Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт неразрушающего контроля

Специальность - Приборы и методы контроля качества и диагностики

Кафедра - Физические методы и приборы контроля качества

РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ:

«КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ВАКУУМНО-ПУЗЫРЬКОВЫМ МЕТОДОМ»

Выпускная квалификационная работа на соискание квалификации “бакалавр”

ФЮРА.200100.1б71.178.ПЗ

Студент Д.С. Кравченко

Руководитель Н.П. Калиниченко

Томск - 2011

Содержание

• Введение
• 1. Методы контроля герметичности
• 1.1 Масс-спектрометрический метод
• 1.2 Галогенный метод
• 1.3 Электронозахватный и плазменный методы
• 1.4 Катарометрический метод
• 1.5 Акустический метод
• 1.6 Фотоионизационный метод
• 1.7 Манометрический и вакуумметрический метод
• 1.8 Химический газовый метод
• 1.9 Люминесцентный метод
• 2. Пузырьковый метод
• 2.1 Сущность метода
• 2.2 Способ опрессовки с погружением в жидкость(способ аквариума)
• 2.3 Способ бароаквариума
• 2.4 Способ опрессовки с пенопленочным индикатором
• 2.5 Способ опрессовки с дисперсной массой
• 2.6 Вакуумно-пузырьковый способ
• 3. Макет контроля герметичности вакуумно-пузырьковым способом
• 3.1 Описание
• 3.2 Вакуумные рамки
• 3.3 Состав и способ приготовления пенного индикатора
• 3.4 Приборы и средства контроля
• Заключение
• Список использованных источников

Приложение А

Введение

При неразрушающем контроле в различных отраслях промышленности и строительства наибольшее распространение получили методы визуального и измерительного, радиационного, ультразвукового, магнитного и капиллярного метода. контроль герметичность вакуумный пузырьковый

Особую группу методов составляют методы, предназначенные для выявления сквозных дефектов, нарушающих герметичность изделий, поскольку обычные методы радиационного, ультразвукового, магнитного и капиллярного метода контроля не позволяют выявлять сквозные дефекты - течи. Методы испытаний изделий на непроницаемость позволяют решать следующие задачи: определять качество герметизации объектов; выявлять негерметичные узлы и элементы изделий; определять местонахождение течей с целью их устранения или установления причин появления.

Целью выпускной квалификационной работы является обзор методов и способов контроля герметичности, разработка универсального макета контроля герметичности вакуумно-пузырьковым способом и методические указания по выполнению лабораторной работы контроля герметичности вакуумно-пузырьковым способом.

Определения

В данной работе применены следующие термины с соответствующими определениями:

Течеискание: метод, предназначенный для определения степени герметичности и мест расположения сквозных несплошностей (течей) и проницаемостей материала, невидимых невооруженным глазом в объектах контроля.

Метод течеискания: совокупность приемов использования принципов, положенных в основу обнаружения пробного вещества, проникающего через течи, и средств его обнаружения.

Способ течеискания: технологический прием реализации метода течеискания с использованием специальных приборов и оснастки.

Течь: канал или пористый участок изделия или его элементов, нарушающий их герметичность

Течеискатель: прибор или устройство для обнаружения течей.

Герметичность: свойство изделия или его элементов, исключающее проникновение через них газообразных и (или) жидких веществ.

Степень негерметичности изделия: характеристика герметизированного изделия, определяемая суммарным расходом вещества через его течи.

Норма герметичности изделия: наибольший суммарный расход вещества через течи герметизированного изделия, обеспечивающий его работоспособное состояние и установленный нормативно-технической документацией.

Испытания на герметичность: испытания с целью оценки характеристик герметичности изделия как результата воздействия на него при его функционировании или при моделировании воздействий на него.

Рабочее вещество: вещество, заполняющее герметизированное изделие при эксплуатации или хранении.

Пробное вещество: вещество, проникновение которого через течь обнаруживается при течеискании.

Масс-спектрометрический течеискатель: течеискатель, действие которого основано на обнаружении пробного вещества путем разделения ионов вещества по отношению их массы к заряду согласно

Галогенный течеискатель: течеискатель, действие которого основано на обнаружении галогеносодержащего пробного вещества по увеличению эмиссии положительных ионов нагретой металлической поверхностью.

Катарометрический течеискатель: течеискатель, действие которого основано на регистрации изменения теплопроводности газовой среды в результате поступления в нее пробного вещества.

Щуп течеискателя: устройство для сканирования поверхности герметизированного изделия при течеискании.

Чувствительность течеискания: отношение изменения сигнала о наличии течи к вызывающему его изменению расхода пробного вещества через течи.

Порог чувствительности течеискания: наименьший расход пробного вещества или наименьшее давление, регистрируемое при течеискании.

Чувствительность течеискателя: отношение изменения сигнала течеискателя к вызывающему его изменению расхода пробного вещества через течи.

1. Методы контроля герметичности (течеискание)

Неразрушающие методы контроля широко применяются для обеспечения контроля систем газоснабжения (газораспределения), объектов горнорудной промышленности, объектов угольной, нефтяной, газовой и металлургической промышленности, оборудования взрывопожароопасных и химически опасных производств.

Метод течеискания дает возможность выявить канал или пористый участок изделия или элемента, за счет которых нарушается герметичность конструкции.

Методы течеискания основаны на применении пробных веществ, проникающих через течи и индицируемые средствами течеискания. В качестве пробных веществ применяют жидкости, газы, пары легколетучих жидкостей. В зависимости от пробного вещества методы разделяют на жидкостные или газовые. Более широко используют газы, обеспечивающие более высокую чувствительность.

Методами течеискания выявляют течи, которые определяют канал или пористый участок перегородки, нарушающие ее герметичность. Процесс проникновения вещества через перегородку под действием общего или парциального давления в объект контроля называют натеканием. Утечка - истечение вещества из герметизированного объекта. Натекание и утечка оцениваются потоком газа и имеют размерность.

