Введение к работе
Актуальность темы. Современная научная и производственная практика предъявляет повышенные требования к качеству и надёжности крупногабаритного химического оборудования, нефте- и газохранилищам, трубам большого диаметра и т. д. Немаловажным показателем этого является степень герметичности отдельных узлов или изделия в целом. Нормативные документы РФ устанавливают определённые требования к контролю герметичности, который необходимо осуществлять не только на завершающей стадии изготовления продукции, но и после проведения промежуточных операций, а также в процессе эксплуатации.
Существует множество методов и технических средств, применяемых для неразрушающего контроля малогабаритных изделий. В литературе имеется информация об автоматизированных установках, контролирующих суммарную степень негерметичности. Имеются разработки позволяющие проводить автоматизированный контроль малогабаритных изделий с незамкнутыми полостями, а также трубчатых изделий и многие другие. Известны течеискательные устройства и высокопроизводительные автоматические установки контроля герметичности изделий, например, для контроля герметичности аэрозольных баллонов.
С другой стороны, проведение течеискания в крупногабаритных сварных изделиях, таких как реакторы, колонные аппараты, танкеры, газо- и нефтехранилища, трубы большого диаметра, арматура, конструкции летательных аппаратов и т. д., является сложной, трудозатратной операцией. Известные методы, применяемые при локализации течей в таких изделиях, либо обладают низкой чувствительностью по потоку (например, акустический), либо являются трудоёмкими и не поддаются автоматизации (манометрический, вакуумметрический, пузырьковый, индикаторный и т. п.). При этом для контролируемых объектов с односторонним доступом (днища газо -/нефтехранилищ) практически единственным методом контроля является вакуумно-пузырьковый. Однако реализация этого способа обладает рядом недостатков: необъективность контроля, связанная с визуальным методом регистрации течи, вероятность пропуска грубых течей из-за срыва пенной «шапки», высокая трудоёмкость и низкая производительность (50—60 м/ч), связанные в том числе с выполнением большого количества вспомогательных операций; применение жидких пенообразователей при работе в полевых условиях приводит к образованию луж и грязных разводов, что затрудняет контроль.
Немало важно и то, что в условиях автоматизированного сварочного производства целесообразно осуществлять контроль качества сварки непосредственно в процессе изготовления изделия. Но имеющаяся течеискательная аппаратура, способная выявлять течи в широком диапазоне утечек, имеет производительность, значительно меньшую производительности современных сварочных роботов. Поэтому вопросы интенсификации процесса локализации течей при контроле крупногабаритной продукции относятся на текущий момент к разряду актуальных. При этом ключевую роль в решении поставленной задачи
играет автоматизация, позволяющая увеличить эффективность неразрушающе-го контроля.
Целью диссертационной работы является разработка нового высокоэффективного способа неразрушающего контроля, основанного на локализации течей в изделиях с односторонним доступом к контролируемой поверхности при использовании пористого материала для повышения давления пробного газа в зоне регистрации.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
обзор существующих теоретических и экспериментальных работ в области локализации течей, определяющий направление исследования для достижения поставленной цели;
проведение системного анализа методов и средств измерения потока течи;
анализ роли факторов, влияющих на эффективность работы устройств локализации течей, выявление негативных факторов, снижающих производительность и достоверность контроля, поиск путей их устранения;
разработка математической модели процесса распространения пробного газа в пористой среде на основе квазигомогенного приближения, позволяющей выявить зависимости изменения давления в пористой среде от величины течи и конструктивных параметров датчика; формулировка и анализ системы допущений, принятой в модели;
разработка математической модели процесса взаимодействия концентрационного поля утечки пробного газа с датчиком по теплопроводности, описывающей статические и динамические характеристики измерительной системы; анализ допущений, принятых в модели;
разработка алгоритма обработки сигнала от датчика по теплопроводности с целью идентификации дефектоскопической информации (величины потока и местоположения течи);
проведение экспериментальных исследований процессов переноса пробного газа и взаимодействия его с датчиком по теплопроводности с целью проверки адекватности математической модели;
разработка устройства локализации течей.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Разработан новый способ неразрушающего контроля по определению места течей, основанный на уменьшении вакуумной проводимости в зоне регистрации утечки с использованием пористой среды.
