощности.
При контроле герметичности конструкции обычно (за исключением случаев использования пенетрантов) создают по ее сторонам разность давлений. Количество газа q, Н-м, определяют по формуле
q=pV,
где p – давление газа, Па или Н/м2; V – объем газа, м3.
Поток газа Q, Вт, через течь равен количеству газа за единицу времени t:
.
Физический смысл того, что поток измеряется в единицах мощности, состоит в том, что произведение давления на объем – энергия, запасенная в газе, а изменение энергии во времени – мощность.
В смеси газов концентрацию каждого компонента qk к количеству q газа в целом:
.
Объем, занимаемый смесью и всеми ее компонентами, имеет постоянное значение, поэтому
.
Отсюда
,
где рк — парциальное давление компонента в смеси газов, т. е. такое давление, при котором только этот компонент смеси газов занимает весь объем.
5.2. Способы контроля и средства течеискания
Для контроля герметичности различных конструкций с помощью пробных веществ (за исключением пенетрантов) необходимо создание разности давлений по разные стороны их стенок. При этом помимо пробных веществ требуются устройства для создания и измерения разности давлений (компрессоры, насосы, манометры и др.), а также средства обнаружения выхода пробного вещества через течи. Для обнаружения течей применяют как специальные приборы — течеискатели, так и неприборные средства, например используют лю-минесцирующие вещества или методы капиллярного контроля.
Объекты нефтегазовой промышленности, контролируемые методами течеискания, являются незамкнутыми и позволяют воздействовать как на их внешнюю, так и внутреннюю поверхности. Соответственно по способу создания разности давлений различают схему с внутренним и внешним избыточным давлением. При этом не обязательно создавать по разные стороны конструкции разности абсолютных давлений газовой смеси. Достаточно разности парциального давления пробного газа.
Способ, при котором для создания разности давлений объект контроля откачивают, называют вакуумным. Способ, предусматривающий создание внутреннего избыточного давления выше атмосферного, называют опрессовкой. При опрессовке газом внутреннее давление принимается всегда значительно ниже расчетного по условию прочности, что обусловлено возможными катастрофическими последствиями от разрыва объекта контроля. При гидроопрессовке разлет осколков не происходит и ее проводят с давлением на 25...50 % выше номинального рабочего. Обязательным условием при этом является отсутствие воздушных скоплений («подушек», «пробок»).
Поэтому перед гидроопрессовкой воздух из невентилируемых полостей откачивают, а из вентилируемых выпускают через вентиль, установленный в верхней части полости (воздушник). В общем случае перечень опасных и вредных факторов, сопровождающих процессы испытаний на герметичность, требования промышленной и экологической безопасности приведены в ГОСТ 30703—2001.
Рис. 5.1. Комплект контроля герметичности
И для опрессовки, и для вакуумного способа возможны две схемы контроля: интегральная и локальная. При интегральной схеме анализируют состав и количество газа, проникающего в объект контроля извне или, наоборот, изнутри. При локальной схеме поиска каждую течь обнаруживают отдельно с помощью щупа, улавливающего появление пробного газа, вакуумной камеры-присоски или визуально.
Например, при контроле герметичности сварных швов вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов применяют локальные вакуумкамеры, в которых создается разрежение над контролируемым участком с перепадом давления не менее 250 мм вод. ст. Неплотность сварного шва обнаруживается по образованию пузырьков в нанесенном на сварные соединения мыльном или другом пенно-образующем растворе. Контроль герметичности при этом осуществляется с помощью комплекта оборудования, состоящего из набора плоских и угловых вакуумных камер-присосок, вакуумного насоса и арматурного блока с вакуумметром. Общий вид такого комплекта, выпускаемого НИКИМТ, приведен на рис. 5.1.
Локальная схема контроля путем опрессовки применяется, например, в соответствии с ПБ 03-605—03 для контроля герметичности сварных швов приварки усиливающих листовых накладок люков и патрубков на стенке резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. Контроль производится путем создания избыточного воздушного давления 400...4000 мм вод. ст. в зазоре между стенкой резервуара и усиливающей накладкой с использованием для этого контрольного отверстия с резьбой М10х1,5 в усиливающей накладке (рис. 5.2). При этом на сварные швы как внутри, так и снаружи резервуара наносится мыльная пленка, пленка льняного масла или другого пенообразующего вещества, позволяющего обнаружить утечки.
