книги / Основы технической диагностики нефтегазового оборудования
..pdfРис. 5.3. Схемы способов реализации масс-спектрометрического метода течеискания:
а — способ обдува; 6 — способ щупа; в — способ разъемных местных камер (чехлов); О — испытуемый объект; G —течеискатель; R — щуп; VF — клапан регулировочный; N — насос; К — баллон с пробным газом; D — обдуватель; С — камера, наполненная пробным газом
вакуумной частью он может присоединяться к самому объекту или к щупу в зависимости от выбранной схемы контроля. 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 на ружной поверхности изделия из него откачивается воздух до получе ния давления 10“5...10~8 МПа и изделие соединяется с вакуумной ча стью 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. Воз дух 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/е) гелий очень сильно (на 25 %) отличается от ближайших ионов других газов, что облегчает его обнаружение и выполнение измерений. Поэтому массспектрометрические течеискатели часто называют гелиевыми.
Схема масс-спектрометрической камеры течеискателя приведена на рис. 5.4 [3, 4]. Газы, подлежащие анализу, из испытываемого объ екта или от щупа поступают в камеру ионизатора. От накального ка тода в камеру, находящуюся относительно катода под положитель-
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
ным зарядом, направляется пучок отрицательно заряженных элек тронов, которые, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их. Фокусировка электронов при этом осуществляется магнитным по лем напряженностью Нх. Из образовавшихся в камере ионов с по мощью диафрагмы формируется ионный пучок, который разгоняет ся благодаря разности потенциалов t/0 между диафрагмами 3 и 4.
Диафрагма 4 при этом электрически соединена с катодом и заря жена отрицательно относительно диафрагмы 3. Ионы пучка разгоня
ются до одинаковой энергии £, которая определяется по формуле*
ту2
eU0,
~
откуда
]2eU0 '
v
т
где v — скорость ионов; е — заряд иона; т — Масса иона. Учитывая, что масса ионов различных компонентов анализирУе"
мого газа неодинакова, скорость ионов разных элементов также 6yieJ различаться. Далее ионы попадают в спектральную камеру, в которой действует магнитное поле напряженностью Я, направленное перпе**" дикулярно движению ионов. Под действием силы Лоренца Fn= направление которой определяется по правилу левой руки, ионы 6У~ дут перемещаться по траекториям в виде окружности радиусом R, а сама Fn при этом будет уравновешиваться центробежной силой.
Отсюда
mv2
evH.
~~R
Выразив R и подставив v, получим |
|
|
R = mv |
Н |
т |
7 н |
е |
Так как радиус траектории R зависит от отношения т/е, в спек тральной камере ионный пучок разделяется на ряд пучков, соответ ствующих фиксированным значениям массовых чисел (ть тъ ..., т,). Выделив пучок ионов пробного газа (гелия) диафрагмой и рас положив за ней коллектор ионов, производят измерения интенсив ности 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) контроли руемый объект; определение степени негерметичности объекта и (или) места течи; обработка и оценка результатов течеискания. По рог чувствительности течеискания должен контролироваться по ка либрованным течам перед началом испытаний и в процессе их проведения в соответствии с технической документацией, утвер жденной в установленном порядке.
5.4. Галогенный и катарометрический методы
Галогенный метод течеискания основан на свойстве нагретой по верхности 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 ве ществ. На этом свойстве построен галогенный течеискатель, работа которого осуществляется следующим образом [3]: через чувствитель ный элемент течеискателя, выполняющий функции анода, прогоня ют с помощью центробежного или вакуумного насоса анализируе
мый газ. Анод, нагретый до 800...900 °С, испускает ионы содержа щихся 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 метал лов, 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, без вредны и широко применяются в промышленности и в быту (напри мер, в бытовых холодильниках).
Технология контроля галогенным течеискателем значительно проще, чем масс-спектрометрическим. Галогенный течеискатель сравнительно несложный и легкий прибор. Вместе с тем при про ведении контроля в помещении необходима его тщательная венти ляция из-за возникновения повышенного фона, снижающего точ ность измерений. Недостатком метода является также возможность потери чувствительности — «отравления» анода течеискателя при попадании на него большого количества галогенов. Восстановле ние «отравленного» анода осуществляется прокачкой через течеи скатель большого объема чистого воздуха при повышенном накале анода.
