СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЕМКОСТЕЙ Российский патент 2025 года по МПК G01M3/00 

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для контроля герметичности оборудования газовыми методами. Кроме того, изобретение может найти применение при контроле герметичности сосудов большого объема.

Известны манометрические способы контроля герметичности, которые для определения суммарной негерметичности оборудования используют измерения давления и температуры пробного газа.

При постоянной температуре (Т=const) и заданном испытательном давлении манометрический метод основан на измерении падения давления, вызванного утечками газа, за определенное время. При этом критерием герметичности является неизменное давление (Р=const).

Если температура не постоянна (Т ≠ const), ее влияние на изменение давления учитывается согласно объединенному газовому закону, который применим к идеальному газу в условиях термодинамического равновесия. При этом критерием герметичности является неизменное отношение давления к температуре (Р/Т=const).

При высоком давлении применение в расчетах объединенного газового закона приводит к ошибке, вызванной ростом межмолекулярного взаимодействия (реальный газ).

Проведение контроля герметичности оборудования манометрическим методом приведено в ГОСТ Р 50.05.01-2018 «Унифицированные методики. Контроль герметичности газовыми и жидкостными методами». Объект контроля заполняют воздухом или другим пробным газом под испытательным давлением и выдерживают в течение установленного времени. В процессе контроля герметичности проводят измерения давления и температуры пробного газа. Суммарную негерметичность вычисляют по формуле раздела 7.5 ГОСТ Р 50.05.01-2018.

Недостатком данного способа является то, что формула основана на уравнении состояния идеального газа и не учитывает свойства реального газа. Вследствие этого на практике может возникнуть ошибка контроля герметичности.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, присуща известному способу контроля герметичности емкостей, принятому за прототип, (патент RU 2298774 С1, МПК G01M 3/00 (2006.01), опубл. 10.05.2007 в Бюл. №13). Способ включает измерение давления и температуры пробного газа в емкости в начальный момент времени и непрерывное измерение давления и температуры газа в течение заданного интервала времени, где о герметичности в любой момент времени t судят по значению критерия герметичности:

где Р₀ - значение давления в начальный момент времени измерения, кгс/см²;

Т₀ - значение температуры в начальный момент времени измерения, К;

P_i(t) - значение давления в текущий момент времени, кгс/см²;

T_i(t) - значение температуры в текущий момент времени, К.

Герметичной признают емкость в случае, если значение критерия ψ_i(t) в течение заданного интервала времени лежит в пределах:

1-Δψ≤ψ_i(t)≤1+Δψ,

где Δψ - погрешность критерия герметичности ψ_i(t), определяется суммарной погрешностью измерения давления и температуры, отн. ед.

Недостатком данного способа является то, что формула основана на уравнении состояния идеального газа и не учитывает свойства реального газа. Вследствие этого на практике может возникнуть ошибка контроля герметичности.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение данного несоответствия: определение критерия герметичности для реального газа и условий, при которых данный критерий должен применяться.

Техническим результатом является повышение точности и достоверности контроля герметичности оборудования.

Технический результат настоящего изобретения достигается тем, что в критерий герметичности вносится поправка на неидеальность газа, которая рассчитывается по имеющимся экспериментальным (эмпирическим) данным.

В заявляемом способе контроля герметичности емкостей, включающем измерение давления и температуры пробного газа в емкости в начальный момент времени и непрерывное измерение давления и температуры газа в течение заданного интервала времени, где о герметичности в любой момент времени t судят по значению критерия герметичности, новым является то, что в формулу критерия герметичности вводят поправку на неидеальность газа и значение критерия герметичности определяют как:

где Р₀ - значение давления в начальный момент времени измерения, Па;

Т₀ - значение температуры в начальный момент времени измерения, К;

P_i(t) - значение давления в текущий момент времени, Па;

T_i(t) - значение температуры в текущий момент времени, К;

k - коэффициент, учитывающий неидеальность газа, который рассчитывают по вириальному уравнению состояния газа в начальный момент времени измерения, 1/К.

Емкость признают герметичной, если значение критерия герметичности ψ_i(t) в течение заданного интервала времени не выходит за пределы Δψ:

|ψ_i(t)|≤Δψ,

где Δψ - погрешность измерения критерия герметичности, которая равна суммарной погрешности измерения давления и температуры, отн. ед.

Способ можно применить для повышения точности и достоверности контроля герметичности оборудования в случаях, когда применяются способы, основанные на уравнении состояния для идеального газа. Способ необходимо применить для исключения ошибки контроля герметичности при условии когда:

P_исп ⋅ ΔT/Δψ≥50,

Где P_исп ^- избыточное давление при котором проводятся испытания, МПа;

ΔТ - изменение температуры пробного газа за период испытаний, К;

Δψ - погрешность измерения критерия герметичности, %.

Например: при Р_исп=6 МПа, ΔТ=1 К, Δψ=0,1%, получаем 60. Следовательно, необходимо применить заявляемый способ.

Для расчета поправки на неидеальность газа использовано уравнение состояния реального газа в виде вириального уравнения состояния

где V_m - объем одного моля газа, см³/моль; R - газовая постоянная; В, см³/моль; С, см⁶/моль² - второй, третий и т.д. вириальные коэффициенты, которые зависят от температуры и не зависят от давления и плотности газа.

При малой плотности (V_m→∞) уравнение вырождается в уравнение состояния идеального газа Р ⋅ V_m=R ⋅ Т; второе, третье слагаемые и т.д. описывают поправку на неидеальность газа, обусловленную соответственно двойными, тройными взаимодействиями и т.д. его частиц. Значения второго и третьего вириальных коэффициентов являются справочными данными (См. Физические величины. Справочник. Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлиховой. Москва, ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1991).

