Содержание к диссертации
Введение
1 Современные методы неразрушающего контроля железнодорожных цистерн 10
1.1 Условия работы и эксплуатационные факторы, влияющие на надежность и техническое состояние котлов железнодорожных цистерн 10
1.2 Статистический анализ неисправностей котлов железнодорожных цистерн 17
1.3 Анализ методов и технических средств диагностирования котлов железнодорожных цистерн 21
1.4 Характерные неисправности, причины и способы их устранения 25
1.5 Патентный обзор и анализ состояния вопроса в мировой практике 28
1.6 Постановка цели и задач исследования 34
2 Математическое моделирование процессов, протекающих в котле железнодорожных цистерн 35
2.1 Постановка задач исследования 35
2.2 Разработка схемы сквозного дефекта котла цистерны. Описание краевых условий 36
2.3 Математическое моделирование процессов истечения рабочей среды сквозь течи в теле котла цистерны 44
2.4 Математическое моделирование теплообменных процессов на внешней поверхности тела котла 52
2.5 Результаты математического моделирования процессов, протекающих в котле цистерны при ее различном техническом состоянии 61
2.5.1 Анализ достоверности использования программного обеспечения 61
2.5.2 Моделирования истечения газа через сквозной канал 65
2.5.3 Анализ влияния геометрического размера канала на процесс истечения 69
2.5.4 Анализ влияния уровня шероховатости на процесс истечения газа 75
2.6 Результаты математического моделирования тепловых процессов, протекающих на внешней поверхности котла в области сквозной течи 83
2.6.1 Анализ влияния геометрического размера канала на процесс формирования градиента температуры на внешней поверхности котла 83
2.6.2 Анализ влияния уровня шероховатости канала на процесс формирования градиента температуры на внешней поверхности котла 86
Выводы по 2 главе 95
3 Методические принципы разработки технологии контроля технического состояния котлов железнодорожных цистерн 97
3.1 Постановка задач исследования 97
3.2 Разработка требований к методике и оснастке теплового контроля технического состояния котлов железнодорожных цистерн . 97
3.3 Разработка технологии теплового контроля технического состояния котлов железнодорожных цистерн 99
3.4 Разработка программного обеспечения теплового контроля технического состояния котлов железнодорожных цистерн 111
Выводы по 3 главе 114
4 Экспериментальные исследования процесса и внедрения теплового контроля технического состояния котлов железнодорожных цистерн в условиях лаборатории и вагоноремонтного депо 115
4.1 Задачи проведения экспериментальных исследований 115
4.2 Методика проведения экспериментальных исследований технического состояния железнодорожных цистерн 116
4.3 Результаты экспериментальных исследований на натурных конструкциях в лабораторных условиях 118
4.4 Проведение тепловизионного контроля технического состояния котлов железнодорожных цистерн в условиях вагоноремонтного депо 132
4.5 Технико-экономическая эффективность внедрения теплового способа контроля технического состояния котлов цистерн 136
Выводы по главе 4 141
Заключение 142
Список использованных источников 144
- Характерные неисправности, причины и способы их устранения
- Математическое моделирование теплообменных процессов на внешней поверхности тела котла
- Разработка требований к методике и оснастке теплового контроля технического состояния котлов железнодорожных цистерн
- Методика проведения экспериментальных исследований технического состояния железнодорожных цистерн
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Проблема обеспечения безопасной эксплуатации резервуаров и сосудов, предназначенных для хранения и транспортировки взрывопожароопасных и вредных жидкостей и газов, в частности железнодорожных вагонов-цистерн, является актуальной.
Значительная изношенность вагонного парка снижает вероятность безотказной эксплуатации деталей и составных частей подвижного состава, что подтверждает статистика дефектообразования и аварий вагонов. В полной мере это относится и к цистернам, которые составляют более 12 процентов от всех вагонов инвентарного парка в ОАО «РЖД».
Основным элементом конструкции цистерны является емкость (котел согласно ГОСТ Р 51659-2000), подвергающаяся во время эксплуатации различным динамическим и температурным нагрузкам, а также воздействию химической активности перевозимых грузов, что обусловливает образование сквозных дефектов в элементах конструкции цистерны.
