СПОСОБ ДЕФЕКТОСКОПИИ КРИОГЕННОГО СОСУДА Российский патент 1998 года по МПК G01M3/28 

Изобретение относится к области технической диагностики, в частности к дефектоскопии крупных толстостенных криогенных резервуаров.

Широко известны способы определения координат развивающегося дефекта на основе разностно-временного метода. Метод заключается в измерении разностей времен распространения импульсного сигнала от развивающегося дефекта до приемных пьезопреобразователей. После предварительного определения скорости распространения упругой волны решается система уравнений, из которой определяются координаты дефекта на поверхности изделия.

Недостатком способов является определение дефектов лишь на стадии появления трещины и страгивания трещины. Это довольно поздняя экспертиза технического состояния криогенного резервуара и ее негативная сторона в том, что существенно снижены возможности прогнозирования развития дефектов и разрушения резервуара. Дефектоскопист дает заключение о наличии дефекта, уже на стадии серьезной степени поражения стенки сосуда трещинами.

Известен способ измерения амплитуд импульсного сигнала акустической эмиссии в точках расположения приемных пьзопреобразователей, в котором после измерения амплитуд импульсного сигнала акустической эмиссии решается система уравнений, учитывающая степень затухания амплитуды сигнала при распространении от дефекта до точек приема.

Недостаток заключается также в том, что дефектоскопист не имеет возможности провести оценку технического состояния на ранней стадии развития дефекта, то есть еще на этапе зарождения пор или микротрещин и дать прогноз безопасного срока службы сосуда.

Известен способ акустико-эмиссионного контроля изделий. Этот способ обеспечивает возможность селекции импульсных составляющих из непрерывного акустико-эмиссионного сигнала в форме набора параметров, однозначно характеризующих каждый составляющий акустико-эмиссионный импульс: момент изменения фазы при приеме m-го упругого акустико- эмиссионного импульса каждым (n-m) каналом многоканальной системы, что позволяет определить координаты источников составляющих акустико-эмиссионных импульсов, длительность, максимальную амплитуду акустико-эмиссионного импульса с номером m. При этом достигается существенное повышение достоверности контроля непрерывной акустической эмиссии путем измерения параметров и координат источников спадающих резонансных колебаний пьзопреобразователей, образующих сигнал непрерывной АЭ, селектированных моментами поступления упругих акустико-эмиссионных импульсов на возбужденные ранее поступившими акустико-эмиссионными импульсами.

Недостаток способа заключается в том, что способ не позволяет проводить оценку технического состояния стенки криогенных сосудов на ранних стадиях зарождения дефектов.

Известен способ магнитной дефектоскопии, основанный на исследовании искажения магнитного поля, возникающего в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов. Индикатором может служить магнитный порошок (магнитопорошковый метод), магнитная лента (магнитографический метод), феррозонд, индукционная катушка, датчик Холла, магниторезонатор и др. Чувствительность метода магнитной дефектоскопии зависит от магнитных характеристик материалов, применяемых индикаторов, преобразователей, режимов намагничивания и др. Методом магнитной дефектоскопии можно обнаруживать лишь макродефекты - трещины, раковины, непровары, расслоения на глубине до 10 мм с минимальным размером более 0,1 мм. Кроме того, недостатками также является необходимость слива криопродукта из резервуара, разгерметизация полости с нарушением целостности внутреннего сосуда и кожуха при дефектоскопии.

Известен способ дефектоскопии проникающими веществами, основанный на проникновении веществ в полости дефектов объекта контроля. Наиболее распространенной разновидностью способа является дефектоскопия течеискателем, основанная на проникновении газообразных и жидких веществ через сквозные дефекты с целью установления степени герметичности изделий, которая определяется потоком газа, расходом или наличием истечения жидкости, падением давления за единицу времени, размером пятна и др. Различают газовые, газожидкостные методы контроля герметичности. Дефектоскопию течеискателем широко применяют для контроля герметичности сосудов высокого давления, сварных швов, многослойных изделий и др. Минимальный размер выявляемого сквозного дефекта порядка 0,001 мкм и более. К недостаткам способа следует отнести невозможность определения дефекта на ранней стадии его развития: поры, микротрещины и, как следствие, невозможность прогнозирования работоспособности при термоциклировании криогенного сосуда на стадии зарождения микродефектов.