Для однозначности характеристики течи и возможности сопоставления степени негерметичности изделий, испытываемых и работающих в различных условиях, вводится понятие нормализованной течи. Это поток воздуха, перетекающий через течь из атмосферы в вакуум при комнатной температуре.

Помимо сквозных дефектов, которыми являются упомянутые каналы, пробные вещества могут проникать через перегородки в результате диффузии, например, стекло или резина проницаемы для гелия.

Наиболее чувствительные методы течеискания основаны на применении вакуумной техники. Повышение давления газа внутри откачанного объекта помимо натекания может быть связано с газовыделением, т.е. выделение газа, ранее адсорбированного внутренними поверхностями вакуумной системы.

Для устранения газовыделения, мешающего контролю, применяют обезгаживание.

В течеискании в качестве пробного вещества часто используют жидкости, обладающие большой способностью к смачиванию. Проникновение таких жидкостей через тонкие каналытечи происходит под действием капиллярных сил даже в отсутствие разности давлений. Если разность давлений имеется, то проникновение происходит в результате совместного действия двух сил.

Норма герметичности характеризуется суммарным расходом вещества через течи герметизированного изделия, при котором сохраняется его работоспособное состояние. Как правило, наибольший суммарный расход вещества определяется расчетом и устанавливается нормативно-технической документацией. Обычно норма герметичности устанавливается конструктором.

Однако чаще всего приходится встречаться с критерием герметичности или, точнее, технологическим критерием герметичности, который выражает требования потребителя в виде условия, при котором возможна эксплуатация изделия или технологического оборудования.

Требования по герметичности объекта контроля, как правило, задают в величине потоков рабочей среды, предельно допустимых при эксплуатации объектов или через косвенные параметры (например, допустимое изменение давления за определенное время). Во многих способах контроля герметичности в качестве пробных сред используют жидкости и газы. Пороговая чувствительность способов контроля определяется как наименьший расход пробного вещества или наименьшие изменения давления, регистрируемые при течеискании.

Для правильного выбора способа контроля герметичности, соответственного требованиям к объекту контроля, целесообразна единая унифицированная форма выражения требований к степени герметичности и возможностей способов в значениях одного и того же параметра. В качестве такого параметра при контроле герметичности целесообразно принять характеристику течи, принятую в вакуумной технике, где величина течи оценивается количеством воздуха, которое она пропускает в единицу времени из атмосферы в объем, откачанный до давления пренебрежимо малого по сравнению с атмосферным, и измеряется в единицах потока.

Таким образом, требования к герметичности выражаются в максимальных потоках через недопустимые течи, а результаты контроля, если выбран способ, пороговая чувствительность которого позволяет обнаруживать эти течи, должны дать ответ о годности объекта контроля.

Система контроля герметичности это сочетание определенных способов, режимов контроля и подготовки объекта к контролю.

Пороговая чувствительность системы характеризуется величиной минимальной выявляемой течи и оценивается потоком воздуха через эту течь из атмосферы в вакуум в условиях максимальной очистки ее канала от сред, вызывающих временное перекрытие каналов течей.

Классификация наиболее распространенных методов контроля герметичности.

Высокочувствительными методами контроля герметичности и течеискания являются методы с применением течеискателей, называемых газоаналитическими и предусматривающих применение пробных газов. При прохождении пробных газов через неплотности в контролируемых изделиях в блоке индикации течеискателя появляется электрический сигнал. Наибольшее применение получили катарометрические, галогенные и масс-спектрометрические течеискатели.

Методы течеискания весьма разнообразны и существенно различаются по чувствительности, избирательной реакции на пробное вещество, принципам обнаружения утечки этого вещества, по виду используемых при реализации метода пробных веществ.

Методы контроля герметичности разделяются на три группы в зависимости от вида применяемых пробных веществ:

- газовые, когда в качестве пробного вещества используется какой-либо газ (гелий, аргон, воздух и др.);

- газо-гидравлические, когда в качестве пробного вещества используется газ (например, воздух), а жидкость играет роль вспомогательной среды при определении факта и места утечки газа;

- гидравлические, когда в качестве пробного вещества используется жидкость (например, вода, масло).

1.1 Масс-спектрометрический метод

Масс-спектрометрический метод контроля герметичности является наиболее совершенным и широко применяемым в самых разных отраслях промышленности. Это обусловлено его высокой чувствительностью и избирательностью к пробному газу, универсальностью. Метод позволяет выделить любое пробное вещество: твердое, жидкое, газообразное - из общей смеси веществ вне зависимости от присутствия в ней других компонентов, как указано в справочнике [2].

Метод основан на разделении по массам сложной смеси газов и паров в электрическом и магнитном полях. В принципе, любой масс-спектрометр пригоден для поиска течей и любая система, содержащая квадрупольный масс-спектрометр, омегатрон или другой измеритель парциальных давлений, может быть проверена на герметичность без применения специальных течеискателей. По составу остаточных газов вакуумной системы можно судить о натекании в систему воздуха или каких-либо газов. Подавая на отдельные участки поверхности проверяемой системы пробное вещество и фиксируя определенные пики масс-спектра, можно выявлять негерметичные участки и локализовать места течей.

Масс-спектрометрический анализатор, приведенный на рисунке 1, работает в поле постоянного магнита с индукцией от 0,17 до 0,2 Тл. Газы, поступающие из испытуемого объекта в анализатор, в ионизаторе 2 под действием электронного тока с катода 1 превращаются в положительные ионы с зарядом е.

1 - катод; 2 - ионизатор; 3 - входная диафрагма; 4 - ионный пучок; 5 - выходная диафрагма; б - коллектор; Я - магнитное поле; СЭ - стабилизатор эмиссии; В - выпрямитель, обеспечивающий напряжение, ускоряющее ионы; У - усилитель постоянного тока с выходным прибором

Рисунок 1. Схема работы масс-спектрометрического анализатора

Способы реализации масс-спектрометрического метода течеискания выбирают с учетом конструктивно-технологических особенностей и режимов эксплуатации объекта.