Основные характеристики наиболее часто используемых методов течеискания приведены в табл. 5.1 (по данным Волгоградского НИИхимнефтеаппаратуры).
Рис. 5.2. Конструкция люка-лаза круглого в первом поясе стенки резервуара: 1— стенка резервуара; 2 — прокладка; 3 — днище; 4 — усиливающая накладка
Помимо перечисленных в табл. 1.3 и 5.1, в ряде специфических случаев применяют и другие методы, например радиоактивный, акустико-эмиссионный, электронозахватный, плазменный и др.
Для обнаружения течей могут одновременно или последовательно использоваться несколько методов течеискания. При контроле герметичности в обязательном порядке используют прежде всего методы, реализующие интегральную схему контроля. На практике наибольшее применение нашел манометрический метод, отличающийся максимальной простотой, доступностью и позволяющий установить наличие или отсутствие течи во всем объеме контролируемой конструкции, а также ее величину. Установление местоположения течей производят с использованием методов, реализующих локальную схему контроля. Ниже коротко рассматривается сущность некоторых из них.
Таблица 5.1
Методы течеискания |
Пробное вещество |
Индикация течи |
Максимальная чувствительность, Вт |
---|---|---|---|
Масс-спектромет-рический (гелиевый) |
Гелий, гелиево-воздушная смесь |
Увеличение показаний гелиевого течеискателя |
10-14 |
Галогенный |
Хладоно(фреоно)-воздушные смеси |
Увеличение показаний галогенного течеискателя |
1,310-8 |
Пузырьковый |
Воздух, азот, вакуум |
Пузырьки при давлении 0,2...1 МПа |
6,610-6 ... 2,610 -9 |
Химический |
Аммиачно-воздуш- |
Пятна на проявителе, индикаторной ленте, меловой массе |
1,310 -7 ... 1,310-8 |
Манометрический |
Вода или технологическая жидкость |
Течь, видимая невооруженным глазом, падение манометрического давления |
1,310 -3 |
Люминесцентно-гидравлический |
Вода и люминофор |
Течь и свечение в лучах УФС |
6,610 -9 |
Гидравлический с люминесцентным покрытием |
Вода |
Свечение в лучах УФС |
6,610 -8 |
Акустический |
Воздух, азот, вакуум |
Увеличение звукового сигнала течеискателя |
6,610 -6 |
5.3. Масс-спектрометрический метод
Метод основан на создании повышенного парциального давления пробного вещества (газа) в смеси веществ с одной стороны поверхности объекта контроля и отбора проникающего через течи пробного вещества с другой стороны для масс-спектрометрического анализа на присутствие молекул пробного газа. Анализ осуществляется путем ионизации пробного вещества с последующим разделением ионов по отношению их массы к заряду под действием электрического и магнитного полей. Основные требования по проведению масс-спектрометрического неразрушающего контроля регламентированы ГОСТ 28517-80.
Благодаря серийному выпуску масс-спектрометрических течеискателей метод нашел широкое применение в практике промышленных испытаний. Метод позволяет помимо качественной оценки провести количественные измерения газового потока через течь с точностью до 10 %. Вместе с тем этот метод технически сложен, требует вакуума и по возможности его заменяют более простыми методами.
Масс-спектрометрический течеискатель состоит из трех основных частей: масс-спектрометрической камеры с магнитом, вакуумной системы и электрических блоков питания и измерения. Своей вакуумной частью он может присоединяться к самому объекту или к щупу в зависимости от выбранной схемы контроля.
|
|
|
|
Рис. 5.3. Схемы способов реализации масс-спектрометрического метода течеискания:
а — способ обдува; б — способ щупа; в — способ разъемных местных камер (чехлов); О — испытуемый объект; С — течеискатель; К — шуп; УР — клапан регулировочный; N — насос; К — баллон с пробным газом; В — обдуватель; С — камера, наполненная пробным газом
ГОСТ 28517-80 предусматривает восемь схем реализации масс-спектрометрического метода течеискания. Некоторые из них приведены на рис. 5.3.