-
Установлено, что использование пористой среды в зоне регистрации течи позволяет повысить давление пробного газа пропорционально величине потока течи.
-
Использование квазигомогенного приближения для математического описания процесса переноса газа в пористой среде подтверждено экспериментально.
-
Разработана аналитическая зависимость, описывающая концентрационное поле утечки пробного газа в пористых средах в процессе сканирования контро-
лируемой поверхности датчиком и позволяющая выбрать оптимальные значения конструктивных и режимных параметров локализатора течей.
-
Исходя из аналитической зависимости, описывающей процесс взаимодействия концентрационного поля утечки пробного газа с датчиком по теплопро-водности, установлена возможность регистрации утечки более 10 м -Па/с.
-
Разработан алгоритм вторичной обработки, формализации и анализа параметров дефектоскопического сигнала, позволяющий автоматизировать процесс определения места течи.
Практическая значимость и реализация результатов работы. На основе материалов исследования разработано устройство, на которое получен патент на полезную модель — Пат. 101187 RU, МІЖ7 G01 МЗ/02. Устройство для локализации течей / Костиков Е. С, Мясников В. М., Сажин С. Г. — Опубл. 10.01.2011. Бюл. №1,2011.
Разработанный способ и устройство прошли апробацию в условиях ФГУП «НИИ химии и технологии полимеров имени академика В. А. Каргина с опытным заводом» (г. Дзержинск Нижегородской обл.).
Диссертационные материалы переданы для использования в учебном процессе в рамках дисциплины «Технические измерения и приборы» Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева.
Материалы работы предложены предприятиям и организациям, занимающимся неразрушающим контролем и технической диагностикой, для разработки высокоэффективных устройств контроля герметичности в автоматизированном (в том числе дистанционном) режиме.
Апробация работы. Основные результаты настоящей работы были доложены на следующих конференциях: XV Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии-2009 (ИСТ-2009)» (г. Нижний Новгород, 2009 г.), VIII Международная конференция «Неразру-шающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва,
-
г.), X Европейская конференция по неразрушающему контролю (г. Москва, 2009 г.), XVI Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии-2010 (ИСТ-2010)» (г. Нижний Новгород,
-
г.), IX Международная молодежная научно-техническая конференции «Будущее технической науки» (г. Нижний Новгород, 2010 г.), Всероссийская научно-техническая конференция «Физические основы диагностики материалов и изделий, и приборов для её реализации» (г.Тюмень, 2010г.), XVIIМеждународная научно-техническая конференция «Информационные системы и тех-нологии-2011 (ИСТ-2011)» (г. Нижний Новгород, 2011 г.), XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара, 2011 г.), XVIII Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии-2012 (ИСТ-2012)» (г. Нижний Новгород, 2012 г.).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 19 научных
работ, из них 5 — в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
методология создания высокоэффективных устройств локализации течей;
-
вакуумно-камерный метод локализации течей с уменьшением вакуумной проводимости в зоне регистрации за счёт применения пористых сред;
-
математическое описание концентрационного поля утечки пробного газа в среде пористого материала при наличии ограничивающей поверхности в случае перемещения локализатора течей;
-
алгоритм вторичной обработки, формализации и анализа параметров дефектоскопического сигнала;
-
устройство для локализации течей, реализующее вакуумно-камерный способ неразрушающего контроля локализации течей, при котором осуществляется повышение давления пробного газа в зоне регистрации утечки за счёт применения пористого материала и используется резистивный датчик по теплопроводности;
-
методика локализации течей с использованием разработанного устройства.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста и содержит 45 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 157 наименований.