Пробное вещество или контрольная среда должны обеспечивать выявляемость течей в соответствии с техническими требованиями к контролируемому объекту. Пробное вещество не должно оказывать вредного воздействия на контролируемый объект. Основными пробными веществами являются инертные газы - гелий и аргон. В специальных случаях допускается применение других пробных веществ.

Течеискание масс-спектрометрическим методом проводят при изготовлении герметизируемых изделий, их эксплуатации и ремонте.

При изготовлении деталей, сборочных единиц и изделий течеискание проводят с учетом конструктивно-технологических особенностей изделия, экономической целесообразности и эксплуатационной надежности, вероятности образования течей на различных этапах технологического процесса и возможности их перекрытия.

При эксплуатации течеискание проводят периодически в соответствии с технической документацией на объект, а также при непрерывном эксплуатационном контроле герметичности ответственных изделий.

При ремонте течеискание проводят как при плановых, так и при внеплановых ремонтах в случае выхода объекта из строя по причине разгерметизации.

Каждый течеискатель должен быть укомплектован калиброванной течью для определения его чувствительности. Калиброванная течь должна обеспечивать стабильность и воспроизводимость потока пробного газа.

Течеискатели ТИ1-14М как показан на рисунке 2, ТИ1-22, ТИ1-30 обеспечивают контроль герметичности масс-спектрометрическим методом объемов и систем с применением гелия в качестве пробного газа.



Рисунок 2. Течеискатель ТИ1-14М

ТИ1-14М - разработка 90-ых годов. С турбомолекулярным насосом отечественного производства.

Для обеспечения функционирования аппаратуры и повышения чувствительности течеискания следует применять вспомогательное оборудование и устройства (вакуумные насосы, вакуумметры, селективные мембраны и другие).

Трубопроводы, соединяющие течеискатель с контролируемым объектом, должны иметь проводимость, не снижающую быстроту откачки вакуумной системы.

Участок контроля герметичности масс-спектрометрическим методом должен быть оснащен:

- течеискателем гелиевым типа ПТИ-10, ТИ 1-14;

- течами эталонными типа Гелит-1;

-пистолетами для обдува контролируемого объекта, укомплектованными резиновыми камерами и сменными наконечниками;

- манометрами, мановакуумметрами с диапазоном от 0 до 1,0 МПа (от 0 до 10 кгс/см);

- вакуумметрами типа ВИТ-2, ВИТ-3;

- манометрическими преобразователями типа ПМТ-2, ПМН-2;

- насосами форвакуумными типа ВН-461, ВН-2 или аналогичными, в зависимости от объема контролируемого объекта;

- насосами пароструйными типа АВП 400/600;

- трубками резиновыми вакуумными;

- вентилями вакуумными;

- азотом техническим;

- гелием техническим;

- смазкой вакуумной.

1.2 Галогенный метод

Реализуется галогенный метод контроля герметичности на базе галогенных течеискателей. Действие этих приборов основано на свойстве накаленной от 800 до 900°С пластины резко увеличивать эмиссию положительных ионов в присутствии галогеносодержащих веществ. Этот эффект, открытый Райсом в 1910 г., реализуется в двухэлектродной системе, состоящей из коллектора и накаленного эмиттера, между которыми создается электрическое поле. Эффект наблюдается как при атмосферном давлении, так и в вакууме. При разности потенциалов между электродами от 200 до 250 В эмитируемые ионы переносятся на коллектор, образуя электрический ток во внешней цепи, регистрируемый индикатором. Платина в условиях высокой температуры дает заметную эмиссию положительных ионов, которая резко возрастает при наличии газов, содержащих галогены. Такой диод может работать как при атмосферном давлении, так и в вакууме.

С атмосферным галогенным течеискателем поиски ведут методом опрессовки изделий газом, содержащим галогены. С помощью вакуумного галогенного течеискателя поиски течи ведутся таким же методом, как и масс-спектрометрическим течеискателем, с применением фреона или другого галогеносодержащего пробного газа. Течеискатели ТИ2-8, БГТИ-7 обеспечивают контроль герметичности объемов и систем с применением хладона и смеси газов, содержащих галогены, в качестве пробного газа. Галогенные течеискатели обеспечивают испытания с выносным щупом (атмосферные испытания) и вакуумные испытания.

Рисунок 3. Вакуумно-атмосферный галогенный течеискатель ТИ2-8

Рисунок 4. Атмосферный галогенный течеискатель БГТИ-7

Схема испытаний способом щупа с использованием чистого фреона приведена на рисунке 5.

1 - 6, 13 - клапаны, 7 - 9 - контролируемые объекты, 10 - насос, 11 -  компрессор, 12 - конденсатор, 14 - баллон.

Рисунок 5. Схема испытаний способом щупа

Согласно рисунку 5 контролируемые объекты 7-9 откачивают форвакуумным насосом 10, открыв клапаны 3-6, клапаны 1, 2, 13 при этом закрыты.

Затем закрывают клапан 3, открывают клапан 1 и через открытые клапаны 4 - 6 из баллона 14 нагнетают фреон в объект контроля до давления выше атмосферного и клапан 1 закрывают. После этого с помощью щупа, соединенного с регистрирующим блоком течеискателя, обследуют подозреваемые на течь места. Начинать испытания рекомендуется при пониженной чувствительности, для чего снижают ток накала эмиттера или загрубляют УПТ. Устранив грубые течи, повышают чувствительность и проводят высокочувствительные испытания. По окончании испытаний фреон собирают обратно в баллон 14 с помощью компрессора 11 и конденсатора 12 через открытые клапаны 2, 13, после чего в объекты подают чистый воздух с последующей его откачкой. Двукратная откачка обеспечивает остаточное содержание фреона в объекте в пределах от 10 до 5 мг/м³.

