Система раннего обнаружения аварийных и предаварийных состояний на основе мониторинга микро- и наночастиц

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система раннего обнаружения аварийных и предаварийных состояний на основе мониторинга микро- и наночастиц

Современное понимание нанотехнологии включает в себя совокупность процессов, приводящих к созданию объекта, свойства которого в значительной степени определяются наноразмером частиц материала, из которого изготавливается этот объект. В последнее время появилось и развивается новое направление использования нано- и микрочастиц, генерируемых в ходе различных технологических и физических процессов. Оказалось, что параметры этих частиц связаны с типом процесса, при котором они возникают. Благодаря чрезвычайно чувствительным методам детектирования - измерению размеров каждой отдельной частицы и определению их счетного количества - предложен метод характеризации процесса генерации, основанный на мониторинге микро- и наночастиц. Измерения позволяют определить самое начало генерации частиц и динамику изменения количества частиц. Явление генерации частиц характерно для многих физических процессов, в частности, связанных с износом материалов, их нагревом, эрозией, горением и др. Сюда же относится генерация частиц при нагружении, возникновении трещин или частичном разрушении различных материалов и горных пород. Изменения характера генерации частиц в ходе этих процессов служат индикатором изменения контролируемого технологического процесса и оборудования, в частности, являются сигналом о возникновении предаварийной ситуации, что даёт возможность предотвратить её. На этом принципе построен метод раннего обнаружения аварийных и предаварийных состояний технологического оборудования и помещений (РОАП). [1-6]

Основы метода раннего обнаружения аварийных и предаварийных состояний технологического оборудования и помещений на основе мониторинга микро- и наночастиц

С ростом сложности используемых в промышленности технических и технологических систем неминуемо возрастает вероятность отказов и поломок оборудования вплоть до возникновения аварийных ситуаций. Соответственно все более актуальной становится задача разработки средств контроля и диагностики аварийных состояний. При этом последствия развития аварий будут тем тяжелее, чем на более поздней стадии она обнаружена. В этом смысле существенное преимущество имеют системы контроля, способные зафиксировать нештатную работу оборудования на самой ранней, предаварийной стадии и тем самым предотвратить возникновение аварийной ситуации. Во многих случаях не представляется возможным определить механические напряжения в сложном объекте, а именно они являются причиной разрушения. В строительных и геологических объектах (подземные части зданий, шахты) со временем и в результате эксплуатации возникают неоднородные напряжения в отдельных местах превышающие предел упругости и приближающиеся к пределу прочности. Именно здесь, в случае наличия свободной поверхности, возникают аэрозоли, которые являются предвестником аварии.

Естественными требованиями к системам диагностики являются высокая чувствительность и избирательность, позволяющие зарегистрировать самое начало развития аварийной ситуации, чтобы иметь возможность предотвратить аварию. Кроме того, диагностика должна по возможности не нарушать нормальную работу оборудования и, конечно, быть достаточно дешевой.

Система раннего обнаружения аварийных и предаварийных состояний (система РОАП) по мониторингу микрочастиц в технологических средах - воздухе, воде, масле и др. в значительной мере удовлетворяет указанным выше требованиям. Так, ее чувствительность в значительной степени определяется фоновым содержанием частиц в среде. Например, для случая аэрозолей, т.е. микрочастиц в воздухе, типичная счетная концентрация в помещениях АЭС для частиц диаметром более 0,3 мкм составляет 210⁴ част./л воздуха. Приняв за критерий чувствительности возможность уверенного измерения удвоения фоновой концентрации, легко определить, что при удельном весе аэрозолей 1 г/см³ и диаметре 0,5 мкм, общий вес 210⁴ частиц аэрозолей будет составлять 210^-7% от веса 1 литра воздуха. Очевидно, что полученное значение чувствительности увеличивается с увеличением чистоты воздуха в помещениях. Столь высокая чувствительность метода позволяет использовать систему РОАП в больших производственных помещениях (характерных, например, для объектов энергетики), где велико разбавление и происходит существенное снижение концентрации частиц.

Структурная схема системы РОАП

Система раннего обнаружения и диагностики аварийных и предаварийных состояний состоит из измерительного комплекса, включающего в себя набор необходимых датчиков и обеспечивающего получение данных о параметрах объекта, и программный комплекс обработки текущей информации и анализа состояния объекта. Основу аппаратной реализации системы РОАП представляют датчики взвешенных частиц в оптически прозрачных средах. Приборы такого типа выпускаются за рубежом, но они предназначены для контроля чистых производственных помещений и могут использоваться для мониторинга предаварийных ситуаций только после адаптации. Счетчики и датчики микрочастиц, специально спроектированные для работы в системах типа РОАП, разработаны авторами данного сообщения. Лазерный счетчик (датчик) аэрозолей ЛСА-03 может использоваться как датчик аэрозолей в составе компьютерной системы РОАП, а также как автономный переносной прибор. Датчики для измерения частиц в более плотных средах - воде, масле, других технологических жидкостях - построены на том же принципе, но имеют несколько другую конфигурацию оптической части.