Широко известны методы и средства интроскопии (внутривидения), основанные на визуализации электромагнитных и акустических полей при взаимодействии их (прохождении, отражении, рассеяния и т.п.) с материалом и конструкцией объекта диагностирования. Наиболее часто используется визуализация рентгеновского изображения. Принципиальная схема рентгеновизуальной диагностической установки основана на прохождении рентгеновского излучения через диагностируемый объект и преобразовании излучения на входном экране в световой, электронный или потенциальный рельеф, соответствующий рентгеновскому изображению объекта. Самым простым методом рентгеновской интроскопии является флюороскопия, при которой прошедшее через изделие излучение регистрируется на флюороскопический экран. Чувствительность флюороскопии определяется энергией и интенсивностью излучения, эффективностью его регистрации рентгеновским экраном, толщиной и плотностью контролируемого объекта и спектральным составом свечения экрана.

Рентгеновидиконные телевизионные установки применяются, когда размер контролируемого поля не превышает по диаметру 20 мм. Недостатками разновидностей этого способа при использовании для дефектоскопии стенок криогенного резервуара являются невозможность определения зарождения микродефектов на ранних стадиях их развития, а также невозможность осуществления прогноза развития старения термоциклирующего криогенного резервуара на ранних стадиях зарождения дефектов.

Известен метод рентгеновской вычислительной топографии, являющийся одним из направлений в рентгенодиагностической технике. Оно основано на принципе получения изображений, заключающемся в послойном поперечном сканировании объекта коллимированным рентгеновским пучком; измерении излучения за объектом детекторами с линейной характеристикой; синтезе полутонового изображения по совокупности измерительных данных, относящихся к просканированному слою, и в построении этого изображения с помощью ЭВМ на экране электронно-лучевого индикатора (дисплея). Основным отличием является то, что топографическое изображение не связано непосредственно с принятым излучением, а является результатом точных измерений и вычислений, использующих данные, относящиеся только к выбранному слою. Объем информации по плотности, содержащейся в томограмме, при прочих равных условиях примерно в 100 раз больше, чем в обычной рентгенограмме. Томографы позволяют решать одновременно задачи дефектологии, структуроскопии и измерения размеров изделий сложного профиля. Недостатками томографического метода являются невозможность оценки развития дефектов в термоциклирующем криогенном сосуде без нарушения целостности стенок кожуха и разгерметизации вакуумной полости, а также невозможность прогнозирования срока безопасной эксплуатации термоциклирующего резервуара.

Известны методы хроматографии, которые применяют для оценки состояния трансформаторов и другого оборудования по содержанию газов, растворенных в масле. Для сбора газов применяют разные устройства, среди которых классическим является газовое реле Бухгольца. Процесс анализа заключается в извлечении газа из масла посредством какого-либо вакуумного устройства, встроенного в хроматограф (для разделения и идентификации газов) и оценке количественных данных. Наиболее известен метод Роджерса, то есть диагностика повреждений по отношениям количества характерных газов. Критерием может служить также общее количество горючих газов. Метод применяют для анализа примесей водорода в турбогенераторах, определении состава и количества газов, выделяющихся при возникновении дефектов, при разработке аппаратуры непрерывного контроля газов, растворенных в масле. Различные изоляционные материалы, покровные и отделочные лаки, применяемые в турбогенераторах, при перегревах выделяют продукты термического разложения (газы, жидкие и твердые частицы), что может служить признаком зарождающихся местных дефектов (перегревов), которые нельзя обнаружить датчиками термоконтроля. Термическое разложение (в воздухе и водороде) пленок изоляции сегментов сердечника статора дает большое число частиц размерами порядка 0,00015 - 0,1 мкм. Такие же частицы сопровождают термодеструкцию других материалов, таких, как эпоксидные покрытия и различные полимеры. На этой основе возможно обнаружение местных перегревов в турбогенераторах на поверхности площадью, равной площади полоски одного зубца сердечника статора. В качестве устройства, чувствительного к появлению примесей в газе, охлаждающем генератор, в способе используется ионизационная камера, так как ее ток является функцией химического и физического составов, заполняющей ее газовой среды. Хроматографический анализ исследуемых газов позволяет установить, в каком из узлов машины возник перегрев.

Однако может использоваться лишь для исследования работоспособности агрегатов путем изучения состава газов, растворенных в масле, кроме того, при реализации способа используется сложная аппаратура, состоящая из хроматографа, аппаратуры для отбора и подготовки пробы. Он дает оценку состояния элементов на основе анализа продуктов термического разложения органических веществ, что может служить признаком зарождающихся местных дефектов (перегревов), - не оценивает структурные контроля изменения металлов и не предусматривает производство контроля работоспособности толстых металлических термоциклирующих оболочек.