Участок контроля герметичности галогенным методом должен быть оснащен:

- течеискателем галогенным типа ГТИ-6, БГТИ-5;

течами типа Галот-1;

- манометрами типа МТИ с диапазоном от 0 до 1 МПа (от 0 до 10 кгс/см);

- редукторами кислородными типа РК-53Б или углекислотными типа УР-2;

- вентилями хладоновыми (фреоновыми);

- предохранительными клапанами;1

- шлангами резиновыми;

- спиртом техническим;

- хладоном-22 (фреоном -12, -22).

Эти течеискатели представляют собой переносные приборы, состоящие из регистрирующего блока и преобразователей, соединенных между собой электрическим кабелем.

В приведенных моделях течеискателей порог чувствительности ограничен указанной величиной, исходя из следующих факторов:

- повышение температуры эмиттера до значения более 850 °С способствует увеличению ионного тока, но при этом непропорционально возрастают флюктуации фонового и активированного токов, а следовательно, выбранная температура эмиттера близка к оптимальной;

- увеличение поверхности эмиттера в разработанных промышленных моделях течеискатели неэффективно, поскольку даже незначительное повышение чувствительности требует существенного увеличения габаритных размеров преобразователя;

- повышение коэффициента усиления УПТ также нецелесообразно, потому что одновременно возрастает и фоновый ток ЧЭ, так что отношение сигнал/шум не увеличивается.

1.3 Электронозахватный и плазменный методы

Электронозахватный и плазменный методы контроля герметичности основаны на регистрации проникающего через течи электроотрицательного пробного вещества. Реализация методов обеспечена разработкой и выпуском электронозахватных течеискателей (13ТЭ-9-001, ТИЭ-2) и плазменных (ТПЗ, ТП4). На рисунке 6 представлена функциональная схема преобразователя электронозахватного течеискателя. Физическая основа этих течеискателей состоит в том, что параметры низкотемпературной плазмы, возбужденной электрическим полем между двумя электродами в камере ионизации, существенно зависят от концентрации газов, имеющих сродство к электрону, молекулы которых способны захватывать свободные электроны, превращая их в электроотрицательные ионы. В роли пробных веществ используются элегаз (SF6), фреоны и другие электроотрицательные газы.



1 - игла-зонд, 2 - диффузор эжектора, 3 - чувствительный элемент, 4 - дроссель.

Рисунок 6. Функциональная схема преобразователя

Принцип действия плазменных течеискателей основан на том, что при поступлении в ионизационную камеру течеискателя электроотрицательного пробного газа, изменяется скорость ионизации и последующей рекомбинации носителей зарядов (электронов, ионов) в камере, что регистрируется высокочастотным (ВЧ) генератором.

Частота срыва колебаний генератора является функцией концентрации электроотрицательного газа в газовой смеси. Внешний вид течеискателя ТИЭ-1 показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Внешний вид электронозахватного течеискателя ТИЭ-1

1.4 Катарометрический метод

Катарометрический метод контроля герметичности основан на индикации утечек пробных газов, прошедших сквозь течи объекта контроля, теплопроводность которых отличается от теплопроводности воздуха.

На основе метода возможно построение течеискательных устройств, которые можно использовать как самостоятельные переносные течеискатели или как датчики в автоматизированных системах обнаружения утечек рабочей среды технологического оборудования. Несмотря на наличие более чувствительных методов, катарометрический метод течеискания находит применение благодаря невысокой стоимости течеискателя, простоте в эксплуатации, портативности, возможности применения рабочих сред в качестве пробных веществ при контроле оборудования прямо на месте эксплуатации без его остановки. Кроме того, этим методом можно проводить предварительный контроль объектов перед применением высокочувствительных методов контроля.

Перспективно использование катарометрических течеискателей для проверки газопроводов с горючими и взрывоопасными газами (водородом, природным газом, пропаном, бутаном и т.д.). Возможности практического использования катарометрических течеискателей определяются отношением теплопроводности газа, утечка которого оценивается, и воздуха. На рисунке 8 приведена схема термокондуктометрического течеискателя.

1, 2- проточные камеры соответственно для газовой смеси и для воздуха, 3, 4 - нихромовые нити, 5 - усилитель, 6 - регистрирующий прибор

Рисунок 8. Схема термокондуктометрического течеискателя

Известно, что ячейки детектора проточные и диффузионные. В проточных ячейках газовый поток омывает чувствительный элемент - ЧЭ в них достигаются большая чувствительность и быстродействие, но в то же время и большая чувствительность к изменениям скорости потока газа.

В диффузии через специальный канал согласно рисунку 9, б ЧЭ малочувствительны к колебаниям потоков, но более инерционны (постоянная времени может доходить до 20 сек).

С учетом сказанного тип ячейки выбирают в соответствии с поставленными целями или применяют проточно-диффузионные камеры с усредненными характеристиками. Наиболее часто применяемые ячейки катарометров приведены на рисунке 9, в.

а - проточная; б - диффузионная; в - проточно-диффузионная

Рисунок 9. Наиболее часто применяемые ячейки катарометров

1.5 Акустический метод

В основе принципов акустического течеискания лежит физический эффект формирования звуковых или ультразвуковых колебаний при истечении жидких или газовых струй из отверстий и щелей. Чувствительными элементами акустических течеискатели являются ультразвуковые или виброакустические микрофоны, работающие в звуковом диапазоне частот. Спектр газовой струи довольно широкополосный и в ультразвуковом частотном диапазоне достигает частоты 200 кГц. Акустические колебания при истечении газа вызываются как срывом струи газа на выходной кромке сквозного дефекта, так и столкновением вытекающих молекул газа с менее подвижными молекулами внешней среды. Принцип ультразвукового метода контроля герметичности изделий и оборудования заключается в создании избыточного давления внутри изделия и обследовании снаружи негерметичных мест ультразвуковым течеискателем.

Принцип работы акустических течеискателей непосредственного прослушивания состоит в том, что на трубе, находящейся под давлением, при утечке возникает шум от трения вытекающей струи о кромку дефекта согласно ГОСТ 3242-79 [5]. Этот шум утечки хорошо распространяется по трубе и через грунт. Акустические течеискатели непосредственного прослушивания через грунт улавливают этот шум и по максимуму принятого сигнала определяют место утечки.

