WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Костиков Евгений Сергеевич

исследование Вакуумно-камерного способа
локализации течей и Разработка устройства
с датчиком по теплопроводности

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля
природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

г. Дзержинск — 2012

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация и информационные системы» Дзержинского политехнического института (филиала) ГОУ ВПО «Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Сажин Сергей Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Шелихов Геннадий Степанович

кандидат технических наук

Сперанский Сергей Константинович

Ведущая организация

ФГУП «НИИ химии и технологии полимеров имени академика В. А. Каргина с опытным заводом»

Защита диссертации состоится «12» декабря 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 при ЗАО «Научно-исследователь­ский институт интроскопии МНПО „Спектр“» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр. 1.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, направлять по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр. 1, учёному секретарю диссертационного совета Д 520.010.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ интроскопии, Ассоциация «Спектр-групп».

Автореферат разослан «___»  ___________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 520.010.01,

доктор технических наук, профессор

Н. Р. Кузелёв

Общая характеристика работы

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 неразрушающего 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:

1. Разработан новый способ неразрушающего контроля по определению места течей, основанный на уменьшении вакуумной проводимости в зоне регистрации утечки с использованием пористой среды.

2. Установлено, что использование пористой среды в зоне регистрации течи позволяет повысить давление пробного газа пропорционально величине потока течи.

3. Использование квазигомогенного приближения для математического описания процесса переноса газа в пористой среде подтверждено экспериментально.

4. Разработана аналитическая зависимость, описывающая концентрационное поле утечки пробного газа в пористых средах в процессе сканирования контролируемой поверхности датчиком и позволяющая выбрать оптимальные значения конструктивных и режимных параметров локализатора течей.

5. Исходя из аналитической зависимости, описывающей процесс взаимодействия концентрационного поля утечки пробного газа с датчиком по теплопроводности, установлена возможность регистрации утечки более 10-5 м3⋅Па/с.

6. 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, МПК7 G01 M3/02. 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 (ИСТ2009)» (г. Нижний Новгород, 2009 г.), VIII Международная конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2009 г.), X Европейская конференция по неразрушающему контролю (г. Мос­ква, 2009 г.), XVI Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии-2010 (ИСТ2010)» (г. Нижний Новгород, 2010 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, 2010 г.), XVII Между­народная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии-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 (ИСТ2012)» (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:

1. методология создания высокоэффективных устройств локализации течей;

2. вакуумно-камерный метод локализации течей с уменьшением вакуумной проводимости в зоне регистрации за счёт применения пористых сред;

3. математическое описание концентрационного поля утечки пробного газа в среде пористого материала при наличии ограничивающей поверхности в случае перемещения локализатора течей;

4. алгоритм вторичной обработки, формализации и анализа параметров дефектоскопического сигнала;

5. 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;

6. 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.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследования, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов; обоснована их достоверность; сформулированы основные положения, выносимые на защиту; даётся краткое содержание диссертационной работы; приведён список научных международных и всероссийских конференций, на которых докладывались и обсуждались результаты работы.

В первой главе даётся характеристика проблем неразрушающего конт­роля течеисканием в крупногабаритных изделиях химической, нефтехимической и др. отраслей. Проведён анализ существующих методов неразрушающего контроля течеисканием с точки зрения применимости их для задач локализации течей и возможности повышения их производительности за счёт применения технических средств автоматизации. Основное внимание уделяется пузырьковому способу и его вариациям как наиболее распространённому в практике течеискания. Выявлены его недостатки.

Дан обзор теоретических и экспериментальных работ в области фундаментальных основ неразрушающей локализации течей газовыми методами. Приведены фундаментальные зависимости, получаемые на основе молекулярно-кинетических представлений. Рассмотрены характерные морфологические особенности пористых структур и существующие методы их математического описания. Рассмотрены допущения, используемые в различных методах моделирования. Рассмотрены известные методы формализации дефектоскопического сигнала. Представлен результат проведённого сравнительного обзора существующих методов и средств измерения разряжения.

На основании проведённого анализа теоретических и экспериментальных работ в области неразрушающего контроля течеисканием, а также по смежным разделам науки, сформулированы задачи исследований и приведено обоснование целесообразности накопления утечки в пористой среде.

Вторая глава посвящена разработке математической теории процесса переноса пробного газа (ПГ) методом квазигомогенного приближения.