Для перевозки продуктов без давления – используется вагон-цистерна с емкостью (резервуаром), которую называют котлом.
Для транспортировки веществ под давлением – вагон-цистерна, имеет сосуд, работающий под давлением.
Вагоны-цистерны, имеющие криогенные сосуды, используются для перевозки в сжиженном виде газов, имеющих точку кипения ниже нормальных условий (0 С).
С целью обнаружения сквозных дефектов при ремонте цистерн, согласно
нормативно-технической документации, используют методы неразрушающего
контроля. К таким методам относятся ультразвуковой, визуально-
измерительный, магнитный, капиллярный и манометрический. Данные методы решают задачу по локализации и определению характеристик сквозных дефектов, однако достаточно трудоемки, что приводит к простою цистерн при проведении контроля и являются субъективными, поэтому актуальна задача разработки и внедрения высокопроизводительного способа неразрушающего контроля, который снизит объемы контроля и позволит оперативно определить техническое состояние котлов железнодорожных цистерн.
Основная идея работы состоит в измерении градиента температуры в зоне кромок (берегов) трещины при протекании через неё газа под давлением и возникновении при этом конвекционного отвода тепла в зоне сквозного дефекта за счет эффекта Джоуля-Томсона.
Степень научной разработанности темы. Применение методов теплового контроля при диагностике технического состояния различных объектов промышленности в последние годы получило большое распространение. Это связано с появлением на рынке устройств дистанционной регистрации температуры с разрешающей способностью до 0,1С, позволяющих повысить достоверность неразрушающего контроля.
Разработка технологий тепловизионного контроля осуществляется в ведущих научных лабораториях всего мира. Существенный вклад в изучение
данной области внесли ученые европейских стран и США: S. Liungderg, B. Pe-tersson и B. Axen (Швеция), G. Busse (Германия), T. Kauppinen (Финляндия), E. Cramer, D. Burleigh и S. Shepard (США) и др. Среди российских ученых стоит отметить: В.П. Вавилова, Д.А. Рапопорта, Н.А. Бекешко, Б.Н. Епифанцева, О.Н. Бударина, В.А. Захаренко, В.Н. Семенова, С.Н. Лозинского, П.С. Шаудурова, В.И. Самодурова и др.
Анализ работ, перечисленных выше авторов, содержащих функциональные основы теплового контроля, позволяет сделать вывод о возможности использования теплового метода для диагностики технического состояния объектов железнодорожного транспорта, в частности вагонов-цистерн.
Цель диссертационной работы состоит в повышении выявляемости и быстродействия контроля течеискания на железнодорожном транспорте и в разработке методики проведения контроля технического состояния цистерн тепловым методом на различных этапах ремонта в депо.
Задачи диссертационной работы.
-
Проанализировать современное состояние методов и средств диагностики технического состояния вагонов-цистерн. Обосновать применение теплового способа неразрушающего контроля.
-
Провести теоретические исследования и моделирование процесса истечения газа под давлением через сквозной дефект с образованием температурных аномалий.
-
Разработать методику теплового контроля технического состояния железнодорожной цистерны при проведении ремонта в условиях вагоноремонтного депо.
-
Провести экспериментальные исследования и внедрение методики теплового контроля технического состояния железнодорожных цистерн.
Объектом исследования являются крупногабаритные сосуды, изготовленные посредством сваривания составных частей, в процессе эксплуатации, подвергающиеся различным динамическим нагрузкам, например, железнодорожные цистерны.
Предметом исследования диссертационной работы является применение теплового контроля технического состояния железнодорожной цистерны, позволяющего получить достоверную, научно-обоснованную и объективную картину локализации сквозных дефектов цистерны при манометрических испытаниях.
Методы исследования.
Для решения поставленных в работе задач использовались:
математические методы моделирования тепловых процессов при истечении газа через сквозные дефекты;
методы статистических исследований при обработке данных отказов и дефектообразования железнодорожных цистерн;
методы фильтрации полезных сигналов на фоне помех и методы распознания образов.
