ПРОВЕРКА ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ ПРИ ПОМОЩИ ПОРТАТИВНОГО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРИБОРА UNISCOPE

ООО «Энергосвязьинвест», г. Москва

Авторы: Барат В.А., Терентьев Д.А., Попков Ю.С.

Актуальность

Главным требованием, предъявляемым к запорной арматуре любого типа, является обеспечение герметичности, в частности – внутренней герметичности, наличие которой гарантирует точное соблюдение технологического процесса и позволяет избежать потерь при транспортировке продукта. Нарушение внутренней герметичности возникает из-за дефектов конструктивных элементов арматуры, их износа, неполадок в работе запорного органа и нарушения уплотнений. Если дефектная арматура находится в эксплуатации, на входном и выходном патрубке создается разность давлений, при этом происходит истечение продукта (жидкости или газа) через имеющиеся несплошности.

Для контроля внутренней герметичности арматуры, как правило, применяются прямые схемы измерения утечки, которые позволяют достаточно точно определить значения расхода, но обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, они предполагают использование прецизионных измерительных приборов – манометров, термометров и анемометров, которые не всегда могут быть смонтированы на оборудовании в штатном режиме эксплуатации. Во-вторых, сам процесс прямых измерений может быть затруднен из-за необходимости слива или стравливания дополнительных объемов продукта. Кроме того, точные прямые методы измерения расхода могут требовать больших временных затрат. Например, из-за медленного роста давления, время измерения расхода малых утечек манометрическим способом может достигать 10-20 ч. При использовании ультразвуковых расходомеров необходимо обеспечить ламинарный характер потока среды внутри трубопровода, в результате чего измерения должны проводиться на расстоянии не менее 3-5 м от арматуры, при этом должны отсутствовать гибы или отводы трубопроводов, кроме того, трубопровод со стороны выходного патрубка должен быть полностью заполнен жидкостью.

Разработка и описание акустического метода

Компания «Энергосвязьинвест» в качестве альтернативы перечисленным выше методам разработала акустический метод оценки герметичности ЗРА. Физические принципы работы следующие. Малые размеры дефектов арматуры обуславливают турбулентный характер утечки, даже при сравнительно небольших перепадах давления. Турбулентный поток жидкости или газа через несплошности создает акустический шум, который можно регистрировать акустическими преобразователями, установленными на корпусе арматуры. В соответствии с теорией струйных течений, уровень акустического сигнала, создаваемого утечкой, прямо пропорционален расходу утечки Q, а также зависит от перепада давлений на затворе арматуры P, плотности продукта p, проходного диаметра арматуры D, а также типа и конструктивных особенностей арматуры type , т.е. определяется соотношением вида:

A = Q * f ( P ,p, D, type)

Компанией «Энергосвязьинвест» на различных промышленных площадках были проведены многочисленные экспериментальные исследования (рис. 1), в ходе которых было обследовано более 500 единиц запорной арматуры наземной и подземной установки (шаровые и конические краны, клиновые и шиберные задвижки, клапаны и дисковые затворы) с проходными диаметрами от 50 до 1000 мм. Цель экспериментов состояла в измерении расхода утечки независимым прямым методом и сопоставлении результатов с параметрами зарегистрированного акустического сигнала.

Рис.1. Экспериментальные исследования

В результате исследований был подтвержден линейных характер зависимости между значением расхода утечки Q и уровнем акустического сигнала A, а также получена обобщенная эмпирическая модель определения расхода утечки вида:

A = Q * P^a1 * D^a3 * a₃

где коэффициенты a₁, a₂ и a₃ зависят от типа конструкции и условий эксплуатации ЗРА (наземная или подземная), а также от вида транспортируемой среды (вода, пар, природный газ, нефть и т.д.), типа используемых акустических датчиков и мест их установки. В ходе проведенных исследований были определены значения коэффициентов для различных типов арматуры.

Рис. 2. Линейная зависимость между уровнем акустического сигнала и расходом утечки

Также были определены характерные форма и спектр течевых сигналов. Выявлено, что появление утечки приводит к тому, что спектр сигнала становится более узким и низкочастотным (рис. 3). Помимо этого, определены требования к акустическим преобразователям, выбраны точки установки сбора данных, обеспечивающие максимальную чувствительность и надежность к обнаружению утечек.