На рис. 1 приведена принципиальная схема разработанного локализатора течей (ЛТ), реализующего вакуумно-камерный способ с пористыми мембра­нами. Основным элементом такого локализатора является пористая мембрана, служащая для уменьшения вакуумной проводи­мости в зоне регистрации утечки и являющаяся «аккумулятором» пробного газа. При этом происходит защита концентрационного поля утечки пробного газа (КПУПГ) от внешней среды, а также повышение давление ПГ в зоне регистрации. Для большего накопления ПГ верхняя грань мембраны делается газонепроницаемой.

Для моделирования процесса переноса ПГ используется квазигомогенное приближение, основанное на феноменологическом допущении тожественности процессов свободномолекулярного (кнудсеновская диффузия) и молекулярного (тейлоровская диффузия) процесса диффузии, но с введением понятия «коэффициента эффективной диффузии» . Данный параметр является экспериме­нтальной величиной, поэтому в диссертации также ставится и решается задача опытного его определения.

Разработанный ЛТ может работать в двух режимах: в неподвижном и подвижном (непрерывное перемещение).

Для описания КПУПГ в неподвижном режиме работы разработана следующая математическая модель нестационарной кнудсеновской диффузии (рис. 2):

               

(1)

               

(2)

                       

(3)

               

(4)

где ε — пористость материала, — коэффициент эффективной кнудсеновской диффузии, м2/с, — концентрация ПГ в пористой мембране, выраженная в единицах давления, Па, — фоновая концентрация ПГ в вакуумной камере (остаточное давление), Па, — функция источника течи, м3⋅Па/с, — координаты точки в пористом теле, м, a, b, H — размеры пористого тела, м, — поток ПГ через течь, м3⋅Па/с, — координаты течи, м, — дельта-функция Дирака, Δ — оператор Лапласа.

Рис. 2. К выводу математической модели переноса газа
в случае неподвижной пористой мембраны.

Допущения:

— используется квазигомогенное приближение;

— вне пористого тела поддерживается постоянная концентрация ПГ (модель идеального перемешивания);

— функция источника действует в области Ω.

Решение данной задачи математической физики отыскивается методом функций Грина. Для этого используем интегральное представление решения уравнения нестационарной диффузии без внутренних источников:

               

(5)

где — нормаль к поверхности Σ тела Ω, — функция Грина, которая должна удовлетворять в области (4) уравнению (1) и граничным условиям

                     

(6)

при этом

               

(7)

где — координаты течи.

Для данной задачи функцию Грина можно представить в виде:

               

(8)

Решая для каждой из функций () задачу Штурма — Лиувилля вида

               

(9)

(где , , )

с соответствующими граничными условиями, получим решение исходной задачи:

               

(10)

Это выражение описывает поведение концентрационного поля ПГ при мгновенном появлении течи («раскупорка» течи) в точке (рис. 3).

Рис. 3. Линии уровня стационарного распределения
концентрации (давления) пробного газа в пористом теле в плоскости x—y ().
Параметры:  м,  м,  м,
 м3⋅Па/с,  м2/с.

Характерное время распределения ПГ в пористом материале можно определить как:

               

(11)

где A — характерный размер пористого тела, м.

Адекватность стационарного решение уравнения переноса ПГ в пористой мембране:

               

(12)

подтверждена экспериментально при применении в качестве ПГ гелия.

В подвижном случае (рис. 4) математическая модель имеет вид:

               

(13)

               

(14)

                   

(15)

               

(16)

где c — концентрация ПГ в пористой мембране, превышающая фоновую, Па, — время действия источника, с. Здесь координаты задаются в системе координат , связанной с пористым телом. Таким образом, используя принцип относительности Галилея, рассматривается задача не движения пористого тела, а движение источника течи под пористым телом Ω.

Рис. 4. К выводу математической модели переноса газа
в случае подвижной пористой мембраны.

В этом случае текущие координаты течи определяются как

               

(17)

где — координаты течи в начальный момент времени, м/с, — проекции вектора скорости ЛТ на оси координат , м/с. Координаты задаются в осях . Как следует из рис. 3, , , , , однако решим общую задачу, где , , , . Условие характеризует ситуацию так называемого «открытия» течи в момент времени, когда пористое тело уже находится над ней, а появление составляющей может быть вызвано отклонением движения ЛТ от выбранной оси .