Экспериментальные исследования проводились на лабораторных образцах и реальных вагонах-цистернах с использованием современной микропроцессорной техники теплового контроля. Результаты эксперимента обрабатыва-
лись на компьютере с помощью специализированного и стандартного программного обеспечения.
Научная новизна диссертационной работы.
-
Определены зависимости температурных полей от скорости истечения газа под давлением в зонах образования сквозных дефектов на поверхности вагона-цистерны. Установлено, что при нагружении цистерны сжатым воздухом не менее 0,2 МПа, по берегам (кромкам) сквозных дефектов образуются температурные аномалии, которые при опрессовке цистерны в течение 10 минут имеют эффективный диаметр соизмеримый с размером сквозной течи и максимальную разность температуры 4С.
-
Установлены геометрические параметры сквозного дефекта, влияющие на формирование температурного поля объекта контроля. В частности, для сквозных дефектов щелевого типа шириной раскрытия 0,2 мм температура на 1С меньше, чем у цилиндрического типа при одинаковой поперечной площади канала. При этом шероховатость внутренней поверхности течи, соизмеримая с величиной раскрытия дефекта, уменьшает амплитуду тепловой аномалии вокруг течи более чем в 10 раз.
-
Определены функциональные параметры приборов и объектов теплового контроля, позволяющие получить достоверные результаты: частота регистрации температурных аномалий не менее 9 Гц, температурная разрешающая способность аппаратуры не менее 0,35С, геометрическая разрешающая способность аппаратуры не менее 2 мм, диапазон температуры контролируемой поверхности от 10 до 30 С, отношение сигнал шум 6дБ и скорость ветра не более 3 м/с.
Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием математического аппарата при построении аналитических выражений, отсутствием противоречий между полученными результатами и выводами исследований, описанных в научной литературе, экспериментальной проверкой теплового метода на метрологически поверенной аппаратуре с погрешностью не более 10 %.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработаны и внедрены на предприятиях железнодорожного транс
порта способ и программно-аппаратные средства, обеспечивающие тепловой
неразрушающий контроль технического состояния железнодорожных цистерн,
включающие обнаружение сквозных дефектов и оценку их характеристик в
условиях вагоноремонтного депо при нагружении цистерны давлением.
-
Разработан и обоснован метод выбора параметров аппаратуры для дистанционной регистрации пространственного распределения тепловых полей из условия достоверного обнаружения аномальных участков температуры, наибольшей производительности и технологичности контроля. Показано, что разработанный способ контроля позволяет использовать серийную аппаратуру дистанционной регистрации температурных полей.
-
Применение разработанной методики теплового неразрушающего контроля железнодорожных цистерн позволяет повысить производительность контроля по
сравнению с ранее применявшимися методиками в 1,5 – 2 раза, а также проводить оценку эквивалентных размеров сквозных дефектов для определения вида ремонта.
4. Разработанные программно-аппаратные средства и методика теплового не-разрушающего контроля технического состояния железнодорожных цистерн и их отдельные блоки нашли применение в процессе подготовки специалистов в области железнодорожного транспорта.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты расчета градиента температуры в зоне сквозного дефекта при истечении из него сжатого воздуха под давлением, доказывающие эффективность применения тепловых методов контроля.
-
Результаты математического моделирования процессов истечения сжатого воздуха через течи различной геометрической формы.
-
Способ активного теплового контроля герметичности крупногабаритного сосуда, основанный на формировании и анализе температурных аномалий, вызванных эффектом Джоуля-Томсона при протекании газа через сквозной дефект.
-
Методика теплового контроля технического состояния железнодорожных цистерн в условиях вагоноремонтного депо.
Личный вклад соискателя. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач, методология их решения, разработка и реализация способа теплового контроля железнодорожных цистерн разработаны и получены автором самостоятельно.
Апробация диссертационной работы.
Работа прошла апробацию на Всероссийской научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес», посвященной Дню Радио (г. Омск 2013, 2015 гг.), на IV Всероссийской международной конференции «Ресурсоэф-фективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (г. Томск 2015 г.), на VI Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» (г. Омск 2015 г.).
Публикации.
