способ тепловизионного контроля теплоизоляции протяженных трубопроводов

Формула изобретения

Способ тепловизионного контроля теплоизоляции протяженных трубопроводов, включающий предварительный нагрев стенок трубопровода под изоляцией для создания перепада температуры поперек слоя теплоизоляции за счет адиабатного повышения температуры газа при наддуве трубопровода и последующий тепловизионный контроль температурных полей на наружной поверхности теплоизоляции, отличающийся тем, что тепловизионная камера перемещается вдоль трубопровода в сторону источника газа наддува в соответствии с законом движения максимума температуры по длине трубопровода.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ относится к области неразрушающего контроля, а именно к инфракрасной диагностике и методам теплового неразрушающего контроля.

Известны способы контроля, при которых исследуемая поверхность подвергается искусственному нагреву. При внешнем нагреве источник тепла размещается со стороны тепловизора (Драгун В.Л., Филатов С.А. Тепловизионные системы в исследованиях тепловых процессов. - Минск: Наука и техника, 1989. - С.94). Внешний нагрев практически неприменим для поверхностей сферических и цилиндрических объектов (например, тубопроводов). Внутренний нагрев можно обеспечить путем размещения с обратной стороны или введения внутрь контролируемого объекта источников тепла (электронагревателей, теплоносителей и т.п.). Однако это не всегда представляется возможным и приводит к большим энергетическим затратам.

Известен способ тепловизионного неразрушающего контроля качества многослойных композиций (Драгун В.Л., Филатов С.А. Тепловизионные системы в исследованиях тепловых процессов. - Минск: Наука и техника, 1989. - С.95). Способ включает размещение внутри контролируемого объекта галогенных излучателей, создание с помощью них теплового потока к внутренней стороне контролируемой поверхности, контроль температурного поля на наружной стороне контролируемой поверхности с помощью тепловизора.

Недостатком указанного способа является невозможность его использования в протяженных трубопроводах, а также высокие энергетические затраты на его реализацию.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемому способу является способ тепловизионного контроля теплоизоляции сосудов и трубопроводов (патент № 2296983, кл. G01K 25/32, 2007 г). Для реализации способа производится наддув сосуда газом наддува до давления p_опт . Адиабатное повышение давления во внутренней полости сосуда приводит к повышению температуры газа в сосуде, в результате которого нагревается стенка сосуда. Тепловой поток, вызванный перепадом температуры между стенкой сосуда и окружающей средой, передается через теплоизоляцию на ее наружную поверхность, формируя на ней температурные поля различной конфигурации, определяемые качеством и текущим техническим состоянием теплоизоляции.

Недостатком указанного способа является недостаточная возможность его использования в протяженных трубопроводах.

Задачей изобретения является создание способа тепловизионного контроля теплоизоляции протяженных трубопроводов, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в обеспечении возможности контроля качества теплоизоляции протяженных трубопроводов, а также в сокращении энергетических затрат на проведение контроля.

Этот технический результат достигается тем, что при заполнении протяженных трубопроводов происходит адиабатное сжатие находящегося внутри трубопровода газа и повышение его внутренней энергии в результате совершения работы сжатия. Одновременно за счет теплопроводности и конвективного перемешивания температуры газов выравниваются, что приводит к возникновению тепловой волны. Указанная совокупность признаков (заполнение протяженных трубопроводов газом, движение тепловой волны) позволит исключить установку внутренних источников тепла и совместить операции тепловизионного контроля с обязательными периодическими операциями по опрессовке и проверке герметичности и прочности протяженных трубопроводов, а также ограничит количество газа, подаваемого во внутреннюю полость на наддув.

Процесс заполнения протяженных трубопроводов представлен на фиг.1 (L, D - длина трубопровода и его диаметр; L₁, L₂ - длины, ограничивающие объемы, занятые газами с соответствующими параметрами). При этом происходит адиабатное сжатие находящегося внутри трубопровода газа и повышение его внутренней энергии в результате совершения работы сжатия. Одновременно за счет теплопроводности и конвективного перемешивания температуры газов выравниваются, что приводит к возникновению тепловой волны.

Для протяженных трубопроводов характерно существенное превышение длины над диаметром D/L<<1. Кроме того, время наддува значительно меньше времени выравнивания температур газов за счет конвективного перемешивания.