При прямолинейном движении с постоянной скоростью время движения течи под пористой мембраной определяется как

               

(18)

где a — длина пористого материала (в общем случае, это размер по оси, вдоль которой происходит движение), м.

Допущения:

— используется квазигомогенное приближение;

— вне пористого тела поддерживается постоянное разряжение и постоянная концентрация ПГ ;

— функция источника действует в области Ω;

— движение ЛТ является прямолинейным с постоянной скоростью;

— коэффициент эффективной диффузии и релаксационный коэффициент эффективной диффузии равны.

Вновь применяя метод функций Грина, получим следующее решение (с учётом допущений) (рис. 5):

               

(19)

               

(20)

Полученные аналитические зависимости, позволяют определить требуемые конструктивные и режимные параметры разрабатываемого устройства локализации течи.

Так как реальный датчик имеет определённые размеры, то возникает не­обходимость провести операцию усреднения концентрации ПГ в зоне взаимодействия с датчиком.

Рис. 5. Эволюция концентрационного поля (давления) утечки пробного газа ().
Параметры:  м,  м,  м,  м,
 м3⋅Па/с,  м2/с,  м/с,  м/с, .

Для выбранного способа регистрации давления — по теплопроводности — определяющим фактором является поверхность теплообмена. В этом случае среднее значение концентрации ПГ по поверхности можно определить как

               

(21)

где — площадь поверхности теплообмена, м2.

Датчики могут иметь различную форму. Наиболее распространённые прямоугольная и круглая (рис. 6).

а)

б)

Рис. 6. Варианты областей усреднения:
а — прямоугольная область; б — круглая область.

Из допущения о том, что вне пористого тела поддерживается постоянное разряжение и молекулы мгновенно покидают приграничную зону, следует, что для контакта с полной поверхностью площадки , необходимо выполнение следующего условия:

               

(22)

где — поверхность верхней грани пористого тела, м2.

Для прямоугольной конфигурации датчика условие (21) для КПУПГ на верхней грани () можно записать следующее аналитическое выражение:

— случай покоящего ЛТ:

               

(23)

— случай перемещающегося ЛТ:

               

(24)

где — см. выражение (20).

Усреднённое КПУПГ взаимодействует с плёночным датчиком по теплопроводности (рис. 7): за счёт теплообмена происходит отбор тепла от датчика, что вызывает его охлаждение и изменение электрического сопротивления.

Рис. 7. Схема взаимодействия датчика
по теплопроводности с концентрационным полем утечки пробного газа.

Рис. 8. К выводу теплового баланса.

Рассмотрим мгновенный тепловой баланс датчика по теплопроводности:

               

(25)

где — суммарный тепловой поток теплообмена за счёт теплопроводности с пористым материалом, Дж/с, — суммарный тепловой поток теплообмена за счёт теплопроводности с керамической подложкой, Дж/с, — тепловой поток от электрического тока (тепловой эффект электрического тока), Дж/с, — тепловой поток, связанные с излучением, Дж/с, — количество теплоты, «накопленное» в металлическом слое за счёт теплоёмкости, Дж.

Сделаем следующие допущения:

— через слой металла пропускается постоянный электрический ток I;

— сопротивление металлического слоя линейно зависит от температуры;

— контактное термическое сопротивление между керамической подложкой и металлическим слоем отсутствует;

— теплоперенос за счёт излучения пренебрежимо мал;

— кондуктивный теплообмен осуществляется по закону Ньютона — Рихмана;

— конвективная составляющая теплоотдачи отсутствует.

Таким образом, мгновенный тепловой баланс будет иметь вид (см. рис. 8):

               

(26)

где — удельное электрическое сопротивление при 0 °C, Ом⋅м, — температурный коэффициент сопротивления, К-1, , — толщина и ширина элемента металлического слоя соответственно (предполагается, что слой нанесён на керамическую подложку в виде прямоугольного меандра), м, — элемент длины звена меандра, м, — плотность металла, кг/м3, — удельная теплоёмкость металла (при постоянном давлении), Дж/(кг⋅К), — кондуктивный коэффициент теплоотдачи от металлического слоя в керамическую подложку, Вт/(м2⋅К), — коэффициент теплопроводности материала подложки, Вт/(м⋅К), — толщина керамической подложки, м, — коэффициент теплоотдачи от металла в пористый материал, Вт/(м2⋅К), — коэффициент эффективной теплопроводности пористой среды, Вт/(м⋅К), — толщина пористого материала, м.