Содержание работы изложено в 13-ти работах, в т.ч. в 3-х работах, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК и в патенте на изобретение способа теплового контроля.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы (111 наименований). Выполнена на 159 машинописных листах, содержит 78 рисунков, 13 таблиц.
Характерные неисправности, причины и способы их устранения
Перевозка грузов характеризуется привлечением больших производственных мощностей изготовления и ремонта всего спектра подвижного состава. Преимущество применения цистерн для перевозки широкой номенклатуры наливных, пылевых, затвердевающих грузов и газов очевидны, при этом сокращается время на техническую и коммерческую обработку состава, совершенствуется механизм погрузочно-разгрузочных работ, обеспечивается большая по сравнению с другими видами подвижного состава безопасность транспортировки агрессивных, токсичных, ядовитых грузов, улучшаются экологические характеристики транспортно-технического процесса [1, 8].
Для поддержания вагонов в постоянном исправном состоянии на железных дорогах в соответствии с [1 – 8] нашла применение планово-предупредительная система ремонта, в основу которой положены следующие принципы: а) периодичность ремонта, установленная в плановом порядке, опреде ление объема работ для восстановления работоспособности вагона по видам периодических ремонтов; б) установление продолжительности межремонтного периода в ре монтном цикле в зависимости от типа вагона и условий его работы; в) организация межремонтного технического обслуживания вагонов, при котором наряду с техническими мероприятиями (очистка, пропарка, смазка, регулировка) проводится нетрудоемкий ремонт (замена легкодоступ ных деталей, устранение мелких повреждений и ремонт некоторых быстро изнашивающихся деталей); г) периодическое освидетельствование, ревизия и проверка на точ ность, для выявления состояния узлов и агрегатов вагона. Наряду с известными преимуществами эта система имеет и недостатки. Главный из которых заключается в том, что она является по существу разомкнутой системой управления и строится на базе среднестатистического подхода к выполнению определенного перечня работ. Вместе с тем, как показывает практика, необходимость во многих из них, вследствие существенного различия эксплуатации, может и не возникать. Так, анализ износов деталей, поступающих в деповской ремонт вагонов показывает, что более половины их направляется в ремонт преждевременно, с недоиспользованным от 25 – 95 процентов ресурсом. Необоснованная же разборка и сборка узлов зачастую снижают их работоспособность на 10 – 12 процентов, требует излишних затрат труда и средств [8 – 17].
Парк цистерн отличается большим разнообразием и перевозит различные по своим свойствам грузы. В зависимости от особенностей перевозимых грузов, степени их опасности для людей и окружающей среды, цистерны различают по маркам материала котлов, их размерам и конструктивным особенностям, а также по устройству приборов для налива и слива груза [4 – 8].
Цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов называются цистернами общего назначения. Также их можно разделить на цистерны для перевозки светлых и вязких нефтепродуктов, технические характеристики в соответствии с [1, 4, 8] представлены в таблице 1.1.
Внутренний диаметр котла, м 3 3,2 3 3,2 Габарит по ГОСТ 9238 02-ВМ 02-ВМ 02-ВМ 1-Т 02-ВМ Среди специализированных цистерн наиболее распространены цистерны для перевозки газов, кислот и пищевых продуктов.
Цистерны с неопасными грузами имеют верхний (открытый) способ заливки и нижний слив. Если утечка грузов наносит значительный ущерб окружающей среде, применяют верхний (закрытый) способ загрузки и выгрузки. Также специализированные цистерны могут иметь дополнительные устройства такие, как: подогревательный кожух, термоизоляцию, тепловую защиту и трубчатые электронагреватели.
Важнейшим отличием цистерн нового поколения является статистическая нагрузка при перевозке светлых нефтепродуктов, высокая экологическая и пожарная безопасность. Для этого предусматривается разработка систем герметичной погрузки-выгрузки, защита котла от пробоя и повышение огнестойкости в случае пожара. В этом случае цистерны будут иметь следующее конструктивное исполнение: с котлом из низколегированной стали с внутренним покрытием и без него, с котлом из нержавеющей стали, из алюминиевых сплавов и стеклопластика, с нижним и верхним сливом груза, с разгрузкой методом передавливания, с герметизацией разгрузочных устройств от попадания паров в атмосферу, с наружным и внутренним обогревом и с электрообогревом, с теплоизоляцией из стекломатериалов и пенополиуретана, теневой защитой [4].