Наиболее близким аналогом является "Способ испытания двухслойных трубопроводов на герметичность", в котором концы трубопровода вместе с теплоизоляционной полостью герметизируют. Далее, подключают один из концов центральной части трубопровода к источнику сжатого газа. Теплоизоляционную полость через патрубок подсоединяют к системе откачки и вакуумируют высоковакуумным агрегатом и механическим насосом, имеющими эффективную быстроту действия S_Н. В трубопровод от источника сжатого газа подают газ под давлением меньшим рабочего давления . После достижения равновесного состояния в теплоизоляционной полости датчиками давления измеряют давление на границе контролируемого участка (P_1,L) на расстоянии L от патрубка и в патрубке (P_1,0)- Затем подают в трубопровод газ под рабочим давлением . После установления равновесного состояния в теплоизоляционной полости повторно замеряют давление в ней на контролируемом участке. Далее, по специальным формулам производят расчет негерметичности, определяют зону негерметичности при молекулярном режиме течения газа и при вязкостном режиме течения газа. Применение способа позволяет достаточно точно определить место негерметичности без применения дополнительного оборудования. К недостаткам способа следует отнести: невозможность определения зарождения микродефектов на ранних стадиях их развития, когда еще нет негерметичности стенок; невозможность осуществления прогноза развития старения термоциклирующего криогенного сосуда на ранних стадиях зарождения дефектов; способ в основном направлен на определение дефектов внутренних стенок, а не кожуха.

Цель изобретения состоит в определении степени процесса порообразования и безопасного срока службы термоциклирующего крупнообъемного криогенного сосуда.

Поставленная цель достигается тем, что в способе дефектоскопии криогенного сосуда, заключающемся в вакуумировании теплоизоляционной полости и определении количества газа согласно изобретению, криогенный сосуд опорожняют, отогревают, затем всякий раз нагревают до некоторой постоянной температуры t_cm, термостатируют, при этом вакуумируют теплоизоляционную полость до давления P₀, и ведут контроль давления с использованием азотной ловушки, установленной перед манометрическим датчиком, после стабилизации давления прекращают откачку и сообщают теплоизоляционную полость с объемом, в котором размещен термостатируемый нераспыляемый химический поглотитель водорода, наблюдают и фиксируют процессы понижения давления в теплоизоляционной полости до значения P₁ стабилизации давления в районе значения P₁ и повышения давления до значения P₂, определяют скорость приращения давления (P₂ - P₁)/ Δτ′ , где Δτ′ - время повышения давления от P₁ до P₂, затем отсекают объем с химическим поглотителем от теплоизоляционной полости, наблюдают дальнейший процесс повышения давления до значения P₀, определяют скорость приращения давления: (P₀ - P₂)/ Δτ″ , где Δτ″ - время повышения давления от P₂ до P₀, определяют количество газа , зависящее от времени циклов эксплуатации и числа циклов термоциклирующего сосуда, где V_тип - объем теплоизоляционной полости, определяют пористость поверхности, обращенной в теплоизоляционную полость , где k и a - постоянные коэффициенты, определяемые из соответствующих экспоненциальных кривых по газовыделению конструкционных материалов, - коэффициент, учитывающий температуру водорода T_r = t_cm + 273, где t_cm - постоянная температура нагрева криогенного сосуда, растворенного в металле и его молекулярную массу -M, - коэффициент, учитывающий диаметр пор , коэффициент извилистости пор -k_изв длину пор давление водорода в микропустотах металла, определяемое из уравнения , где C - содержание водорода в металле после достижения величины пористости, равной предельно допустимой, при числе циклов N₀ определяют оставшееся допускаемое число циклов по формуле где n_N - коэффициент запаса прочности по числу циклов.