Основные направления использования систем РОАП

Инициатором проведения работ по исследованию генерации частиц в ходе различных технологических процессов является группа исследователей в РНЦ «Курчатовский институт», занимавшихся разработкой систем фильтрации и диагностикой аэрозолей для электронной, а затем и атомной промышленности. Основные эксперименты проведены на стендах РНЦ «КИ», НПО ЦКТИ им. Ползунова, НПО «Гидропресс», на Курской и Нововоронежской АЭС. Результаты работы докладывались и были одобрены на (НТС) Минатома РФ, на совещаниях отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН, а также в концерне «Росэнергоатом» и Институте безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ) РАН. В результате определились основные направления использования систем РОАП: контроль электрооборудования, ранее обнаружение течей и дефектов паропроводов, контроль эффективности воздушных фильтров, контроль механических свойств металлов.

В последнее время проведенные эксперименты совместно с ИПКОН РАН показали на возможность использования РОАП в горном деле, в первую очередь для предотвращения взрывов в шахтах и в строительстве, а именно в диагностике напряжений в подземных частях сооружений.

Контроль электрооборудования. Перспективность применения мониторинга аэрозолей для контроля электрооборудования была обоснована результатами экспериментальных исследований процессов генерации аэрозолей при моделировании предаварийного состояния электрического оборудования на лабораторных стендах. Кроме того, были проведены специальные эксперименты, моделировавшие штатный и предаварийный режимы работы электрооборудования, размещенного в производственном помещении.

В первой группе экспериментов измерялся дисперсный состав и счетная концентрация частиц аэрозолей, образующихся в ходе нагрева различных электротехнических узлов и элементов (в том числе при их выходе из строя), а также при нагреве и термическом разрушении изоляционных материалов. Некоторые характерные результаты измерений представлены на рис. 1-2.

Так, ход временной зависимости образования аэрозолей при термодеструкции винила, широко применяющегося в электротехнике для изоляции (рис. 1) подтверждает известные наблюдения того, на ранних стадиях термодеструкции полимерных материалов образуется высокодисперсный аэрозоль с размером частиц менее 0,1 мкм. При этом чувствительности прибора недостаточно для регистрации частиц с диаметром менее 0,3 мкм, поэтому в начальной стадии измерений показания счетчика частиц не изменяются. Далее по мере роста концентрации высокодисперсных частиц они начинают коагулировать; образовавшиеся частицы, в свою очередь, продолжают коагулируют и т.д. Как только размер вновь образующихся частиц достигает предела чувствительности измерительного прибора, он начинает регистрировать быстрый рост концентрации частиц последовательно во всех диапазонах. Интересно отметить, что «запаздывание» реакции прибора довольно значительно - около часа, при мощности 0,15Вт и значительно сокращается при увеличении мощности.

Ко второй группе опытов относятся исследования образования частиц аэрозолей при искрении электроконтактов (в опытах использовалось электромагнитное реле). Обращает на себя внимание (рис. 2) генерация значительного числа относительно крупных субмикронных частиц и общее изменение спектра размеров частиц, что в принципе дает возможность отличить разные типы процессов генерации частиц.

В качестве технологического объекта был выбран силовой трансформатор номинальной мощностью 250 Вт, размещенный на стойке в центре помещения размером 6 10 м. В верхней части длинной стены помещения расположены выходные воздухораспределительные решетки системы очистки воздуха, создававшие воздушный поток чистого воздуха в районе расположения трансформатора.

Трансформатор работал с явной перегрузкой, ощутимо грелся, но из строя не выходил, искрения, дыма, оплавления изоляции не наблюдали. Таким образом, моделировали именно предаварийное состояние, когда оборудование работает не в штатном режиме, однако из строя еще не вышло, и видимых признаков нарушений нет.

После измерений фоновой концентрации трансформатор включали на холостом ходу и далее с номинальной нагрузкой. При этом дисперсный состав и счетная концентрация аэрозолей почти не изменялись по сравнению с фоном. Последующее возрастание нагрузки в течение получаса не вызывало изменений в дисперсном составе и привело лишь к незначительному увеличению счетной концентрации. Лишь через час начался сначала рост числа мелких, а затем и более крупных частиц (появление последних объясняется, по-видимому, коагуляцией). Далее процесс пошел значительно быстрее, и в последующие 25 мин концентрация частиц во всех диапазонах увеличилась в 3 - 4 раза.