Цистерна (рисунок 1.1) состоит из следующих основных частей: рамы 7, ходовой части 6, ударно-тяговых приборов 5, тормозного оборудования 8, котла 4, внутренней 3 и наружной 10 лестниц, крепления котла к раме 11, устройств загрузки 1 и выгрузки 9, предохранительной арматуры 2 [1].
Математическое моделирование теплообменных процессов на внешней поверхности тела котла
Для определения интеграла, находящегося в правой части выражения (2.8), требуется определить связь между изменением давления и объема истекающего газа. Для этого необходимо учитывать термодинамические процессы, происходящие в газе при истечении.
Так как процесс истечения происходит мгновенно, что исключает внешний теплообмен газа, то процесс считается адиабатным, следовательно:
Следовательно, выражение по определению работы, направленной на увеличение кинетической энергии потока газа при его адиабатическом расширении, имеет вид: dP d2
Полученное выражение по определению скорости движения газа (2.17) характеризует максимальную скорость потока с учетом сил трения, вектор которой расположен на оси канала (рисунок 2.8).
Профили скоростей при ламинарном и турбулентном ре жимах течения Ламинарный профиль скорости характеризуется параболоидом второй степени, вершина которого имеет значение максимальной скорости, расположенной на оси канала. Этот режим связан с равномерным движением газа в виде слоев, при этом перемешивание элементарных струек отсутствует. В общем случае скорость в каждой точке сечения канала определяется по дифференциальному выражению [42 – 56]: 1—2 площадь сечения элементарной кольцевой струйки, которую можно охарактеризовать как окружность ограниченную радиусом гЭКВ и гЭКВ + drЭКВ. В этом случае dS = 2nrЭКВdrЭКВ. Подставляя скорость ламинарного режима течения определенную по выражению (2.18) и dS в выражение расхода (2.19), получим: Q= J v 27vrЭКВdrЭКВ. (2.20) С учетом геометрических особенностей рассматриваемых профилей течей выведем для каждого выражения объемного расхода: для цилиндрического канала:
При турбулентном режиме течения, в отличие от ламинарного, элементарные струйки перемешиваются, вследствие чего турбулентный поток является неустановившимся. Однако, если усреднить параметр потока в какой-либо точке, то осредненные значения будут постоянны для данного места потока.
Сравнивая профили скоростей при различных режимах движения газа видны значительные отличия (рисунок 2.8). Так профиль турбулентного режима сильно отличается от параболического профиля скоростей ламинарного течения. Как показывают опыты [46 - 48], турбулентный поток состоит из двух частей: ламинарного подслоя, который характеризует движение газа при поверхности канала и турбулентного ядра.
Скорость в ламинарном подслое возрастает по линейному закону от нуля на стенке и до скорости турбулентного ядра на границе подслоя. В свою очередь профиль скорости турбулентного ядра определяется логарифмическим законом Прандтля [43]: где и - осредненное значение скорости потока, (м/с); х - число Кармана; г - анализируемая координата профиля потока, (м); v - кинематическая вязкость газа, (м2/с).
С расчетной точки зрения во многих случаях применяют эмпирические формулы степенных профилей скорости [38, 39]. Логарифмический профиль скорости по выражению (2.23) является огибающей семейства степенных профилей: Г где n - показатель степени, зависящий от числа Re и шероховатости поверхности канала, вычисляется по выражению:
Как видно из выражения (2.25), показатель степени n должен уменьшаться с ростом числа Re, поскольку коэффициент трения уменьшается. Но если на значение коэффициента оказывает влияние и шероховатость, третья область турбулентного течения (таблица 2.1), то показатель n остается почти постоян-1 ным. Обычно принимают показатель степени профиля равным [43 – 45]. Для обобщенного описания скорости движения элементарных струек по профилю канала течи запишем выражение осреднённой скорости турбулентного течения в дифференциальном виде: Используя осредненную скорость турбулентного режима течения (2.24), объемный расход газа через течь, с учетом выражения (2.19) определяется: ЭКВ В ходе описания физических процессов, происходящих при истечении газа сквозь течь, получены эмпирические зависимости, характеризующие законы распределения скорости при ламинарном (2.18) и турбулентном (2.24) течениях. Также получены зависимости, описывающие объемный расход газа для классических каналов течей в зависимости от вида движения газа, выражения (2.21, 2.22) при ламинарном движении и (2.28, 2.29) при турбулентном движении газа.