а)
б)
Рис. 3 а) акустический сигнал и его спектр при отсутствии утечек; б) акустический сигнал и его спектр для утечки с расходом 5 л/мин.

Реализация в приборе «UNISCOPE»

Методика проверки герметичности запорной арматуры реализована в портативном многофункциональном приборе неразрушающего контроля «UNISCOPE» (рис. 4-5, табл. 1), производимом ООО «Энергосвязьинвест». Прибор UNISCOPE является полноценной двухканальной АЭ системой, в которой контроль герметичности запорной арматуры является автоматической функцией реализованной на базе метода АЭ.

Рис. 4. Портативный многофункциональный прибор UNISCOPE. Общий вид

Табл. 1. Эксплуатационные характеристики

Наименование параметра	Значение
Габаритные размеры, см	325х170х75
Масса, кг	3
Степень защиты от внешних воздействий	IP65
Время автономной работы, ч	Не менее 8
Температурный диапазон работы системы, 0C	-20…+40
Верхний рабочий диапазон температур ПАЭ, 0C	150
Минимальная обнаруживаемая величина расхода, л/мин	1

Рис. 5. Подключение аксессуаров к прибору «UNISCOPE»

Функция контроля внутренней герметичности представляет собой универсальную, автоматизированную и простую методику контроля, и позволяет производить экспресс-проверку герметичности различных видов запорной арматуры любых типоразмеров, для любой среды (жидкости, газа или пара), подземной и наземной установки в различных условиях эксплуатации. Процедура измерений заключается в установке акустического преобразователя на корпус арматуры и измерении уровня акустического сигнала.

Время измерения расхода утечки акустическим методом составляет от 1 до 15 мин. Допустимый диаметр контролируемой запорной аппаратуры от 25 до 1400 мм. Для проведения контроля необходимо создать на ЗРА разность давлений не менее 3 атм. Средняя погрешность оценки расхода утечки составляет порядка 20%, минимально обнаруживаемый размер утечки составляет 1 л/мин для арматуры наземной установки и 10 л/мин для арматуры подземной установки. В качестве акустических датчиков используются преобразователи акустической эмиссии GT200 и GT205 с относительно высокими рабочими частотами от 40 до 200 кГц, что позволяет минимизировать влияние шумов, возникающих за пределами контролируемой единицы ЗРА.

Таким образом, оценка расхода утечки акустическим методом является косвенной и менее точным, чем измерение прямым методом, однако ее использование позволяет получить экспресс-оценку величины утечки, погрешность которой позволит определить класс герметичности запорной арматуры, и принять решение о возможности дальнейшей эксплуатации.

Программный интерфейс и реализация методики

Программа, реализующая функцию проверки герметичности, имеет дружественный, интуитивно понятный интерфейс и не требует предварительного обучения оператора. Процедура измерения включает 3 основных этапа.

На I этапе (рис. 6) оператор при помощи диалогового окна задает имя файла и характеристики контролируемой единицы запорной арматуры:

• тип: шаровой кран, клапан и т.д.;
• способ установки: наземный, подземный;
• разность давлений;
• диаметр;
• рабочую среду.

Рис. 6. Интерфейс программы проверки герметичности. Этап I

На II этапе (рис. 7) на экране прибора отображается эскизный чертеж исследуемой арматуры и необходимое количество точек измерения (обычно составляющее от 1 до 6), а также рекомендуемое расположение точек измерения. Каждая точка измерений должна быть освобождена от изоляции, кроме того, поверхность металла должна быть зачищена до Rz40. Сбор данных производится путем последовательной перестановки акустического преобразователя в точки, обозначенные на схеме. Длительность сбора акустических данных в каждой точке не превышает 10 с.

Рис. 7. Интерфейс программы проверки герметичности. Этап II

На III этапе (рис. 8) в течение нескольких секунд или десятков секунд происходит автоматический анализ данных с целью установления факта утечки и оценки ее расхода. Обработка измерительных данных происходит автоматически. Алгоритм включает следующие этапы – фильтрация помех, поиск характерных течевых сигналов, расчет информативных параметров сигнала, расчет величины утечки на основании эмпирической формулы.

По окончанию расчетов на экране прибора в табличном виде отображается протокол измерения, включающий в себя:

• заключение о герметичности / негерметичности арматуры;
• оценка расхода утечки;
• определение класса герметичности запорной арматуры (по ГОСТ или отраслевым стандартам).