Принцип действия акустических корреляционных течеискателей заключается в следующем. Шум, вызываемый утечкой, распространяется в обе стороны по самой трубе и по находящейся в ней жидкости. Установленные на трубе или арматуре виброакустические датчики (с двух сторон от предполагаемого места утечки) воспринимают этот шум и преобразуют его в электрический сигнал.

В зависимости от расстояния до места утечки этот шум воспринимается датчиками в разное время. Коррелятор измеряет разницу времени и на основании этого вычисляет расстояние до места утечки от каждого из датчиков и показывает его в графическом или цифровом виде.

На рисунке 10 представлена схема испытаний технологических аппаратов на герметичность. В технологическом аппарате 1 создается испытательное избыточное давление (от 0,05 до 0,10 МПа). При наличии сквозного дефекта 2 в аппарате при истечении любого газа или паров жидкости формируются акустические колебания 3 частотой от 25 до 200 кГц, воспринимаемые пьезоэлектрическим приемником 4 (преобразователем), преобразующим их в электрический сигнал, который после усиления блоком 5 создает в наушниках 6 звучание мощностью, зависящей от величины утечки. На панели течеискателя загорается лампочка 7.

1 - технологический аппарат, 2 - сквозной дефект, 3 - акустические колебания, 4 - приемник/преобразователь, 5 - блок усиления, 6 - наушники, 7 - лампочка.

Рисунок 10. Схема испытаний объекта на герметичность

Датчики воспринимают шум утечки и передают по радиоканалу на вычислитель, который определяя время задержки прихода шума утечки к одному датчику относительно другого определяет расстояние от каждого из датчиков до места утечки.

Современные методы локализации, как, например, двойная корреляция, дают возможность мастеру-водопроводчику быстро и целенаправленно локализовать место утечки. На рисунке 11 приведен внешний вид акустического коррелятора.

Рисунок 11. Акустический коррелятор

Специализированный течеискатель АЭТ- 1МСС (НИИ интроскопии, г. Томск). Внешний вид приведен на рисунке 12. Течеискатель предназначен для определения местоположения сквозных дефектов на трубопроводах, выявление местоположения утечек жидкости и газа на подземных трубопроводах.

Рисунок 12. Течеискатель АЭТ-1МСС

1.6 Фотоионизационный метод

Работа фотоионизационного газоаналитического преобразователя утечки основана на непрерывном измерении электрического тока, проходящего через газовую смесь при образовании в ней частично ионизированной плазмы. Ионизация атомов и молекул в анализируемой газовой смеси осуществляется ультрафиолетовым (УФ) излучением. Впервые фотоионизационный метод был упомянут в 1955 г., а конструкция детектора была опробована в 1960 г.



1-3-электроды УФ лампы; 4 - УФ лампа; 5 - окно; 6 - измерительный электрод (к усилителю); 7-потенциальный электрод (к источнику питания); 8 - вход анализируемого газа; 9 - выход газа из детектора; 10- ионизационная камера

Рисунок 13. Фотоионизационный газоаналитический детектор

Детектор приведенный на рисунке 13 содержит два основных узла: лампу УФ излучения и ионизационную камеру, в которую поступает анализируемая газовая смесь. Образующиеся под действием УФ излучения ионы и электроны дрейфуют в электрическом поле между двумя электродами ионизационной камеры, создавая электрический ток. В случае наличия в анализируемой газовой смеси молекул пробного газа, потенциал ионизации которых не превышает энергию квантов ионизирующего излучения, величина тока в газоразрядном промежутке возрастает пропорционально концентрации этого газа.

На рисунке 14 показан внешний вид фотоионизационного детектора.



Рисунок 14. Фотоионизационный детектор

1.7 Манометрический и вакуумметрический метод

Манометрический и вакуумметрический методы контроля герметичности заключаются в регистрации изменения либо величины испытательного давления контрольного или пробного вещества в объекте, либо остаточного давления в объекте после его откачки в результате наличия течей в нем в течение некоторого промежутка времени. Этими методами испытывают газонаполненные и вакуумируемые системы-резервуары, различные гидравлические, газовые, вакуумные системы, их элементы и др. В зависимости от требований к объектам в качестве контрольных веществ применяют жидкости (воду, рабочие жидкости) и газы (воздух, азот, аргон). Наличие течей определяют по показаниям манометров и вакуумметров.

Испытания по манометрическому методу бескамерным способом (спада давления) сводятся к созданию в испытуемом объекте избыточного давления контрольного газа и измерению величины давления в нем в начале и конце определенного промежутка времени, пример приведен на рисунке 15.



Рисунок 15. Схема испытаний способом спада давления

Вакуумметрическим методом испытывают на герметичность в основном вакуумные системы, имеющие собственные средства откачки и измерения вакуума.

Для определения суммарного натекания вакуумную систему откачивают до некоторого остаточного давления, разобщают со средствами откачки и регистрируют вакуумметром изменение давления во времени. Затем строят график изменения давления во времени.

Принципиальная схема испытаний повышением давления в барокамере приведена на рисунке 16.

1,4, 7, 10- клапаны; 2 - манометр (мановакуумметр); 3 - вакуумметр; 5-вакуумная камера; 6 - изделие; 8 - вакуумный насос; 9 - предохранительный клапан; 11 - азотная ловушка

Рисунок 16. Схема испытаний повышением давления в барокамере

На рисунке 17 приведены вакуумные рамки различной конфигурации для проверки герметичности сварных соединений.

   

Рисунок 17. Вакуумные рамки для проверки сварных соединений

1.8 Химический газовый метод

Принцип действия химического метода испытаний на герметичность основан на цветной химической реакции контрольного (пробного) вещества с компонентами индикаторного состава, наносимого на поверхность контролируемого объекта. Течи обнаруживают визуально по локальному изменению цвета индикаторного состава (средств индикации) на поверхности объекта испытаний.