Процесс теплообмена между газом и твердым телом при их непосредственном соприкосновении характеризуется понятием конвекционного теплообмена. Такой процесс описывается одновременным действием теплопроводности и конвекции. Совокупное действие последних и называется конвекционным теплообменом или теплоотдачей [44, 58, 59].
Явление теплопроводности в газах так же, как и в твёрдых телах, определяется градиентом температуры и коэффициентом теплопроводности, такое явление описывается законом Фурье [61 - 73]:
Разработка требований к методике и оснастке теплового контроля технического состояния котлов железнодорожных цистерн
Максимальное значение скорости потока достигается на выходе из течи, 9 мм – для цилиндрического дефекта 336,7 м/с и для щелевого – 354,2 м/с. При этом наблюдается незначительное влияние формы канала на скорость истечения. При щелевом канале струйки потока, находящиеся на оси, испытывают меньшее сопротивление за счёт большего отдаления от стенок течи, нежели в цилиндрическом канале, в результате чего скорость истечения у щелевого дефекта выше примерно на 18 м/с.
Анализ данных рисунка 2.15 показал, что увеличение скорости истечения газа пропорционально величине перепада давления. При этом поток газа даже при такой малой длине пройденного пути (канала течи) получает дополнительное ускорение за счёт разгона частиц и отрыва потока газа от стенок течи, так называемое сужение струи.
Спроецировав среднюю скорость потока газа на плоскость оси Y (рисунок 2.16), получим траектории смещения элементарных струек в потоке по длине канала течи. а) распределение потока газа по каналу; б) проекция скорости потока на ось Y
Из рисунка 2.16 видно, что при входе в течь происходит равномерное распределение частиц в струйке, как при ламинарном режиме течения, рисунок 2.16 а, но, преодолев треть длины канала, энергия потока возрастает, что ускоряет частицы, заставляя отклоняться их от заданной траектории, как результат перемешивая струйки в потоке, рисунок 2.16 б. А в области выходного отверстия происходит резкое возрастание скорости для преодоления сил трения, возникающих при выходе потока газа в атмосферу, и как результат сужение потока у кромок течи.
В результате такого истечения внутренняя энергия газа не успевает расходоваться полностью, спад давления по длине канала характеризуется плавным уменьшением (рисунок 2.14). При этом в области выходного отверстия давление отлично от давления окружающей среды и для того, чтобы уравновесить систему при резком расширении объема истекающего газа происходит потеря внутренней энергии потока на понижение температуры истекающего газа. Такое понижение происходит по всему объему канала, на рисунке 2.17 изображены зависимости температуры потока газа от длины канала. а) цилиндрический канал; б) щелевой канал
Изменение температуры истекающего газа (рисунок 2.17) наблюдается по всей длине течи, это связано с резким изменением объема и постепенным перепадом давления. В результате чего при перепаде давления 0,5 МПа температура потока газа уменьшается до 247,7K (минус 25,3С) на оси канала.
Сравнение двух разных типов дефектов позволяет определить значение критического перепада давления истекающего газа, дальнейшее повышение давления газа в сосуде бессмысленно, так как максимальный уровень контраста температур достигнут и дальнейшее изменение температуры незначительно. Так для истечения газа через сквозные дефекты критический перепад давления составляет 0,2 МПа (рисунок 2.17), что полностью подтверждает теоретические расчеты, выражение (2.55).
Результатом проведения контроля герметичности котла железнодорожной цистерны является своевременное обнаружение сквозных дефектов и определение их геометрических размеров. Проводя описание процессов истечения, необходимо учесть влияние поперечного размера (ширины раскрытия) дефекта на формирования потока и как результат градиента температуры.