Наиболее эффективный и удобный метод обнаружения течей реализуется с помощью щупа, соединенного вакуумным резиновым шлангом с течеискателем. При методе обдувки пробным газом наружной поверхности изделия из него откачивается воздух до получения давления 10-5…10-8 МПа и изделие соединяется с вакуумной частью течеискателя.
Применяют также метод специальной камеры, который состоит в том, что на испытуемый участок изделия устанавливают герметичную камеру-муфту, соединенную с системой откачки и течеискателем. Воздух из камеры и изделия одновременно откачивают до необходимого вакуума. Затем в изделие под давлением подается пробный газ и после выдержки (не менее 3 мин) производится контроль. Этим методом контролируют течи трубопроводов и изделий небольшого диаметра.
В качестве пробного газа обычно используют гелий. Он обладает малой молекулярной массой и хорошо проникает через малые течи. Гелий химически инертен, дешев и безопасен в применении. В атмосферном воздухе он содержится в весьма малых количествах (10-4 %), поэтому фоновые эффекты при работе с ним сказываются значительно меньше, чем при применении других веществ. Кроме того, по соотношению массы иона к его заряду (т/e) гелий очень сильно (на 25 %) отличается от ближайших ионов других газов, что облегчает его обнаружение и выполнение измерений. Поэтому масс-спектрометрические течеискатели часто называют гелиевыми.
Схема масс-спектрометрической камеры течеискателя приведена на рис. 5.4 [3, 4]. Газы, подлежащие анализу, из испытываемого объекта или от щупа поступают в камеру ионизатора. От накального катода в камеру, находящуюся относительно катода под положительным зарядом, направляется пучок отрицательно заряженных электронов, которые, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их. Фокусировка электронов при этом осуществляется магнитным полем напряженностью H1,. Из образовавшихся в камере ионов с помощью диафрагмы формируется ионный пучок, который разгоняется благодаря разности потенциалов U0между диафрагмами 3 и 4.
|
Рис. 5.4. Принципиальная схема масс-спектрометрической камеры течеискателя:
1 — накальный катод; 2 — камера ионизатора; 3, 4 — выходные диафрагмы; 5 — входная диафрагма; 6 — коллектор ионов
Диафрагма 4 при этом электрически соединена с катодом и заряжена отрицательно относительно диафрагмы 3. Ионы пучка разгоняются до одинаковой энергии 8, которая определяется по формуле:
откуда
где v — скорость ионов; е -заряд иона; m — масса иона.
Учитывая, что масса ионов различных компонентов анализируемого газа неодинакова, скорость ионов разных элементов также будет различаться. Далее ионы попадают в спектральную камеру, в которой действует магнитное поле напряженностью H, направленное перпендикулярно движению ионов. Под действием силы Лоренца Fл = еvh, направление которой определяется по правилу левой руки, ионы будут перемещаться по траекториям в виде окружности радиусом R, а сама Fл при этом будет уравновешиваться центробежной силой.
Отсюда
Выразив R и подставив v, получим
Так как радиус траектории Rзависит от отношения т/е, в спектральной камере ионный пучок разделяется на ряд пучков, соответствующих фиксированным значениям массовых чисел (m 1 m 2…mi) Выделив пучок ионов пробного газа (гелия) диафрагмой и расположив за ней коллектор ионов, производят измерения интенсивности этого пучка и, соответственно, интенсивность течи (Вт).
Проведение течеискания масс-спекрометрическим методом включает следующие этапы: определение порога чувствительности аппаратуры и течеискания; подача пробного газа на (в) контролируемый объект; определение степени негерметичности объекта и (или) места течи; обработка и оценка результатов течеискания. Порог чувствительности течеискания должен контролироваться по калиброванным течам перед началом испытаний и в процессе их проведения в соответствии с технической документацией, утвержденной в установленном порядке.
5.4. Галогенный и катарометрический методы
Галогенный метод течеискания основан на свойстве нагретой поверхности чувствительного элемента, изготовленного из платины или из никеля, резко увеличивать эмиссию положительных ионов при наличии в пробном газе, проникающем через сквозные дефекты контролируемого объекта, галогенов или галогеносодержащих веществ. На этом свойстве построен галогенный течеискатель, работа которого осуществляется следующим образом [3]: через чувствительнейший элемент течеискателя, выполняющий функции анода, прогоняет с помощью центробежного или вакуумного насоса анализируемый газ. Анод, нагретый до 800...900 °С, испускает ионы содержашихся в нем примесей щелочных металлов (натрия, калия). Под действием разности потенциалов между анодом и коллектором ионы движутся к коллектору. Ток анод—коллектор является измеряемой величиной в галогенном течеискателе.