Для определения возможной реакции прибора на образование дыма и искрение, на расстоянии 0,5 м от трансформатора на 1-2 сек зажигали пламя. Скачки концентрации частиц минимум в 3 раза были сразу же зафиксированы прибором. Таким образом, переход от предаварийной (работа с перегрузкой) к аварийной стадии (искрению или перегоранию трансформатора) также был бы сразу зарегистрирован прибором.

Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что в области контроля нашему мнению, в области контроля электрооборудования систему РОАП целесообразно применять для мониторинга состояния пультов управления, кабельных каналов, систем автоматики. Применение системы РОАП важно и в связи с исчерпанием ресурса по основному оборудованию. В первую очередь это касается газо- и маслонаполненного оборудования - мощных генераторов и трансформаторов. Предварительные исследования показали, что система РОАП или ее аналог для детектирования твердых частиц и пузырьков в масле может заменить и дополнить существующие дорогостоящие методы анализа.

Раннее обнаружение течей и дефектов паропроводов

Обычно утечку из паропровода удается зафиксировать, когда ее уже нужно немедленно устранять, и, скорее всего, срочно останавливать работу технологического оборудования. С применением системы РОАП течь можно фиксировать на начальной стадии, причем, в принципе, возможно установить время, за которое она достигнет критического размера и станет опасной. Следовательно, в этом случае появляется возможность выбора: требуется ли аварийная остановка или можно подождать (без большого риска) до планового ремонта оборудования.

Возможность применения системы РОАП в помещениях с большой протяженностью трубопроводов для раннего обнаружения аварийных и предаварийных ситуаций была обоснована результатами экспериментальных исследований на лабораторных стендах в РНЦ «Курчатовский институт», экспериментальном стенде в НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова (г. Санкт-Петербург) и промышленном стенде ОКБ «Гидропресс».

Измерения проводили в одном из технологических помещений РНЦ «Курчатовский институт». Площадь этого помещения 60 м² (6 10 м), приточная вентиляция снабжена системой очистки воздуха. Счетная концентрация и дисперсный состав частиц в воздушной среде помещения измерялись в режиме постоянной утечки пара из парогенератора небольшой интенсивности (визуальное наблюдение только на расстоянии до 15-20 см от парогенератора). Измерения проводились при включенной системе вентиляции и очистки воздуха. При этом точка пробоотбора располагалась на максимально возможном расстоянии (5 м) от парогенератора в зоне выходной вентиляционной решетки.

Видно, что прибор практически сразу (через 4 минуты) отреагировал на включение парогенератора (14:50) резким увеличением концентрации аэрозолей. Парогенератор сразу же был выключен, однако последующие измерения зафиксировали довольно длительное (около 20 минут) остаточное повышение концентрации субмикронных частиц аэрозолей в воздухе помещения. Отметим очень важное обстоятельство, что значение относительной влажности, которая измерялась параллельно со счетом частиц аэрозолей, при этом практически не изменилось. Отмечены лишь колебания от 14,3 до 15,0%, как это показано на рис. 3.

В ходе исследований была доказана высокая эффективность применения мониторинга водяных аэрозолей для обнаружения нарушений герметичности трубо- и паропроводов, испарении жидкостей, истечении под давлением пароводяных и иных смесей. При этом экспериментально установлены:

· возможность регистрации увеличения концентрации и изменения дисперсного состава аэрозолей при испарении воды либо при непрерывной утечке,

· возможность регистрации сверхмалых количеств воды (капли объемом порядка нескольких микролитров),

· возможность отбора проб воздуха с использованием пробоотборных трубок длиной до 12 метров,

· возможность регистрации утечек пароводяной смеси через дефекты в трубах, имеющих слой теплоизоляции,

· целесообразность регистрации утечек пароводяной смеси путем мониторинга аэрозолей в суммарном воздушном потоке.

Контроль эффективности воздушных фильтров

Важным дополнительным преимуществом применения систем мониторинга аэрозолей является возможность их параллельного использования для контроля эффективности воздушных фильтров, в том числе непосредственно в месте их установки.

Контроль механических свойств металлов

Мониторинг аэрозолей является основой совершенно нового метода контроля механических свойств металлов по генерации аэрозолей в результате механических воздействий.

В серии экспериментов исследована генерация аэрозолей при разрыве металлических образцов. Эксперименты проводились на разрывной машине с металлическими стержнями из необлученной и облученной реакторной корпусной стали марки 15Х2МФА (флюенс нейтронного излучения 6Ч10¹⁹ см-²).

Разрыв необлученных стержней сопровождался резким возрастанием уровня концентрации частиц во всех диапазонах размеров (см. пример в табл. 1).