Рис. 8. Интерфейс программы проверки герметичности. Этап III

Эксперименты на АЭС

В 2015-2017 гг. на территории Смоленской АЭС были проведены исследования, предметом которых является возможность применения прибора UNISCOPE и описанной методики для контроля герметичности запорнорегулирующей арматуры АЭС.

Объектом исследования являлась электроприводная арматура различных типов, установленная энергоблоков №№1, 2, 3 Смоленской АЭС. Были проведены измерения акустического сигнала на корпусах герметичной и негерметичной арматуры, также проведено соотнесение величины акустического сигнала и результатов применения имеющейся эмпирической формулы расчета утечки с измеренными контрольными методами значениями фактического расхода.

Выявлено, что характерный для САЭС уровень акустических шумов создаваемый компрессорами, тройниками и отводами в диапазоне 100-500 кГц не высок (до 28-33 дБ) и не является помехой для использования разработанного ранее акустического метода контроля герметичности.

Путем сравнения результатов измерений объема утечки акустическим методом с фактическим объемом утечки подтверждено, что на ЗРА наземной установки достоверно определяются утечки воды объемом более 1 л/мин с погрешностью до 15-20%.

Выявлено, что разработанный ранее метод течеискания в целом, акустические преобразователи GT200, частотные фильтры, рекомендации по точкам установки ПАЭ и прибор UNISCOPE подходят для применения на территории АЭС.

В ходе исследований от сотрудников Смоленской АЭС получен ряд пожеланий по улучшению программного обеспечения прибора «UNISCOPE».

Контроль на АЭС

Проведены измерения размера утечки на 94 единицах ЗРА. Обследованы 92 клиновые задвижки диаметром DN 100 мм, 1 клиновая задвижка диаметром DN 250 мм, 1 клапан диаметром DN 50 мм.

Контроль герметичности в затворе арматуры в положении «закрыто» производился при рабочем перепаде давления от 2.2 до 16 кгс/см². Арматура закрывалась с использованием проектного электропривода необходимым крутящим моментом, указанным в технических условиях на арматуру.

Для оценки достаточности создания удельных усилий, необходимых для обеспечения герметичности в затворе в соответствии с техническими условиями на арматуру, были использованы данные базовых испытаний и периодического контроля,  проводимого персоналом лаборатории диагностики электроприводной арматуры в процессе эксплуатации и в период ППР энергоблоков. Зафиксировано, что электроприводы арматуры настроены на значение крутящего момента, необходимое для уплотнения в затворе (с учетом допуска, указанного в технических условиях).

Преобразователи акустической эмиссии устанавливались на корпуса арматуры в соответствие со методикой контроля. Зачистка поверхности производилась до состояния поверхности  не хуже Rz40.

По автоматизированной программе, встроенной в прибор «UNISCOPE», произведен расчет протечек в количественные показатели и составлены протоколы измерений протечек и определения герметичности арматуры.

По результатам контроля выявлено 15 единиц ЗРА с утечкой воды величиной от 1.1 до 6.1 л/мин.

Список литературы

1. Елизаров С.В., Алякритский А.Л., Кольцов В.Г., Барат В.А., Ростовцев М.Ю., Новый портативный инструмент «UNISCOPE» для неразрушающего контроля. /Химическая техника, №8, 2011, с.34-35.
2. А.И Запунный, Л.С. Фельдман, В.Ф. Рогаль. Контроль герметичности конструкции, Изд-во «Техника», Киев, 1976г.
3. Барабанов, В. Г. Исследование временных зависимостей схемы контроля герметичности по способу сравнения. / Известия ВолгГТУ № 1: межвуз.сб. науч. ст. / ВолгГТУ. –Волгоград. – 2004. – с. 17–19.
4. Барат В.А., Елизаров С.В., Щелаков Д.А. Проверка герметичности запорной арматуры при помощи портативного многофункционального прибора UNISCOPE./ В мире неразрушающего контроля.2012.- №1(55), с.22-24
5. Сидоров А.А., Барат В.А. Акустическая эмиссия. Течеискание. / XXI Международная конференция Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, тезисы докладов, с.99.
6. Методика контроля герметичности запорной и регулирующей арматуры, применяемой на объектах транспорта газа СТО Газпром 2-2.3-314-2009.