Галогены способствуют процессу ионизации щелочных металлов, и их присутствие в пробном газе резко увеличивает ток анод-коллектор. К галогенам относятся элементы группы галоидов: фтор, хлор, бром, иод. Обычно в качестве пробного газа используют галогеносодержащие вещества: фреон (содержащий фтор), хладон, хлористый метил и др. Такие вещества относительно дешевы, безвредны и широко применяются в промышленности и в быту (например, в бытовых холодильниках).Технология контроля галогенным течеискателем значительно проще, чем масс-спектрометрическим. Галогенный течеискатель сравнительно несложный и легкий прибор. Вместе с тем при проведении контроля в помещении необходима его тщательная вентиляция из-за возникновения повышенного фона, снижающего точность измерений. Недостатком метода является также возможность потери чувствительности — «отравления» анода течеискателя при попадании на него большого количества галогенов. Восстановление «отравленного» анода осуществляется прокачкой через течеискатель большого объема чистого воздуха при повышенном накале анода.
Катарометрический метод течеискания основан на регистрации разницы в теплопроводности газа, вытекающего через сквозные отверстия контролируемого объекта. Работающие на этом принципе течеискатели обладают высокой чувствительностью и минимальными размерами. Так, на рис. 5.5 приведен портативный течеискатель Рhо Сhесr 5000Ех, предназначенный для поиска утечек из резервуаров, сосудов и трубопроводов, а также для текущего контроля окружающей среды на присутствие летучих органических соединений.
Основным элементом течеискателя является сенсор, мгновенно определяющий изменение теплопроводности газа. При включении он автоматически калибруется по воздуху. Важным отличием течеискателя является его искробезопасное электрическое исполнение в соответствии с международным стандартом ВАSЕЕFА и возможность применения во взрывоопасных помещениях и средах.
|
Рис. 5.5. Контроль окружающей среды с помощью катарометрического течеискателя
5.5. Жидкостные методы течеискания
Процесс гидроиспытаний, которому подвергаются большинство работающих под давлением объектов в нефтегазохимической промышленности, используют одновременно как способ течеискания. Таким способом обычно удается обнаружить большие течи. Индикация течей осуществляется визуально или по падению манометрического давления.
Для облегчения поиска течей и понижения порога чувствительности в пенетрант или пробную жидкость часто добавляют люминофоры.
К жидкостным методам течеискания с применением люминофоров относятся люм и несцентно-гидравлический и гидравлический с люминесцентным покрытием. Оба метода реализуются одновременно с испытанием объекта контроля на прочность гидравлическим давлением. Их сущность заключается в обнаружении просочившихся или активированных водой капель люминофора при ультрафиолетовом облучении.
Люминесцентно-гидравлический метод осуществляется с применением в качестве пробного вещества раствора люминофора в воде, находящейся в испытуемом изделии под давлением. При проникновении пробного вещества через течи люминофор дает свечение при облучении УФС. Недостаток метода— необходимость обесцвечивания люминесцентного раствора перед сбросом его в канализацию.
При гидравлическом методе с люминесцентным индикаторным покрытием люминесценция при облучении УФС возбуждается в слое специального покрытия в случае проникновения в него через сквозные дефекты воды, находящейся в испытуемом объекте под давлением. Люминесцентное индикаторное покрытие содержит вещество, удерживающее проникающую в него воду и препятствующее ее испарению, поэтому метод требователен к влажности воздуха на участке испытаний и температуре воды, заливаемой в изделие.
Чувствительность обоих методов с применением люминофоров возрастает с увеличением давления внутри объекта.