Для контроля локальной герметичности сварных швов, труднодоступных мест и разъемных соединений в качестве средств индикации применяют индикаторные ленты. Наибольшее распространение получили методы с использованием кислотно-основных реакций, в которых пробным веществом служат соединения кислотно-основной природы, например аммиак, углекислый газ.

В местах утечки пробного газа (аммиака или углекислого газа) изменяется окраска индикаторного состава за счет смещения кислотно-основного равновесия.

Сущность способа опрессовки с индикаторной лентой заключается в том, что на наружную поверхность контролируемого объекта накладывают индикаторные ленты, а внутрь подают контрольную среду (газ) до испытательного давления.

В местах утечки среды (газа) через микронеплотности объекта изменяется цвет индикаторной ленты. Контроль герметичности сводится к фиксированию цветных пятен на ленте в конце испытаний.

1.9 Люминесцентный метод

Люминесцентный метод течеискания метод неразрушающего контроля проникающими веществами с целью обнаружения сквозных дефектов (течей), основанный на регистрации проникания вещества через сквозные дефекты по флуоресценции этого вещества или индикаторного покрытия при освещении контролируемого объекта ультрафиолетовым светом (УФС).

Люминесцентный метод течеискания в зависимости от проникающего вещества подразделяют на жидкостный и газовый.

Жидкостный люминесцентный метод течеискания осуществляют капиллярным, компрессионным и вакуумным способами.

Газовый люминесцентный метод течеискания осуществляют компрессионным и вакуумным способами.

Люминесцентный метод течеискания применяют для контроля объектов, конструкция которых обеспечивает доступ к контролируемым поверхностям для нанесения на них дефектоскопических составов и для осмотра в лучах УФС. В местах, не доступных для осмотра в лучах УФС, следует применять индикаторные ленты.

Стенд, при контроле люминесцентным способом, должен быть дополнительно оснащен:

- автономной системой замкнутой оборотной циркуляции люминесцентного раствора, которую составляют - основная емкость с устройством для перемешивания раствора и измерения его количества (уровня), емкость для сбора сливаемого из объекта раствора, насос для перемещения раствора из сливной емкости в основную, трубопровод с запорной арматурой, соединяющий основную емкость с насосом для создания избыточного давления в объекте и основную емкость со сливной;

- оборудованием для приготовления люминесцентного раствора, состоящим из емкости с устройствами дозирования и перемешивания компонентов, и пробоотборником, трубопровода с запорной арматурой, соединяющего эту емкость с основной емкостью оборотной системы, и насоса для перемещения раствора из емкости для его приготовления в основную емкость оборотной системы;

- оборудованием для обесцвечивания люминесцентного раствора, состоящим из емкости для приготовления обесцвечивающего состава;

- емкости для обесцвечивания (емкости должны быть с перемешивающими устройствами), трубопровода с запорной арматурой, соединяющего емкости между собой, а также емкость для обесцвечивания со сливной емкостью оборотной системы, и насоса для перемещения обесцвечивающего состава из емкости для его приготовления в емкость для обесцвечивания. Емкость для обесцвечивания должна иметь сток в канализацию с запорной арматурой.

При контроле люминесцентным методом применяют дефектоскопы с УФ-облучателями.

Основными этапами течеискания люминесцентным методом являются:

- подготовка объекта к контролю;

- подача к объекту проникающего вещества;

- обнаружение дефектов и расшифровка результатов контроля.

Проникающее вещество к объекту подают:

- при капиллярном способе - смачиванием (кистью, струeй, распылением) и погружением;

- при компрессионном способе - созданием избыточного давления проникающего вещества внутри объекта или извне;

- при вакуумном способе - смачиванием (кистью, струeй, распылением) и погружением при создании вакуума со стороны контролируемой поверхности.

При контроле соединений или участков поверхности, не доступных для осмотра в лучах УФС, на эти соединения (участки) накладывают индикаторные ленты. Индикаторные ленты должны плотно прилегать к контролируемой поверхности и надежно фиксироваться. На ленты должны быть нанесены отметки, позволяющие после проведения контроля определить месторасположение дефектов. После проведения контроля индикаторные ленты снимают и рассматривают в лучах УФС.

Флуоресцентные концентраты для детектирования протечек в системах охлаждения. Люминесцентный метод контроля герметичности основан на применении в контрольных жидкостях в качестве пробного вещества специальных люминофоров, светящихся под действием ультрафиолетового излучения.

По свечению люминофора устанавливают место течи. На рисунке 21 показан один из таких концентратов.

Рисунок 21. Флуоресцентный концентрат

HN 849 - Концентрат на водной основе с эмульгирующей добавкой и ингибитором коррозии для обнаружения утечек в системах охлаждения, проверки на герметичность различных объектов. Длина волны возбуждения: 365нм, цвет при УФ возбуждении: зеленый

На рисунке 22 показан пример использования флуоресцентных концентратов.

Рисунок 22. Применение флуоресцентных концентратов

2. Пузырьковый метод

2.1 Сущность метода

Сущность пузырькового метода - контроля герметичности заключается в регистрации локальных утечек в объекте по появлению пузырьков контрольного газа в индикаторной жидкости или на индикаторном покрытии.

Метод применяют для контроля герметичности газонаполненных неоткачиваемых объектов-емкостей, элементов гидравлических и газовых систем, работающих под давлением и имеющих сравнительно небольшие размеры.

Наиболее эффективно его использование для испытаний металлических объектов, прочность которых допускает создание в них значительных избыточных давлений. Метод предусматривает опрессовку объекта избыточным давлением и затем погружение его в жидкость (способ аквариума) либо нанесение на его поверхность пенообразующих веществ (способ с пенным индикатором, способ с дисперсной массой).

В обоих случаях образование пузырьков газа на поверхности объекта свидетельствует об истечении из него газа и, следовательно, о местонахождении дефекта. По скорости образования и величине пузырьков можно судить о величине негерметичности.