Катарометрический метод течеискания основан на регистрации разницы в теплопроводности газа, вытекающего через сквозные от верстия контролируемого объекта. Работающие на этом принципе течеискатели обладают высокой чувствительностью и минимальны ми размерами. Так, на рис. 5.5 приведен портативный течеискатель Pho Cheer 5000Ех, предназначенный для поиска утечек из резер вуаров, сосудов и трубопроводов, а также для текущего контроля окружающей среды на присутствие летучих органических соедине ний.
Основным элементом течеискателя является сенсор, мгновенно определяющий изменение теплопроводности газа. При включении он автоматически калибруется по воздуху. Важным отличием течеи скателя является его искробезопасное электрическое исполнение в соответствии с международным стандартом BASEEFA и возмож ность применения во взрывоопасных помещениях и средах.
Рис. 5.5. Контроль окружающей сре ды с помощью катарометрического Течеискателя
5.5. Жидкостные методы течеискания
Процесс гидроиспытаний, которому подвергаются большинство работающих под давлением объектов в нефтегазохимической про мышленности, используют одновременно как способ течеискания. Таким способом обычно удается обнаружить большие течи. Индика ция течей осуществляется визуально или по падению манометриче ского давления.
Для облегчения поиска течей и понижения порога чувствитель ности в пенетрант или пробную жидкость часто добавляют люмино форы.
К жидкостным методам течеискания с применением люминофо ров относятся люминесцентно-гидравлический и гидравлический с люминесцентным покрытием. Оба метода реализуются одновремен но с испытанием объекта контроля на прочность гидравлическим давлением. Их сущность заключается в обнаружении просочившихся или активированных водой капель люминофора при ультрафиолето вом облучении.
Люминесцентно-гидравлический метод осуществляется с приме нением в качестве пробного вещества раствора люминофора в воде, находящейся в испытуемом изделии под давлением. При проникно вении пробного вещества через течи люминофор дает свечение при облучении УФС. Недостаток метода — необходимость обесцвечива ния 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 ве щество, 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 причи нам или из-за низкой прочности контролируемого объекта, для об наружения течей применяют контроль проникающими веществами. Он отличается от рассмотренного в главе 4 тем, что пенетрант и про явитель наносят на разные стороны перегородки. Такой способ при меняют, в частности, для контроля герметичности сварных швов вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. В соответствии с ПБ 03-605—03 контроль произво дят с использованием пробы «мел—керосин» путем обильного сма чивания сварных швов керосином. На противоположной стороне сварного шва, предварительно покрытого водной суспензией мела или каолина, течи, при их наличии, проявляются в виде пятен на бе лом фоне после выдержки в течение не менее 1 ч. Метод с использо-
ванием пробы «мел—керосин» является наиболее технологичным при проверке герметичности уторного шва, соединяющего стенку с днищем и представляющего наибольшие сложности для инструмен тального контроля.
5.6. Акустический метод
Этот метод основан на индикации акустических колебаний, воз буждаемых в контролируемом объекте, грунте или окружающей га зовой среде (воздухе) при вытекании пробного газа или жидкости через сквозные дефекты. Молекулы пробного вещества взаимодейст вуют 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, пре образовывающего ультразвуковые колебания в электрические сигна лы, передаваемые далее на показывающие и записывающие устрой ства 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 техно логической среды и регистрируемые датчиками, усиливаются и по ка белю или радиоканалу передаются на программируемый процессор, где вычисляется их взаимная корреляционная функция. К их числу относится отечественный акустический корреляционный течеискатель Т-2001, разработанный фирмой ИНКОТЕС, позволяющий определить места утечек на расстоянии до 600 м между датчиками. Положение пика корреляционной функции, визуализируемой на экране течеиска теля, определяет местоположение течи. Погрешность определения места утечки —0,1 м на длине обследуемого участка 100 м. Для кон троля герметичности емкостного технологического оборудования в ка честве течеискателей могут использоваться комплекты акустико-эмис сионной аппаратуры, позволяющие путем планарной локации опреде лять координаты течей (см. 10.4).
Генерация вибраций грунта или акустических колебаний окру жающей газовой среды при протечке газа или жидкости через течи обусловлена превращением кинетической энергии струи в энергию упругих колебаний. Частотный спектр этих колебаний широк: от де сятков герц до сотен килогерц. Он зависит от вида и размеров течи, параметров протекающего через нее вещества (плотности, темпера туры, давления и др.).