Если гидроиспытания невозможны по технологическим причинам или из-за низкой прочности контролируемого объекта, для обнаружения течей применяют контроль проникающими веществами. Он отличается от рассмотренного в главе 4 тем, что пенетрант и проявитель наносят на разные стороны перегородки. Такой способ применяют, в частности, для контроля герметичности сварных швов вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. В соответствии с ПБ 03-605—03 контроль производят с использованием пробы «мел—керосин» путем обильного смачивания сварных швов керосином. На противоположной стороне сварного шва, предварительно покрытого водной суспензией мела или каолина, течи, при их наличии, проявляются в виде пятен на белом фоне после выдержки в течение не менее 1 ч. Метод с использованием пробы «мел—керосин» является наиболее технологичным при проверке герметичности уторного шва, соединяющего стенку днищем и представляющеего наибольшие сложности для инструментального контроля.
5.6. Акустический метод
Этот метод основан на индикации акустических колебаний, возбуждаемых в контролируемом объекте, грунте или окружающей газовой среде (воздухе) при вытекании пробного газа или жидкости через сквозные дефекты. Молекулы пробного вещества взаимодействуют со стенками сквозных дефектов объекта и генерируют в нем колебания звукового и ультразвукового диапазонов. Эти колебания фиксируются с помощью устанавливаемого на поверхности объекта ультразвукового или виброакустического датчика течеискателя, преобразовывающего ультра звуковые колебания в электрические сигналы, передаваемые далее на показывающие и записывающие устройства течеискателя.
В настоящее время акустические методы течеискания занимают важнейшее место в контроле герметичности трубопроводов. Наиболее совершенными являются акустические корреляционные течеискатели, датчики которых устанавливают на концах контролируемого участка трубы. Акустические колебания, возникающие при истечении технологической среды и регистрируемые датчиками, усиливаются и по кабелю или радиоканалу передаются на программируемый процессор, где вычисляется их взаимная корреляционная функция. К их числу относится отечественный акустический корреляционный течеискатель Т-2001, разработанный фермой ИНКОТЕС, позволяющий определить места утечек на расстоянии до 600 м между датчиками. Положение пика корреляционной функции, визуализируемой на экране течеискателя, определяет местоположение течи. Погрешность определения места утечки - 0,1 м на длине обследуемого участка 100 м. Для контроля герметичности; емкостного технологического оборудования в качестве течеискателей могут использоваться комплекты акустико-эмиссионной аппаратуры, позволяющие путем планарной локации определять координаты течей (см. 10.4).
Генерация вибраций грунта или акустических колебаний окружающей газовой среды при протечке газа или жидкости через течи обусловлена превращением кинетической энергии струи в энергию упругих колебаний. Частотный спектр этих колебаний широк: от десятков герц до сотен килогерц. Он зависит от вида и размеров течи, параметров протекающего через нее вещества (плотности, температуры, давления и др.).
Принцип действия таких течеискателей основан на преобразовании вибрации грунта или колебаний газовой среды (воздуха) в электрические сигналы, частотной и амплитудной селекции этих сигналов.
Рис 5.6. Дистанционный контроль
ионых разрядов и пробоя
изоляции
Непосредственного контакта датчика с объектом при этом не требуется. Например, в переносном акустическом искателе утечек в подземных трубопроводах «АИСТ-4» датчик в процессе контроля последовательно устанавливается на грунт вдоль трассы.
Выпускаются также универсальные приборы, имеющие сменные насадки и позволяющие контролировать колебания объекта как контактным методом, так и дистанционно. К ним относятся, например, ультразвуковые локаторы ULTRAPROBE, предназначенные для определения мест присосов и утечек газовых и жидкостных сред, дефектоскопии подшипников, мест искрения и коронных разрядов в электрооборудовании. На рис. 5.6 приведен рабочий момент дистанционного контроля состояния изоляторов ЛЭП с помощью ультразвукового локатора ULTRAPROBE ™ 2000, снабженного параболической насадкой.
Все современные акустические течеискатели являются компактными переносными приборами, питаемыми от встроенных аккумуляторов. Мощность фиксируемых колебаний растет с увеличением Давления и размера течи и уменьшением расстояния до нее. Чувствительность контроля может быть существенно повышена, если дефектную зону объекта смочить жидкостью, например водой. Вытекающий через течи газ образовывает пузырьки, при разрушении которых образуются мощные акустические импульсы.
Контроль акустическим методом не требует применения специальных пробных веществ и высокой квалификации исполнителей. Недостатком метода является относительно низкая чувствительность и влияние посторонних шумов различного происхождения.
{jlcomments}