В качестве контрольного газа в пузырьковом методе чаще всего применяют сжатый воздух или газообразный азот.

2.2 Способ опрессовки с погружением в жидкость (способ аквариума)

Способ аквариума- один из наиболее распространенных в промышленности способов контроля на герметичность, в частности соединений и основного материала объектов.

Испытуемый объект наполняют контрольным газом до предварительного давления и затем полностью погружают в ванну с жидкостью, называемой индикаторной (технологической), на глубину от 50 до 200мм. Ванна с жидкостью находится под атмосферным давлением.

Если при погружении объекта в жидкость на его поверхности образуются воздушные пузырьки, их необходимо снять кистью. После этого объект заполняют контрольным газом (обычно воздухом) до давления, равного испытательному, и выдерживают в жидкости в течение времени, достаточного для осмотра объекта, не менее 3 мин. Появление газовых пузырьков свидетельствует о течах в объекте испытаний.

Принципиальная схема установки для испытаний способом аквариума приведена на рисунке 23.

1 - объект испытаний; 2 - ванна (броневанна); 3 - манометр; 4 - пневмоклапан; 5 - предохранительный клапан.

Рисунок 23. Схема установки для испытаний способом аквариума

Для безопасности работ и исключения закупорки микронеплотностей жидкостью как погружение, так и извлечение объекта из ванны необходимо проводить под небольшим избыточным давлением контрольного газа от 10 до 20 % от испытательного, но не превышающим 2 кгс/ см² . При испытаниях с большими давлениями, когда используются манометры с ценой деления шкалы больше 2 кгс/ см² , допускается предварительный надув объекта до первого деления шкалы манометра.

После извлечения испытуемого объекта из жидкости его внешние поверхности необходимо протереть сухой салфеткой или обдуть сухим сжатым воздухом давлением меньше 6 кгс/см² до полного удаления влаги (что контролируется визуально), после чего можно сбросить давление из объекта.

Места течей фиксируют поворотом объекта негерметичным участком к зеркалу рабочей жидкости и отметкой мест, выделяющих пузырьки. Для улучшения условий обнаружения пузырьков контрольного газа применяют подсветку поверхности индикаторной жидкости.

С целью уверенного определения негерметичности объекта следует понаблюдать за образованием не менее трех пузырьков после обнаружения первого в месте предполагаемой течи.

При необходимости величину утечки контрольного газа через единичную течь рассчитывают по формуле:

Q= (1),

где d- диаметр пузырька в момент отрыва, м;

n- число пузырьков, выделившихся за время ;

- время наблюдения, сек.

Рассмотрение законов образования пузырьков в жидкости позволяет определить связь потока Q газа через течь с размерами и частотой образования пузырьков. Силы, приводящие к образованию пузырька газа, должны преодолеть сопротивление всех сил, противодействующих этому образованию. Поэтому давление газа в пузырьке должно быть, по крайней мере, равно суммарному давлению на пузырек извне. Оно слагается из атмосферного давления ргидростатического давления столба жидкости р и капиллярного давления р.

Они равны:

р=рgh, (2)

где - плотность жидкости;

g- ускорения силы тяжести;

h- высота столба жидкости;

р=, (3)

где - коэффициент поверхностного натяжения;

d- диаметр пузырька.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости определяется отношением силы, которую испытывает каждая граница жидкой пленки, к длине этой границы.

Единица коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ- Н/м, в системе СГС- дин/см.

Внутреннее давление в пузырьке:

, (4)

где Q - поток газа через течь л /м²

V - объем пузырька м³

- время натекания газа в объем V пузырька.

Из равенства р = р_к+ р_г + р следует выражение для потока:

Q= (5)

где нулевой индекс относит все величины к моменту отрыва пузырька, происходящего через время после начала его образования.

В реальных условиях испытаний первый и второй члены суммы малы в сравнении с третьим, поэтому поток газа через течь можно с достаточной точностью определить из уравнения:

Q= (6)

При частом появлении пузырьков целесообразно вести подсчет их количества п за определенный промежуток времени .Тогда:

Q .(7)

Образование пузырька газа на выходе капиллярного канала течи сопровождается искривлением ограничивающего его поверхностного слоя жидкости. Поверхностное натяжение этого слоя определяет силу F, удерживающую пузырек у поверхности, причем

F=2, (8)

где r- радиус капиллярного канала течи у выхода на поверхность;

- коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Величина зависит от химического состава жидкости и наличия в ней примесей.

Силе поверхностного натяжения противодействует архимедова сила F_A, стремящаяся вытолкнуть образовавшийся пузырек. Если пренебречь плотностью газа по сравнению с плотностью жидкости, то эта сила равна:

F_A= (9)

Исходя из равенства силы поверхностного натяжения и архимедовой силы в момент отрыва пузырька получают уравнение для его диаметра d₀ в этот момент:

d_0=. (10)

Следовательно, размер образующихся пузырьков зависит, причем весьма слабо, от параметров жидкости ( и р) и радиуса r капилляра течи у поверхности. Чаще всего в качестве контрольного газа при испытаниях способом аквариума применяют воздух или азот, индикаторной жидкостью служит вода или спирт.

При использовании в качестве индикаторной жидкости воды теоретическая чувствительность контроля способом аквариума достигает 10⁷ м³ * Па/с (при наблюдении пузырьков диаметром примерно0,5 мм и частоте их появления, равной одному пузырьку за 30 сек). Применяя спирт, можно выявлять пузырьки воздуха примерно в 1,5 раза меньшего размера при прочих равных условиях; чувствительность способа при этом возрастает, что объясняется втрое меньшим значением поверхностного натяжения спирта по сравнению с водой.

Повышение давления в объекте испытаний также позволяет увеличить чувствительность испытаний. Использование газов с меньшей, чем у воздуха, вязкостью тоже позволяет повысить чувствительность испытаний (например, в 2 раза при применении водорода). Применение гелия при опрессовке выигрыша не дает, поскольку его вязкость даже несколько превышает вязкость воздуха, а молекулярная масса здесь роли не играет.