Коэффициент эффективной теплопроводности пористой среды зависит от физических и морфологических свойств твёр­дой фазы и свойств газа-напол­нителя. Параметр также зависит от давления (или объёмной концентрации) пробного газа в поровом пространстве и определяется экспериментально. Для решения модели (26) используется метод Рунге — Кутты 4-го порядка с адаптивным шагом (рис. 9).

Полученное математическое описание процесса теплообмена между ПГ и датчиком по теплопроводности позволяет определить статические и динамические характеристики измерительной системы.

Характерное время процесса теплообмена усреднённого концентрационного поля утечки пробного газа и резистивного датчика по теплопроводности:

               

(27)

Третья глава посвящена разработке и реализации программного алгоритма обработки дефектоскопического сигнала, блок-схема которого представлена на рис. 10.

Обработка данных ведётся во вторичном времени (в оконном режиме), при котором сначала происходит накопление определённого массива данных, а затем его последующая обработка.

Первым этапом обработки является цифровая фильтрация с применением фильтра Баттерворта.

На втором этапе производится выделение и устранение базисной линии, которая появляется вследствие дрейфа нуля, наличия фонового сигнала, несбалансированности измерительного моста и других причин. Базисная линия имеет следующее выражение:

               

(28)

Для определения параметров k и b полученная выборка разбивается на подынтервалов, на каждом из них проводится линейная МНК-аппроксимация. Далее для полученных наборов и определяются моды (наиболее вероятные значения):

               

(29)

которые используются при устранении базисной прямой (тренда) в дефектоскопическом сигнале.

Следующий этап работы алгоритма представляет собой процедуру детектирования пиков, которая заключается в квадратичной МНК-аппроксимации на скользящем интервале в пределах оконной выборки.

Показано, что параметры параболы должны удовлетворять следующим необходимым условиям (рис. 11):

1. ;

2. , где j — скользящий индекс (), — размер выборки, на которой строится квадратичная аппроксимация, — количество отсчётов во временном окне;

3. , где — среднеквадратическое отклонение фонового сигнала.

Невыполнение хотя бы одного условия является признаком первичной отбраковки ложных пиков.

Прошедшие первичный отсев дефектоскопические пики обрабатываются алгоритмом формализации параметров, который заключается в МНК-аппроксимации переднего фро­нта выявленного пика гауссианой , где — время появления максимума дефектоскопического сигнала, — амплитуда пика, — среднеквадратичная ширина пика.

Формализованные параметры проходят статистическую обработку с вычислением их вероятностной оценки достоверности на основе критерия Байеса.

Данный алгоритм реализован на языке графического программирования G в среде разработки виртуальных приборов LabVIEW фирмы National Instruments (США) (рис. 12).

Четвёртая глава посвящена экспериментальному исследованию физических процессов, протекающих в пористом материале при взаимодействии его с пористым материалом и датчиком по теплопроводности. В ней описаны методы получения и калибровки контрольных течей, которые можно использовать в процессе исследования и калибровки ЛТ. Контрольные течи канального типа изготавливаются методом диффузионной сварки в вакууме. Калибровка течей производится на установке с использованием интерферометра Майкельсона для определения уровня жидкости в U-образном микроманометре.

Рис. 13 — График зависимости эффективного коэффициента кнудсеновской
диффузии воздуха в стекловате и коэффициента самодиффузии воздуха от давления.

На другой установке проводилось определение коэффициента эффективной  диффузии  пористого  слоя из стекловаты.  Было  показано,  что  пористый

а)

б)

Рис. 14 — График зависимости чувствительности измерительной системы:
а — по потоку течи, б — по давлению ПГ в пористом материале
(× — ; Ъ — ).

материал обладает низкой вакуумной проводимостью по сравнению со свободным объёмом, что подтверждает возможность использования пористых материалов в качестве средства повышения давления ПГ в зоне регистрации при реализации вакуумно-камерного способа течеискания. Получен график зависимости от среднего давления в пористой среде (рис. 13), который позволяет выбрать режим работы устройства локализации течи и использовать его для определения параметров математической модели.

Другая серия экспериментов была направлена на исследование чувствительности разработанной системы по потоку утечки и давлению ПГ (рис. 14).