Рассмотрим особенности движения газа под давлением в зависимости от геометрического размера сквозного канала. При этом в качестве начальных условий будем использовать перепад давлений равный критическому уровню (0.2 МПа) при температуре газа на входе в канал 293 К. Для оценки изменения характеристик потока истекающего газа введем безразмерный параметр относительного диаметра сквозного дефекта (канала):
При увеличении относительного диаметра канала, более 0,3, резкое расширение газа начинается на нулевой отметке (на входе в канал). Это иллюстрируется падением критического давления на входе и плавным умень 71 шением давления по оставшейся длине канала (рисунок 2.18). Для случаев, когда относительный диаметр не превышает значения 0,3 резкое расширение газа проявляется только при приближении потока к выходу канала. Даже при таком истечении в выходном сечении канала наблюдается уровень давления, превышающий атмосферное давление ( PАТМ ). В этом случае избыточная энергия растрачивается на ускорение потока до критических значений – скорости звука, рисунок 2.19.
Как уже отмечалось ранее связь между уровнем давления и скоростью потока газа обратная, поэтому увеличение скорости до местной скорости звука характеризуется превышением критических значений давления. При этом в результате анализа распределения вектора скорости можно сделать вывод, что при больших значениях относительного диаметра, более 0.3, наблюдается достижение скорости звука во входном сечении канала. Малый диаметр течи характеризуется плавным экспоненциальным ростом вектора скорости с достижением максимального значения в выходном сечении (рисунок 2.19). В свою очередь при такой закономерности формирования скорости потока газа резкого охлаждения не происходит (рисунок 2.20).
Охлаждение потока зафиксировано при приближении его к выходному сечению канала. Для каналов, относительный диаметр которых не превышает значение 0.3, охлаждение составляет порядка 20 К, а при AD более 0.3 поток газа охлаждается на 10 К. Дальнейшее увеличение относительного диаметра может привести к отсутствию охлаждения потока газа и как результат градиент температуры не образуется. Такие сквозные дефекты будут иметь площадь раскрытия более 65 мм2 и легко обнаруживаются при проведении осмотра поверхностей котла цистерны.
Сравнение результатов моделирования и теоретических расчетов по предложенным математическим выражениям в выходном сечении канала представлены в таблицах 2.3 и 2.4 для скорости и температуры потока газа соответственно.
Методика проведения экспериментальных исследований технического состояния железнодорожных цистерн
Подготовительные операции являются неотъемлемой частью любого вида неразрушающего контроля, так как позволяют подготовить аппаратуру и объект контроля к испытаниям.
Алгоритм проведения с пошаговым изложением подготовительных операций представлен на рисунке 3.2. Согласно приведенному алгоритму, подготовительные операции можно разделить на четыре этапа, а именно: 1) изучение объекта контроля; 2) подготовка теплочувствительного оборудования к контролю; 3) определение теплофизических характеристик окружающей среды; 4) введение объекта в режим контроля. Такая последовательность операций обусловлена достижением высокого уровня достоверности проводимого контроля и исключением мешающих факторов на уровень чувствительности.
Цистерны в вагоноремонтное депо приходят в пустом виде, предварительно прошедшие очистку и пропарку. Очистка котлов цистерн от остатков перевозимых веществ осуществляется на специализированных промывочно-пропарочных станциях. В результате такой очистки и дегазации котла выдается документ о допуске его к ремонту.
Прежде чем проводить контроль, котел необходимо осмотреть и изучить его технические документы. Это делается для того, чтобы выявить зоны повышенного дефектообразования. При этом во время проведения осмотра следует удалить с поверхности котла остатки перевозимых веществ и дефекты, видимые глазом: коррозия, окалина, облупившаяся краска и т.д. Загрязнение поверхности может привести к снижению уровня чувствительности за счет различных коэффициентов теплопроводности.