Принцип действия таких течеискателей основан на преобразова нии вибрации грунта или колебаний газовой среды (воздуха) в элек-
86
трические сигналы, частотной и амплитудной селекции этих сигна лов. 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 кон тактным методом, так и дистанционно. К ним относятся, например, ультразвуковые локаторы ULTRAPROBE, предназначенные для оп ределения мест присосов и утечек газовых и жидкостных сред, де фектоскопии подшипников, мест искрения и коронных разрядов в электрооборудовании. На рис. 5.6 приведен рабочий момент дистан ционного контроля состояния изоляторов ЛЭП с помощью ультра звукового локатора ULTRAPROBE™ 2000, снабженного параболиче ской насадкой.
Все современные акустические течеискатели являются компакт ными переносными приборами, питаемыми от встроенных аккуму ляторов. Мощность фиксируемых колебаний растет с увеличением давления и размера течи и уменьшением расстояния до нее. Чувст вительность контроля может быть существенно повышена, если де фектную зону объекта смочить жидкостью, например водой. Выте кающий через течи газ образовывает пузырьки, при разрушении ко торых образуются мощные акустические импульсы.
Контроль акустическим методом не требует применения специ альных пробных веществ и высокой квалификации исполнителей. Недостатком метода является относительно низкая чувствительность и влияние посторонних шумов различного происхождения.
6. р а д и а ц и о н н ы й к о н т р о л ь
Радиационный неразрушающий контроль основан на использо вании проникающих свойств ионизирующих излучений и является одним из наиболее эффективных и распространенных видов контро ля. В нефтегазовой отрасли применяется прежде всего для контроля сварных соединений магистральных и промысловых трубопроводов, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, сосудов под дав лением и других объектов. Реализация данного вида контроля преду сматривает использование как минимум трех основных элементов: источника ионизирующего излучения; объекта контроля; детектора, регистрирующего результаты взаимодействия ионизирующего излу чения с объектом контроля.
6.1.Источники ионизирующего излучения
Врадиационном неразрушающем контроле используют три ви
да ионизирующих излучений: тормозное (х), гамма- (у) и нейтрон ное (п).
Контроль с применением нейтронного излучения осуществля ется только в стационарных условиях. Основными источниками нейтронного излучения являются ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы и радиоактивные источники нейтронов. В поле вых условиях при эксплуатации или строительстве объекта обычно используют х- или у-излучения. Источниками х-излучения при этом
служат переносные импульсные рентгеновские аппараты, а у-излуче ния — радиоактивные источники. С их помощью можно просвечи вать стальные изделия толщиной 1...200 мм.
Излучающим элементом рентгеновских аппаратов являются ва куумные двухэлектродные рентгеновские трубки. На электроды трубки (с холодным катодом) подается импульс высокого напряже ния, создаваемый путем разряда накопительной емкости через повы шающий высоковольтный трансформатор. Под действием этого им пульса происходит электрический пробой вакуума и при торможе нии электронов на аноде возникают кратковременные (0,1...0,2 мс) вспышки рентгеновского х-излучения.
При диагностировании оборудования в полевых условиях для контроля металлоконструкций применяется переносная рентгенов ская аппаратура «Арина-0,5», «Шмель» и др., позволяющая просве чивать стальные материалы толщиной 5... 120 мм. Такая аппаратура состоит из трех основных частей: переносного (транспортабельного) блока — трансформатора с рентгеновской трубкой, переносного пульта управления чемоданного типа, комплекта соединительных
88
низковольтных кабелей, трубопроводов или шлангов, применяемых при охлаждении блока трансформатора.
Контрольно-измерительная часть представляет собой группу приборов, которые служат для измерения и регулирования времени, тока, напряжения и частоты. Величина высокого напряжения, пода ваемого на электроды рентгеновской трубки, составляет 100...400 кВ. С увеличением напряжения осуществляется смещение максимума излучения в сторону коротких волн, увеличивается проникающая способность излучения.
Рентгеновский излучатель, помимо рентгеновской трубки, вклю чает защитный кожух, заполненный изолирующей средой — транс форматорным маслом или газом под давлением, а также коллима тор — устройство, предназначенное для формирования пучка на правленного излучения.