Выполнены расчеты для азота N₂ и осушенного воздуха, учитывая его состав: 78% N₂, 21% О₂, 1% А₂, 0,04% СО₂. Из-за отсутствия справочных значения вириальных коэффициентов в диапазоне испытаний на герметичность (от 0°С до 30°С), их значения получены по аппроксимирующим полиномам. Выполнен расчет молярного объема газа при испытательном давлении. Выполнен расчет поправки на неидеальность газа при различных значениях давления и температуры. Получены аналитические и табличные значения коэффициента к, учитывающего величину неидеальность газа для различных значений давления и температуры, характерных для контроля герметичности манометрическим способом. Для реального газа определен критерий герметичности с поправкой на неидеальность газа.

На Фиг. 1 показан график изменения температуры пробного газа при контроле герметичности сосуда большого объема.

На Фиг. 2 показаны рассчитанные значения критерия герметичности по прототипу и заявляемому способу.

Осуществление изобретения

Система контроля герметичности, устанавливаемая в непосредственной близости от контролируемого сосуда, включает канал измерения давления на основе датчика давления Метран-150ТА с погрешностью 0,075% и каналы измерения температуры на основе датчиков температуры КТСПР-001 с погрешностью 0,04°С.

Датчик давления устанавливают снаружи сосуда на патрубке. Датчики температуры устанавливают внутри сосуда в разных местах его объема для обеспечения измерения средней температуры и неравномерности теплового поля пробного газа. После задания испытательного давления ожидают установление термодинамического равновесия (≈ 4 часа), которое контролируют измерением температуры. Определяются начальные значения Р₀, Т₀ и значение коэффициента k. В течение периода контроля (определяется требованиями к степени герметичности, и может составлять десятки часов) с помощью прикладного программного обеспечения производят непрерывные измерения давления и температуры, автоматический расчет значения критерия герметичности ψ_i(t) и его сравнение с погрешностью измерения Δψ. Измерительные и расчетные данные представляют на экране системы контроля герметичности и документируют. Сосуд считается герметичным, если значение критерия герметичности в течение времени испытания не выходит за пределы погрешности измерения.

Пример использования заявляемого способа

Испытания на прочность и герметичность сосуда объемом 8 м³ проведены в неотапливаемом помещении опрессовкой избыточным давлением величиной 5 МПа.

В качестве пробного газа применен осушенный воздух. Контроль герметичности сосуда, с непрерывным измерением давления и температуры пробного газа, выполнен в течение 100 часов. Изменение температуры пробного газа за время испытания составило 3°С (См. фиг. 1). На фиг. 2 приведены значения критерия герметичности ψ_i(t) для идеального газа, рассчитанные по прототипу, и ψ_i(t) для реального газа, рассчитанные по заявляемому способу. Погрешность критерия герметичности Δψ при испытаниях составляет ±0,001 (±0,1%). Допуск на изменение критерия герметичности, определен линиями Δψ и -Δψ. ψ_i(t) для реального газа находится в пределах зоны допуска, что свидетельствует о суммарной герметичности сосуда. ψ_i(t) для идеального газа выходит за пределы зоны допуска, что приводит к ошибочному заключению о негерметичности сосуда.

Изобретение относится к области испытательной техники для контроля герметичности оборудования газовыми методами, где в качестве пробного газа используется азот или осушенный воздух. Изобретение может быть использовано при контроле герметичности оборудования химической, газовой и атомной промышленности. Способ контроля герметичности емкостей включает измерение давления и температуры пробного газа в емкости в начальный момент времени и непрерывное измерение давления и температуры газа в течение заданного интервала времени, где о герметичности в любой момент времени t судят по значению критерия герметичности для реального газа, который рассчитывается по формуле: где Р₀ - значение давления в начальный момент времени измерения, Па; Т₀ - значение температуры в начальный момент времени измерения, К; P_i(t) - значение давления в текущий момент времени, Па; T_i(t) - значение температуры в текущий момент времени, К; k - коэффициент, учитывающий неидеальность газа, который рассчитывают по вириальному уравнению состояния газа в начальный момент времени измерения, 1/К. Емкость признают герметичной, если значение критерия герметичности T_i(t) в течение заданного интервала времени не выходит за пределы Δψ: |ψ_i(t)|≤Δψ, где Δψ - погрешность измерения критерия герметичности, которая равна суммарной погрешности измерения давления и температуры, отн. ед. Технический результат - повышение точности и достоверности контроля герметичности оборудования, включая сосуды большого объема. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля герметичности емкостей, включающий измерение давления и температуры пробного газа в емкости в начальный момент времени и непрерывное измерение давления и температуры газа в течение заданного интервала времени, где о герметичности в любой момент времени t судят по значению критерия герметичности, отличающийся тем, что в формулу критерия герметичности вводят поправку на неидеальность газа и значение критерия герметичности определяют как:

где Р₀ - значение давления в начальный момент времени измерения, Па;

Т₀ - значение температуры в начальный момент времени измерения, К;

P_i(t) - значение давления в текущий момент времени, Па;

T_i(t) - значение температуры в текущий момент времени, К;

k - коэффициент, учитывающий неидеальность газа, который рассчитывают по вириальному уравнению состояния газа в начальный момент времени измерения, 1/К, при этом емкость признают герметичной, если значение критерия герметичности T_i(t) в течение заданного интервала времени не выходит за пределы Δψ:

|ψ_i(t)|≤Δψ,

где Δψ - погрешность измерения критерия герметичности, которая равна суммарной погрешности измерения давления и температуры, отн. ед.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пробного газа используют азот.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пробного газа используют воздух.