Для определения эффективного диаметра пор стекловаты разработана методика, основанная на определении переходной области течения газа через пористый материал (рис. 15). В этом случае можно считать, что , где L — длина свободного пробега молекулы ПГ, м, — эквивалентный диаметр пор, м.

Рис. 15 — График зависимости давления перед пористым материалом
от расхода воздуха через калиброванную течь при разной толщине пористого материала:
+ — ; × — .
(На врезке показана область графика в увеличенном масштабе.)

В пятой главе приведено описание функционального устройства разработанного локализатора течей.

Устройство, реализующее вакуумно-камерный способ локализации течей с датчиком по теплопроводности, представляет собой вакуумную камеру 1 (рис. 16), которая устанавливается на предварительно подготовленную поверхность контролируемого изделия непосредственно над сварным швом. Форма вакуумной камеры 1 выбирается в зависимости от геометрии изделия, что позволяет контролировать сварные швы плоских, цилиндрических, сферических и т. п. крупногабаритных изделий химической, машино-, судостроительной и др. отраслей промышленности. Для герметизации соединения с контролируемым изделием на торце вакуумной камеры закреплён уплотнительный элемент 2 из эластичного вакуумноплотного материала.

Для вакуумирования внутренней полости 3 камеры служит патрубок 4, присоединяемый к вакуумирующей системе. Для оперативного соединения используется грибковое (компрессионное) соединение.

Вакуумирующая система состоит из вакуумного насоса 5, соединённого вакуумпроводом 15 через трёхходовой вентиль 12 с вакуумметром 6. Вентиль 12 позволяет производить как откачку вакуумной камеры 1, так и напуск в неё атмосферы. Так как локализатор течей в процессе неразрушающего контроля течеисканием должен непрерывно перемещаться по контролируемому изделию вдоль сварного шва, на вакуумную камеру 1 снаружи натянут тканевый материал 7 в виде замкнутой ленты. Материал ленты 7 выбирается таким образом, чтобы обеспечить хорошее скольжение по поверхности вакуумной камеры 1, хорошую сцепляемость с поверхностью контролируемого изделия, исключающую проскальзывание и гарантирующую равномерность движения ЛТ, а также из условия сведения к минимуму влияния её на распространение утечки ПГ вне границ области самой течи. Такие условия позволяют считать, что координаты течи определяются с небольшим отклонением. Движение ленты 7 поперёк вакуумной камеры 1 ограничивают направляющие выступы 13.

Рис. 16. Общий вид (а) и принципиальная схема (б) локализатора течей.
(На местном виде A уплотнительный элемент 9 условно не показан,
а датчик по теплопроводности 10 показан условно.)

Внутри камеры 1 расположены два аналогичных датчика по теплопроводности, расположенных на пористых элементах. Плёночные датчики 10, 11 с помощью упругих элементов 9, одновременно служащих также непроницаемой перегородкой для ПГ, прижимаются к пористому элементу 8, чтобы исключить влияние прослойки ПГ у поверхности ЧЭ.

Датчики 10 и 11 включены в измерительные плечи сбалансированной мостовой схемы постоянного тока 16. Полученный токовый сигнал поступает на усилитель 17 и аналогово-цифровой преобразователь 18, цифровой код с которого передаётся в блок программной обработки 19. Результаты программного анализа дефектоскопической информации отображается на устройстве визуализации 14. При использовании устройства в системах дистанционного неразрушающего контроля предусмотрен блок беспроводной передачи данных 20.

В пятой главе также дана методика предварительной подготовки объекта к неразрушающему контролю газовым методом течеискания, а также методика проведения контроля длинопротяжённого сварного шва с использованием разработанного локализатора течей.

Основные результаты работы

1. По результатам проведённого анализа существующих методов и средств локализации течей выявлен ряд недостатков, обусловленных высокой трудоёмкостью и низкой достоверностью результатов, связанной с субъективностью визуального контроля выявления пузырьков на поверхности контролируемого изделия.

2. Сделан обзор существующих теоретических и экспериментальных работ в области локализации течей, позволивший выбрать методологию разработки нового способа, основанного на увеличении давления в зоне регистрации за счёт уменьшения в ней эффективной быстроты откачки, которое обусловлено сопротивлением структуры пористого материала.