Радиоактивные источники у-излучения применяются в гамма-де фектоскопии и поставляются в ампулах, транспортируемых в специ альных контейнерах. В качестве радиоактивных источников обычно используются изотопы СобО, Se75, Irl92. Появление таких сравнитель но дешевых радиоактивных источников привело к созданию специ альных комплектов оборудования, названных гамма-дефектоскопами. Различают гамма-дефектоскопы для фронтального и панорамного просвечивания, а также универсальные шланговые гамма-дефектоско пы. Гамма-дефектоскопы первого типа представляют собой лишь из лучающую радиационную головку, устанавливаемую в зону контроля и снабженную механизмом открывания и закрывания затвора. Наи большее применение нашли универсальные приборы шлангового типа, состоящие из радиационной головки, шланга-ампулопровода, пульта управления с механизмом перемещения ампулы с радиоактив ным источником по ампулопроводу и коллимирующей насадки. В этих аппаратах ампула радиоактивного источника излучения из ра диационной головки подается по ампулопроводу с помощью гибкого троса, приводимого от дистанционного пульта с ручным или электри ческим приводом. Наличие дистанционного привода позволяет свести до минимума радиоактивное облучение оператора за счет его удаления от источника излучения на 12 м и более.
Структурная схема шлангового дефектоскопа приведена на рис. 6.1. На рис. 6.2 показаны радиационные головки некоторых отечественных шланговых дефектоскопов, а на рис. 6.3 — типо вое оборудование гамма-дефектоскопии с дистанционным пультом управления. Основным элементом радиационных головок является защитный урановый кожух, смонтированный внутри корпуса и предназначенный для защиты обслуживающего персонала от радио активного излучения.
Втабл. 6.1 приведены для сравнения основные характеристики современных отечественных шланговых гамма-дефектоскопов.
Вотличие от рентгеновских аппаратов гамма-дефектоскопы мо гут эксплуатироваться без источников энергии, что особенно важно
вполевых условиях. Их также часто применяют для контроля закры-
Рис. 6.1. Структурная схема шлангового гамма-дефектоскопа:
1 —дистанционный пульт управления; 2 — крышка с блокиратором; 3 — радиационная го ловка; 4 — ампулодержатель; 5 — ампула с радиоактивным источником; 6 — блокиратор; 7 — защитный урановый стержень; 8 — шланг; 9 — коллимирующая насадка; 10 — фильтр коллимирующей насадки
тых объектов сложной формы, когда невозможно установить излуча тели рентгеновских аппаратов. Недостатками гамма-дефектоскопов являются: необходимость периодической замены источников излуче ния, потерявших активность, ограниченные возможности по регули рованию режимов работы, а также более низкий контраст радиогра фических снимков по сравнению с рентгеновскими.
Наименование
Тип радиоактивно го изотопа
Период полураспа да изотопа
Эффективная энер гия гамма-излуче ния, МэВ
Оптимальный диа пазон толщин кон тролируемого ме талла (сталь), мм
Перемещение ис точника излучения по ампулопроводу: по горизонтали, м по вертикали, м
Интервал рабочих температур, °С
Габаритные разме ры радиационной головки, мм
Масса радиацион ной головки, кг
|
|
|
|
Таблица 6.1 |
||
|
Марка гамма-дефектоскопа |
|
|
|||
РИД-5е4Р |
РИД-ИС/120Р |
РИД-К/100 |
ГАММАРИД |
|||
192/120МД |
||||||
|
|
|
|
|||
Se75 |
Se75 или 1г192 |
СобО |
1г192 |
|||
~ 120 дн. |
Se75 - |
120 дн. |
5,25 г |
~ 74 дн. |
||
|
1г192 ~ 74 дн. |
|
|
|
||
- 0,215 |
Se75 - |
0,215 |
1,25 |
- 0,407 |
||
|
1г192 - |
0,407 |
|
|
|
|
5...30 |
У 1 оо о |
30...200 |
о |
о |
||
сч |
оо |
До 8,0 |
До 8,0 (12) |
До 8,0 |
До |
8,0 |
|
До 4,0 |
До 4,0 |
До 4,0 |
До |
4,0 |
|
-50 |
...+50 |
-40...+45 |
+ 1...+45 |
—50...+50 |
|
224 х |
100 х 175 |
320 х 122x205 |
450 х 270 х 320 |
240х 110х ПО |
|
|
7 |
- 23 |
152 |
19 |