Сущность изобретения заключается в определении степени пористости зарождающихся микротрещин по оценке прироста потока газовыделения водорода в вакуумную полость из толщи металла рабочей конструкции, вследствие освобождения водорода, накапливающегося в кристаллической решетке в зоне допускаемого дефекта в микропустотах.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что способ дефектоскопии криогенного сосуда отличается тем, что криогенный сосуд опорожняют, отогревают, затем всякий раз нагревают до некоторой постоянной температуры t_cm, термостатируют, при этом вакуумируют теплоизоляционную полость до давления P₀ и ведут контроль давления с использованием азотной ловушки, установленной перед манометрическим датчиком, после стабилизации давления прекращают откачку и сообщают теплоизоляционную полость с объемом, в котором размещен термостатируемый нераспыляемый химический поглотитель водорода, наблюдают и фиксируют процессы понижения давления в теплоизоляционной полости до значения P₁ стабилизации давления в районе значения P₁ и повышения давления до значения P₂, определяют скорость приращения давления: (P₂ - P₁)/ Δτ′ , где Δτ′ - время повышения давления от P₁ до P₂, затем отсекают объем с химическим поглотителем от теплоизоляционной полости, наблюдают дальнейший процесс повышения давления до значения P₀, определяют скорость приращения давления: (P₀ - P₂)/ Δτ″ , где Δτ″ - время повышения давления от P₂ до P₀, определяют количество газа , зависящее от времени циклов эксплуатации и числа циклов термоциклирующего сосуда, где V_тип - объем теплоизоляционной полости, определяют пористость поверхности, обращенной в теплоизоляционную полость: , где k и a - постоянные, коэффициенты, определяемые из соответствующих экспоненциальных кривых по газовыделению конструкционных материалов, - коэффициент, учитывающий температуру водорода T_r = t_cm + 273, где t_cm - постоянная температура нагрева криогенного сосуда, растворенного в металле и его молекулярную массу -M, - коэффициент, учитывающий диаметр пор , коэффициент извилистости пор -k_изв, длину пор - давление водорода в микропустотах металла, определяемое из уравнения: где C - содержание водорода в металле после достижения величины пористости, равной предельно допустимой. При числе циклов N₀ определяют оставшееся допускаемое число циклов по формуле: , где n_N - коэффициент запаса прочности по числу циклов.

Способ позволяет обеспечить определение степени процесса порообразования и безопасного срока службы сосуда, а также определение площади поверхности с повышенной пористостью.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию "Новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие изобретение от прототипа, не были выявлены. Поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию "Существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5.

Пример. В процессе эксплуатации криогенного резервуара после опорожнения криогенной жидкости из криогенного сосуда и его отгрева криогенный сосуд 1 (фиг. 1) всякий раз нагревают до некоторой постоянной температуры t_cm в течение постоянного интервала времени. В это же время теплоизоляционную полость с отсеченными криоадсорбционными насосами 2 посредством закрытия затворов 3 вакуумируют до давления P₀ в течение некоторого постоянного времени с помощью вспомогательных средств откачки. Контроль давления в теплоизоляционной полости ведут с использованием азотной ловушки 4, установленной перед измерительным прибором 5.

После получения давления P₀ (фиг. 2) и стабилизации давления в районе P₀ прекращают откачку и сообщают теплоизоляционную полость с объемом 6, в котором размещен термостатируемый нераспыляемый химический поглотитель водорода 7, наблюдают и фиксируют процесс понижения давления в теплоизоляционной полости до значения P₁, обусловленный откачкой водорода, выделяющегося из металла стенок сосудов 1 и 8. Далее наблюдают и фиксируют процесс стабилизации давления в теплоизоляционной полости 9 в районе значения P₁ обусловленный тем, что остаточный водород почти откачан, скорость газопоглощения остаточного водорода и выделяющегося водорода становится равной скорости натекания в теплоизоляционную полость 9 других газов.

Далее фиксируют процесс повышения давления до значения P₂, обусловленный натеканием газов в теплоизоляционную полость 8 в основном за счет негерметичности, не откачиваемых химическим поглотителем водорода (химический поглотитель откачивает только водород). По формуле (P₂-P₁)/Δτ′ определяют скорость приращения давления в теплоизоляционной полости при подключенном химическом поглотителе 7. Затем отсекают объем 6 с химическим поглотителем 7 от теплоизоляционной полости 9 и наблюдают дальнейший процесс повышения давления до значения P₀, обусловленный совместным протеканием двух процессов: натекания и газовыделения (в составе газовыделения преимущественно содержится водород - до 99%). После чего определяют скорость приращения давления (P₀-P₂)/Δτ″ , которая будет выше, чем (P₂-P₁)/Δτ′ в связи с тем, что к скорости повышения давления добавляются скорость приращения давления за счет газовыделения водорода, то есть (см. фиг. 2)
Скорость приращения давления в теплоизоляционной полости за счет газовыделения водорода определяют по формуле: .

Эту величину определяют всякий раз после опорожнения и отогрева криогенного резервуара и строят зависимость (фиг. 3) скорости натекания водорода в теплоизоляционную полость 9 от числа циклов термостатирования (заправка-опорожнение) резервуара.

Для каждой точки графика (фиг. 3) определяют степень пористости поверхности, обращенной в теплоизоляционную полость: , где k и α - постоянные коэффициенты, определяемые из соответствующих экспоненциальных кривых по газовыделению конструкционных материалов, - коэффициент, учитывающий температуру водорода T_r = t_cm + 273, где t_cm - постоянная температура нагрева криогенного сосуда, растворенного в металле и его молекулярную массу M, - коэффициент, учитывающий диаметр пор , коэффициент извилистости пор k_изв, дину пор - давление водорода в микропустотах металла, определяется из уравнения , где C - содержание водорода в металле.