Выбор оптимального рабочего местоположения теплочувствительной аппаратуры, исключающего воздействие мешающих факторов на чувствительность контроля Измерение дополнительных теплофизических характеристик окружающей среды и объекта контроля Проверка соответствия необходимым параметрам поверхности объекта контроля Скорость и направление ветра, атмосферное давление, температура и влажность воздуха окружающей среды, температура поверхности котла цистерны, - солнечная радиация. Съемка поверхности котла с целью определения коэффициента излучения Введение объекта в режим контроля – подача сжатого воздуха Снять предохранительно-впускной клапан Открыть заглушку и клапан универсального сливного прибора Клапан и заглушку универсального сливного прибора и люк плотно закрыть Закрыть люк и предохранительно-впускной клапан Надеть устройство для подачи сжатого воздуха на патрубок предохранительно-впускного клапана Надеть устройство для подачи сжатого воздуха на патрубок сливного прибора Провести опрессовку котла цистерны давлением воздуха не более 0,2 МПа в течении не менее 10 минут Конец подготовительных операций
В случае обнаружения дефекта во время осмотра необходимо произвести ремонт котла. При этом вид ремонта характеризуется размером дефекта. Если обнаружен поверхностный дефект, то его удаляют путем зачистки поверхности.
Если обнаружен сквозной дефект (например, трещина) длиной до 100 мм, то согласно [6, 24 – 30] ремонт проводится с использованием сварки. Для этого производится высверливание дефекта по всей длине и его заварка.
Если длина обнаруженного дефекта не превышает 500 мм, то такой дефект устраняют с использованием дополнительной накладки. При этом дефект также высверливается по всей длине, заваривается, а сверху на поверхность котла наваривается накладка из металлического листа толщиной не менее 4 мм.
Котлы, имеющие сквозной дефект, длина которого более 500 мм отправляются на капитальный ремонт, где предусмотрена замена броневого листа.
Для создания герметичности контролируемого котла необходимо, чтобы запорные механизмы люка и универсального сливного прибора были в исправном состоянии. Если во время осмотра котла обнаружены неисправности запорных механизмов, необходимо произвести их ремонт.
Также одной из важнейших подготовительных операций является настройка и проверка работоспособности используемой теплочувствитель-ной аппаратуры. Подготовка аппаратуры начинается с непосредственного осмотра целостности корпуса и линзы устройства. Далее необходимо проверить уровень заряда основной и дополнительной аккумуляторных батарей, и носителей памяти устройства. Эти операции выполняются для своевременного предупреждения отказа устройства.
Для повышения уровней достоверности и чувствительности используемого метода следующим этапом подготовительных операций является контрольные измерения параметров окружающей среды, а именно: атмосферное давление, влажность и температуру воздуха окружающей среды, направления и сила (скорость) ветра, при необходимости уровень солнечной радиации. Данные характеристики окружающей среды влияют на чувствитель 103 ность аппаратуры, а их количественные значения используются при расчете браковочной чувствительности и размеров дефекта.
Введение котла цистерны в режим контроля заключается в подаче в него сжатого воздуха. Так как рассматриваемый способ теплового контроля является активным методом, то согласно [3] подача газа под давлением в котел используется как тепловая стимуляция сквозных дефектов. При этом воздух из центральной пневмомагистрали депо в котел может подаваться двумя способами:
1) через патрубок предохранительно-впускного клапана, который рас положен на верхнем листе котла около люка. Для этого предохранительно впускной клапан снимают, закрывают. Далее на освобожденный от клапана патрубок наде вают специальное устройство для подачи воздуха в котел. Давление воздуха в последнем заглушку универсального сливного прибора и люк плотно должно составлять не более 0,2 МПа.
2) через патрубок универсального сливного прибора. Для этого за глушку и клапан универсального сливного прибора открывают, а люк закры вают. На патрубок сливного прибора надевают специальное устройство для подачи воздуха в котел. А для достаточной степени охлаждения берегов течи необходимо произвести опрессовку газа в течение 10 минут. Этого времени достаточно для обнаружения градиента температуры на поверхности котла дефектов, имеющих длину от 3 мм и более [80 – 85].
По завершении подготовительных операций производится контроль, который заключается в последовательном сканировании поверхности котла теплочувствительным оборудованием, например, тепловизором. Алгоритм проведения операций контроля приведен на рисунке 3.3.