Иногда в качестве индикаторной жидкости служит подогретое масло. Применение низкотемпературных жидкостей (уайт-спирит, антифризы и т.д.) позволяет проводить испытания при отрицательных температурах окружающей среды. Промывку ванны, смену жидкости в ней рекомендуется осуществлять по утвержденному графику или по мере загрязнения, но не реже одного раза в месяц.

В производственных условиях порог чувствительности способа аквариума достигает 1,3 * 10^-6 м³ * Па/с. Способ рекомендуется для испытаний объектов, объем которых не превышает от 150 до 200 л, а их внешние поверхности не имеют глубоких, плохо просматриваемых впадин.

При контроле герметичности объектов типа клапанов, редукторов, уплотнений и т.п., проверяемые полости которых непосредственно не контактируют с жидкостью, возможны испытания способом мундштука. Сущность способа заключается в том, что резиновый шланг (трубка) одним концом подсоединяется к выходному штуцеру испытуемого объекта, а другим погружается в жидкость рядом стоящей ванны.

По выделяющимся из шланга пузырькам судят о герметичности объекта испытаний.

Диаметр (внутренний) шланга должен быть от4 до 6 мм, его длина должна быть не менее 600мм, глубина погружения шланга в жидкость не менее 10мм. Конец шланга следует опускать в жидкость только после того, как в объекте установится давление, равное испытательному.

В случае необходимости величина утечки контрольного газа через единичную течь, когда визуальный подсчет образующихся пузырьков и измерение их диаметра не вызывают затруднений, рассчитывается по формуле (1). Если невозможно подсчитать количество выделившихся пузырьков или определить их диаметр, допускается применение мерной емкости, заполненной индикаторной жидкостью и установленной над местом течи так, что нижний открытый конец ее охватывает место выделения пузырьков и находится ниже уровня жидкости в ванне. Уровень жидкости в мерной емкости должен превышать уровень жидкости в ванне. Выделившийся контрольный газ при нате- кании в мерную емкость вызывает понижение уровня жидкости в ней.

2.3 Способ бароаквариума

Способ бароаквариума заключается в определении мест течей на объекте, находящемся под избыточным или атмосферным давлением контрольного газа и помещенным в ванну с жидкостью, над поверхностью которой создается вакуум. Контроль герметичности осуществляется визуально: по выделяющимся из объекта пузырькам газа. Способ позволяет установить место течей по всей поверхности контролируемого объекта, доступной для визуального осмотра. Возможна количественная оценка величины локальной негерметичности визуальным сравнением с потоком от калиброванной течи.

В качестве контрольного газа применяют воздух, газообразный азот или смеси этих газов. Индикаторной (технологической) жидкостью при контроле герметичности способом бароаквариума служат вода дистиллированная и обессоленная, конденсат, растворы поверхностно-активных веществ в воде с концентрацией от 0,2 до 0,3 г/л, этиловый спирт и его водные растворы, фторхлоруглеродные растворители (фреоны). Принципиальная схема установки для испытаний способом бароаквариума приведена на рисунке.24.

Испытания осуществляют следующим образом.



1 - рабочая емкость; 2 - объект испытаний; 3,6- вакуумметры; 4, 5, 8, 10 - вакуумные клапаны; 7 - вспомогательная емкость; 9 - водяной фильтр; 11- манометр.

Рисунок 24. Принципиальная схема установки для испытаний способом бароаквариума:

- открывают клапан 5, обезгаживают технологическую жидкость во вспомогательной емкости 7. Разрежение над поверхностью жидкости при обезгаживании более 1,33 * 10⁴ . Длительность обезгаживания зависит от типа и температуры применяемой жидкости при обезгаживании и испытаниях; устанавливается технологически.

- помещают объект 2 в рабочую емкость бароаквариума 7, подключают к нему линии подачи и измерения давления, заполняют объем контрольным газом до рабочего давления, проверяют герметичность технологической оснастки.

- в рабочую емкость бароаквариума 1 в нескольких зонах по высоте устанавливают капиллярные контрольные течи типа ТК. Число зон осмотра определяется максимальной высотой Н слоя жидкости над течью, при которой возможно ее надежное выявление.

- герметизируют рабочую емкость 1 и, открывая клапан 4, вакуумируют рабочую емкость до давления менее 6,65 * 10³ Па (50 мм рт.ст.). Продолжают вакуумирование в течение от 5 до 20 мин для обезгаживания поверхностей объекта и стенок рабочей емкости.

- открывая клапан 10, заполняют рабочую емкость жидкостью до уровня, превышающего верхнюю точку контролируемого объекта на величину больше или равно 100 мм; затем перекрывают линию откачки вспомогательной емкости, закрыв клапан 5.

- выводят бароаквариум на рабочий режим, который характеризуется следующими условиями:

- отсутствием газовыделения с поверхности объекта;

- удовлетворительной видимостью пузырьков газа, выходящих из контрольной течи.

Видимость пузырьков из контрольной течи считают удовлетворительной, если они выходят с частотой не менее одного пузырька в секунду, при подъеме увеличиваются в размерах и достигают поверхности жидкости.

Производительность откачки при рабочем режиме испытания должна быть минимальной, допускается после создания рабочего вакуума в бароаквариуме прекратить вакуумирование.

- проводят контроль герметичности объекта путем осмотра всей поверхности; объект считают герметичным, если выделение пузырьков газа с его поверхности не наблюдается или регистрируемая величина потока меньше потока от калиброванной течи.

При контроле герметичности крупногабаритных объектов осмотр проводят по зонам, начиная с верхней. Высота зоны осмотра должна соответствовать толщине слоя жидкости H, которая зависит от требуемой чувствительности контроля. При осмотре каждой последующей зоны уровень жидкости понижают на величину Н и выводят бароаквариум на рабочий режим. Для улучшения условий визуального наблюдения применяют длиннофокусные оптические приборы со степенью увеличения (от 2 до 4)^х.

...