На фиг. 4 показана расчетная зависимость 1 суммарного натекания водорода в теплоизоляционную полость 9 от времени эксплуатации резервуара и зависимость 2, обусловленная эволюцией дефектов в стенке термоциклирующего резервуара.

После достижения величины пористости, равной предельно допустимой, при числе циклов N₀, определяют допускаемое оставшееся число циклов эксплуатации по формуле где n_N - коэффициент запаса прочности по числу циклов (принимают n_N = 10...20).

Таким образом, зная время эксплуатации резервуара и значение N₀ - количество циклов, соответствующее максимальной пористости, можно сформировать программу эксплуатации резервуара, предполагающую оптимальный выбор интенсивности термонагружений криогенного сосуда (фиг. 5), имеющего свойственные ему физико-химические характеристики, для удовлетворения заданного срока эксплуатации.

Техническое решение позволяет определить степень процесса порообразования и срок безопасной службы криогенного сосуда.

Изобретение может быть использовано при дефектоскопии крупных толстостенных криогенных резервуаров. После опорожнения криогенной жидкости из криогенного сосуда и его отогрева криогенный сосуд всякий раз нагревают до некоторой постоянной температуры, термостатируют его, одновременно вакуумируют теплоизоляционную полость до некоторого давления P₀, при этом ведут контроль давления с использованием азотной ловушки, установленной перед манометрическим датчиком. После стабилизации давления прекращают откачку и сообщают теплоизоляционную полость с объемом, в котором размещен термостатируемый нераспыляемый химический поглотитель водорода, наблюдают и фиксируют процессы понижения давления в теплоизоляционной полости до значения P₁, стабилизации давления до значения P₁, определяют скорость приращения давления, затем отсекают объем с химическим поглотителем от теплоизоляционной полости, наблюдают дальнейший процесс повышения давления до значения P₀, определяют скорость приращения давления, получают зависимость суммарного газовыделения водорода от времени эксплуатации и числа циклов термоциклирующего сосуда, по ней определяют пористость поверхности, обращенной в теплоизоляционную полость. После достижения величины пористости, равной предельно допустимой, при числе циклов N₀ определяют оставшееся допускаемое число циклов по формуле где n_N - коэффициент запаса прочности по числу циклов. 5 ил.

Способ дефектоскопии криогенного сосуда, заключающийся в вакуумировании теплоизоляционной полости и определении количества газа, отличающийся тем, что криогенный сосуд опорожняют, отогревают, затем всякий раз нагревают до некоторой постоянной температуры t_с т, термостатируют, при этом вакуумируют теплоизоляционную полость до давления P₀ и ведут контроль давления с использование азотной ловушки, установленной перед манометрическим датчиком, после стабилизации давления прекращают откачку и сообщают теплоизоляционную полость с объемом, в котором размещен термостатируемый нераспыляемый химический поглотитель водорода, наблюдают и фиксируют процессы понижения давления в теплоизоляционной полости до значения P₁, стабилизации давления в районе значения P₁ и повышения давления до значения P₂, определяют скорость приращения давления
(P₂-P₁)Δτ′,
где Δτ′ - время повышения давления от P₁ до P₂,
затем отсекают объем с химическим поглотителем от теплоизоляционной полости, наблюдают дальнейший процесс повышения давления до значения P₀, определяют скорость приращения давления (P₀-P₂)/Δτ″, где Δτ″ - время повышения давления от P₂ до P₀, определяют количество газа

зависящее от времени циклов эксплуатации и числа циклов термоциркулирующего сосуда,
где V_т и п - объем теплоизоляционной полости, определяют пористость поверхности, обращенной в теплоизоляционную полость

где k и α - постоянные коэффициенты, определяемые из соответствующих экспоненциальных кривых по газовыделению конструкционных материалов;
- коэффициент, учитывающий температуру водорода T_г = t_с т + 273,
где t_с т - постоянная температура нагрева криогенного сосуда, растворенного в металле и его мол.м. М;
- коэффициент, учитывающий диаметр пор - коэффициент извилистости пор К_и з в, длину пор б_э;
- давление водорода в микропустотах металла, определяемое из уравнения

где С - содержание водорода в металле после достижения величины пористости, равной предельно допустимой,
при числе циклов N₀ определяют оставшееся допускаемое число циклов по формуле
N_д о п = N₀/n_N,
где n_N - коэффициент запаса прочности по числу циклов.