3. Разработан новый эффективный способ локализации течей газовым методом, позволяющий разработать устройство для регистрации утечки с пороговой чувствительностью порядка 10-5 м3⋅Па/с на основе резистивного датчика по теплопроводности.

4. Разработано математическое описание процесса распространения пробного газа в пористой среде и теплообмена его с датчиком по теплопроводности, позволяющее разработать методику инженерных расчётов конструктивных и режимных параметров устройства локализации течей.

5. Разработан программный алгоритм вторичной обработки, формализации и анализа параметров дефектоскопического сигнала, позволяющий повысить достоверность результатов локализации течей за счёт исключения человеческого фактора в принятии решения о наличии течи.

6. Разработана установка для получения калиброванных течей методом диффузионной сварки с заданной величиной потока более 10-8 м3⋅Па/с и погрешностью ±30 %.

7. Разработана установка для экспериментального исследования зависимости эффективного коэффициента диффузии от среднего давления в диапазоне
0—60 Па. Полученные результаты использовались для проверки адекватности математической модели и выбора режимных параметров контроля.

8. Разработана методика и установка для экспериментального определения эффективного диаметра пор, позволяющая определить диапазон абсолютных давлений, соответствующий области кнудсеновской диффузии.

9. Для локализации течей в объектах с односторонним доступом разработано новое мобильное устройство локализации течей, конструкция которого защищена патентом на полезную модель.

10. На установке получена зависимость чувствительности датчика от величины течи.

11. Экспериментально получены зависимости чувствительности устройства локализации течей от давления, создаваемого потоком течи, при разных характерных размерах датчика.

Основные положения диссертации
опубликованы в работах

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Сажин С. Г., Мясников В. М., Костиков Е. С. Получение течей методом диффузионной сварки // Дефектоскопия. — №9. — 2009. — с. 70—72. — ISSN 0130-3082. (доля аспиранта — 80 %).

2. Мясников В. М., Сажин С. Г., Костиков Е. С. К вопросу о научно-методо­логических основах локализации течей при накоплении утечки в пористом материале // Фундаментальные исследования. — 2012. — № 3. — c. 120—122. — ISSN 1812-7339. (доля аспиранта — 80 %).

3. Мясников В. М., Сажин С. Г., Костиков Е. С., Добротин С. А. Усреднение концентрации утечки пробного газа при локализации течей // Фундаментальные исследования. — 2011. — № 12 (часть 1). — c. 147—150. — ISSN 1812-7339. (доля аспиранта — 80 %).

4. Мясников В. М., Сажин С. Г., Костиков Е. С. Распределение утечки пробного газа в среде материала с открытопористой структурой // Дефектоскопия. — 2012. — №5. — с. 43—48. — ISSN 0130-3082. (доля аспиранта — 80 %).

5. Мясников В. М., Сажин С. Г., Костиков Е. С. Влияние характерных параметров зоны регистрации утечки на чувствительность локализации течи // Дефектоскопия. — 2012. — №6. — с. 64—69. — ISSN 0130-3082. (доля аспиранта — 80 %).

В трудах Международных и Всероссийских конференций,
зачитываемых ВАК при защите диссертаций
(Постановление Правительства РФ №475 от 20 июня 2011 г., п. 10)

6. Костиков Е. С., Сажин С. Г., Мясников В. М. Применение телемеханических систем течеискания в трубопроводах большого диаметра // Информационные системы и технологии ИСТ-2009: XV Междунар. науч.-техн. конф.: II Междунар. форум информ. технологий «Ярмарка антикризисных решений»: материалы конф. / Нижегородский гос. технический ун-т им. Р. Е. Алексеева. — Н. Новгород, 2009. — с. 169. — 330 с. — ISBN 978-5-93272-648-8. (доля аспиранта — 80 %).

7. Костиков Е. С., Сажин С. Г., Мясников В. М. Анализ и обзор вакуумных устройств для контроля герметичности трубопроводов и ёмкостей // Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности. VIII Международная конференция: Программа конференции. Тезисы докладов. Москва, 18—20 марта 2009 г. — М.: ИД «Спектр», 2009. — с. 138. — 160 с. — ISBN 978-5-904270-04-9. (доля аспиранта — 80 %).

8. Kostikov Е. S., Mjasnikov V. М., Sazhin S. G. Study and development of device for localization of leaks in vacuum systems // Доклады X Европейской конференции по неразрушающему контролю [Электронный ресурс]. — http://www.idspektr.ru/10_ECNDT/abstracts/1_06_10.pdf. (доля аспиранта — 80 %).