Изменение температурного поля внутри протяженного трубопровода может быть описано в виде нелинейного дифференциального уравнения:

где - плотность газа;

с_р - удельная теплоемкость при постоянном давлении;

_* - эффективный коэффициент теплопроводности.

Эффективный коэффициент теплопроводности может быть определен из выражения:

где =f(Gr, Pr, D/L) - коэффициент конвекции, определяемый эмпирически и зависящий от чисел подобия Грасгофа Gr, Прандтля Рr и относительного удлинения D/L.

Для однозначного решения задачи о движении тепловой волны необходимо задать начальные и граничные условия. Начальными условиями являются распределения термодинамических параметров газов в начальный момент времени:

Граничными условиями, вытекающими из постановки задачи, являются условия Неймана:

Поставленная нелинейная задача о движении тепловой волны не имеет аналитического решения. Для ее решения используется математический пакет MathCAD (версия 13), который имеет встроенные возможности численного решения одномерного дифференциального уравнения теплопроводности.

С целью анализа влияния геометрического удлинения D/L на характер изменения температурной картины во времени были выполнены расчеты для следующих исходных данных:

- газ идеальный, подчиняется уравнению состояния Клапейрона-Менделеева - воздух с показателем адиабаты k=1,4 и удельной теплоемкостью при постоянном давлении с _р=1005 Дж/(кг К);

- начальное давление в трубопроводе 10⁵ Па;

- давление наддува 10⁶ Па;

- температуры газов начальные равны 293 К;

- безразмерный параметр D/L варьировался от 0,01 до 0,1.

- коэффициент конвекции был принят равным =1000.

На фиг.2-5 представлены результаты расчетов при D/L=0,01 и на фиг.6-9 представлены результаты расчетов при D/L=0,1.

В зависимости от давления наддува газ, находящийся в трубопроводе, адиабатически сжимается, занимая различную долю первоначального объема и повышая внутреннюю энергию до определенных значений. В соответствии с приведенными выше исходными данными геометрическая степень сжатия составляет примерно L₂/L 20% (фиг.2, 6 t=0 с), при этом температура газа возрастает до 566 К.

Анализ полученных данных показывает существенное влияние относительного удлинения D/L на изменение температурного поля по длине трубопроводов. Так при значении D/L=0,1 установление равновесного значения температуры газа 325 К происходит менее, чем через 10 мин (600 с) после наддува (фиг.9). При значительных удлинениях, например D/L=0,01 (фиг.2-5), неравномерность распределения температуры сохраняется значительно дольше, и характерное время релаксации составляет более часа.

Пример реализации предлагаемого способа проиллюстрируем на основе работы установки, представленной на фиг.10. Установка включает источник газа наддува 1, контролируемый протяженный трубопровод 2 с теплоизоляцией, а также тепловизионную камеру 3.

Работа установки происходит следующим образом. Производится наддув трубопровода 2 газом от его источника 1. При заполнении протяженных трубопроводов происходит адиабатное сжатие находящегося внутри трубопровода 2 газа и повышение его внутренней энергии в результате совершения работы сжатия. Особенностью наддува протяженных объектов, для которых отношение длины к диаметру превышает 100, является движение максимума температуры в сторону наддува после его окончания. Тепловой поток, вызванный перепадом температуры между стенкой трубопровода и окружающей средой, передается через теплоизоляцию трубопровода 2 на ее наружную поверхность, формируя на ней температурные поля различной конфигурации, определяемые качеством и текущим техническим состоянием теплоизоляции. Контроль температурных полей на наружной поверхности теплоизоляции трубопровода 2 производится тепловизионной камерой 3, с помощью которой осуществляется регистрация температурных полей на поверхности трубопровода. Закон движения тепловой волны предопределяет и схему перемещения оператора тепловизионной камеры вдоль трубопровода для использования максимальной контрастности ИК-изображений. Тепловизионная камера 3 перемещается вдоль трубопровода 2 в сторону источника газа наддува 1 в соответствии с законом движения максимума температуры по длине трубопровода. Время движения тепловизионной камеры вдоль трубопровода устанавливается по результатам расчетов.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность контроля качества теплоизоляции протяженных трубопроводов, а также сокращение энергетических затрат на проведение контроля.