Табл. 1. Генерация аэрозолей при разрыве необлученных металлических стержней стали марки 15Х2МФА

Аналогичный эффект наблюдался и при разрыве образцов из облученной стали (табл. 2). Однако, в отличие от предыдущего эксперимента, при разрыве облученной стали концентрация частиц возрастала до значительно больших величин. Значительные отличия наблюдались и в распределении образующихся частиц по размерам - отмечена генерация больших частиц (диаметром > 2 мкм).

нанотехнология аварийный мониторинг

Табл. 2. Генерация аэрозолей при разрыве облученных металлических стержней стали марки 15Х2МФА

Отметим, что механические характеристики образцов отличались следующим образом: предел текучести ₀₂ составил 490 и 620 МПа, предел прочности в - 610 и 730 МПа, общее удлинение ₀ - 12% и 9% и равномерное удлинение _r - 8% и 6% соответственно для необлученных и облученных образцов. Другими словами, зарегистрировано резкое (на порядки) увеличение генерации крупных частиц при исследовании разрыва образцов облученных и необлученных сталей, тогда как механические свойства, измеренные традиционными способами, изменились лишь на 10-20%.

Продолжением этих исследований стало обнаружение зависимости между усталостными повреждениями в материале (при малоцикловой усталости) и количеством, а также дисперсным составом аэрозолей, образующихся при механическом воздействии на поверхность образца.

Оказалось, количество генерируемых аэрозолей пропорционально величине усталости (количеству циклов нагружения) для области размеров крупных аэрозолей (2 мкм).

Метод достаточно прост и дешев, может быть применен как к усталостным, так и к радиационным повреждениям и использован для многих измерений, необходимых для продления сроков эксплуатации объектов энергетики, в транспорте, строительстве.

Использование принципов РОАП в горном деле.

Здесь наибольший интерес представляет возможность прогнозирования взрывов в угольных шахтах. В результате экспериментов по измельчению разных типов угля выяснилось, что сильное различие в дисперсном составе генерируемых аэрозолей коррелирует с взрывоопасностью угля. На рис. 4 и 5 представлены дисперсные составы обычного и взрывоопасного угля.

Проводя предварительные (до крупномасштабной добычи) измерения дисперсного состава можно оценить опасность взрыва и принять дополнительные профилактические меры.

Также система РОАП может быть применена для выявления сильных (близких к пределу прочности) механических напряжений в подземных сооружениях, где прямое измерение напряжений не возможно. Используя тонкий канал созданный при строительстве или специально сделанный шурф для измерения генерируемых в нем аэрозолей в местах, где напряжения особенно велики из-за их неоднородности, можно сделать заключение о возможности разрушения по динамике появления аэрозолей.

Проблемы по использованию Роап.

Основная проблема внедрения РОАП состоит в том, что эта система не приносит непосредственно прибыли, а аргументация о предотвращении аварий звучит слабо, т.к. крупные аварии происходят довольно редко и за время эксплуатации одного объекта могут вообще не произойти. Однако предотвращение даже одной аварии на целом классе объектов, безусловно, окупает все расходы на установку систем типа РОАП.

Литература

1. Александров П.А., Калечиц В.И. Раннее предупреждение аварийных ситуаций по мониторингу микрочастиц. // ТЭК. 2003. №2. С. 110-111.

2. Александров П.А., Калечиц В.И., Маслаков О.Ю. Мониторинг аэрозолей и раннее обнаружение предаварийных и аварийных ситуаций. // Атомная энергия. 2000. Т. 89. Вып. 5.С. 376-381.

3. Александров П.А., Калечиц В.И., Хозяшева Е.С., Чечуев П.В. Детектирование малых течей в трубопроводах по мониторингу аэрозолей. В кн.: Научная сессия МИФИ-2004. // Сб. науч. тр. Т. 9. Молекулярная физика, перспективные наукоемкие технологии, новые материалы, наноматериалы. - М.: МИФИ, 2004, С. 222-223.

4. Александров П.А., Калечиц В.И., Хозяшева Е.С., Чечуев П.В. Исследование генерации микрочастиц, образующихся при разрыве металла. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2003. №5. С. 95-98.

5. Александров П.А., Калечиц В.И., Хозяшева Е.С., Чечуев П.В. Исследование генерации частиц при разрыве металла. // Вопросы атомной науки и техники, серия «Термоядерный синтез». 2003. Вып. 3. С. 73-77.

6. Александров П.А., Калечиц В.И., Хозяшева Е.С., Шахов М.Н. Исследование генерации частиц при малоцикловом механическом нагружении механических образцов. /В кн.: Научная сессия МИФИ-2004. // Сб. науч. тр., т. 9. Молекулярная физика, перспективные наукоемкие технологии, новые материалы, наноматериалы. М.: МИФИ, 2004. С. 224-225.

Размещено на Allbest.ru