9. Костиков Е. С. Применение LabVIEW для выбора оптимальной измерительной схемы локализатора течей на основе течеискательного метода с накладной мембраной // Информационные системы и технологии ИСТ-2010: XVI Междунар. науч.-техн. конф.: III Междунар. форум информ. технологий «IT Forum 2020 / Информационное общество»: материалы конф. / Нижегородский гос. технический ун-т им. Р. Е. Алексеева. — Н. Новгород, 2010. — с. 182. — 410 с. — ISBN 978-5-93272-760-7.

10. Костиков Е. С., Мясников В. М., Сажин С. Г. Основы вакуумно-камер­ного способа течеискания с накладными мембранами // Будущее технической науки-2010: Тезисы докладов IX Международной молодежной научно-техни­ческой конференции. — Н. Новгород: НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2010. — с. 347—348. — 483 с. (доля аспиранта — 80 %).

11. Мясников В. М., Сажин С. Г., Костиков Е. С. К вопросам о достоверности и точности определения мест утечки // Физические основы диагностики материалов и изделий, и приборов для её реализации: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. — Тюмень: Изд. ТюмГНГУ, 2010. — с. 121—124. — 155 с. — ISBN 978-5-9961-0276-1. (доля аспиранта — 80 %).

12. Сажин С. Г., Мясников В. М., Костиков Е. С. Математическое моделирование локализации течи с накоплением утечки пробного газа в среде с пористой структурой // Физические основы диагностики материалов и изделий, и приборов для её реализации: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. — Тюмень: Изд. ТюмГНГУ, 2010. — с. 125—128. — 155 с. — ISBN 978-5-9961-0276-1. (доля аспиранта — 80 %).

13. Костиков Е. С. Выбор размеров датчика утечки для вакуумно-камер­ного способа течеискания с помощью LabVIEW // Информационные системы и технологии ИСТ-2011: материалы XVII Международной научно-технической конференции [Электронное издание]. — Н. Новгород: НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2011. — с. 149. — ISBN 978-5-9902087-2-8.

14. Мясников В. М., Сажин С. Г., Костиков Е. С. Контроль герметичности сварных швов в крупногабаритных объектах // Тезисы докладов XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике. — М.: Издательский дом «Спектр», 2011. — 496 с. — ISBN 978-5-904270-80-3. (доля аспиранта — 80 %).

15. Мясников В. М., Сажин С. Г., Костиков Е. С. Обработка дефектоскопического сигнала при локализации утечки способом пассивного сканирования // Тезисы докладов XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике. — М.: Издательский дом «Спектр», 2011. — 496 с. — ISBN 978-5-904270-80-3. (доля аспиранта — 80 %).

16. Костиков Е. С. Применение среды LabVIEW для обработки и формализации дефектоскопической информации при вакуумно-камерном способе течеискания // V Международный форум информационных технологий «IT Forum 2020 / Информатизация нашей жизни». XVIII Международная научно-техни­ческая конференция «Информационные системы и технологии» ИСТ-2012. Материалы конференции. — Н. Новгород, 2012. — с. 208. — 380 с. — ISBN 978-5-9902087-3-5. (доля аспиранта — 80 %).

В других изданиях

17. Костиков Е. С., Сажин С. Г., Мясников В. М. Анализ и обзор вакуумных устройств для контроля герметичности трубопроводов и ёмкостей // Современные наукоёмкие технологии. — №4. — 2009. — с. 67. — ISSN 1812-7320. (доля аспиранта — 80 %).

18. Костиков Е. С., Пестреев А. И., Ковалев М. А., Мясников В. М. Высокоэффективные методы и средства для определения мест течей // Конкурс молодых ученых и специалистов на лучшую научно-техническую разработку ООО «ЛУКОЙЛ — Нижегороднефтеоргсинтез». — Н. Новгород, 2011. — 19 с. (доля аспиранта — 50 %).

Авторские свидетельства, патенты,
положительные решения РФ на изобретения

19. Патент 101187 RU, МПК7 G01 M3/02. Устройство для локализации течей / Костиков Е. С., Мясников В. М., Сажин С. Г. — Опубл. 10.01.2011. Бюл. № 1, 2011. (доля аспиранта — 80 %).







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.