Введение
Клапаны – ключевые элементы управления трубопроводными системами. Они контролируют движение рабочей среды, выполняя четыре основные функции:
- открытие/закрытие,
- регулирование,
- изоляцию и направление потока.
При незначительных внутренних утечках нарушается технологический режим и возникают потери энергии, а при крупных утечках возрастает риск пожаров, взрывов, выбросов токсичных веществ и загрязнения окружающей среды.
Мы разработали приложение для диагностики утечек в затворах клапанов, исходя из трёх ключевых требований заказчиков:
- снижение пропусков и ложных срабатываний,
- повышение точности локализации,
- более надежная оценка расхода утечки.
Решением этих задач стал стандартизированный и прослеживаемый рабочий процесс, объединяющий измерения, анализ и получение результатов в полный цикл диагностики на объекте.
Основные причины утечек в затворах клапанов
Причины внутренних утечек клапанов делятся на четыре основные группы:
Естественный износ. Частое открытие и закрытие клапана постепенно изнашивает уплотнения; эрозионное и абразивное воздействие потока рабочей среды также ухудшает прилегание уплотнительных поверхностей.
Свойства рабочей среды. Сернистые соединения и аналогичные компоненты вызывают электрохимическую коррозию. Остаточные загрязнения, такие как песок и другие абразивные частицы, ускоряют износ и царапают уплотнительные поверхности, что приводит к нарушению герметичности.
Ошибки эксплуатации и обслуживания. Использование запорного клапана в режиме дросселирования, отсутствие регулярной очистки и профилактического обслуживания, некачественный ремонт либо неправильная эксплуатация повреждают уплотнительные поверхности или препятствуют полному закрытию.
Нарушения монтажа и условий хранения. Хранение на открытом воздухе под воздействием осадков, попадание грязи и песка, остатки абразива после пескоструйной очистки и загрязнения, возникающие при монтажных работах, приводят к повреждению уплотнительных поверхностей клапана и вызывают внутренние утечки.
Рис. 1. Схема утечки в затворе клапана
Если при закрытом клапане уплотнительные поверхности не прилегают полностью, рабочая среда проходит через мелкие зазоры под действием перепада давления в область низкого давления, образуя высокоскоростные микроструи и турбулентный поток. Утечка сопровождается характерными признаками, включая звук/ультразвук, вибрацию, аномальное поведение давления, температурные отклонения или обледенение.
Рис. 2. Признаки утечки в затворе клапана
Почему метод контактной регистрации ультразвука эффективен при поиске внутренних утечек
При нарушении герметичности внутри клапана среда под высоким напором проходит через микрозазоры на уплотнительных поверхностях, создавая турбулентный поток, который генерирует высокочастотные ультразвуковые сигналы в диапазоне 20–100 кГц. Интенсивность сигнала, как правило, прямо пропорциональна расходу утечки: чем больше утечка, тем выше амплитуда.
Ультразвуковые сигналы регистрируют контактным методом в нескольких точках до клапана, на корпусе клапана и после него; далее алгоритмы выделения и анализа признаков сигнала обнаруживают и локализуют внутреннюю утечку.
Недостатки традиционных методов обнаружения утечек:
- Методы на основе измерения температуры сильно зависят от теплопередачи и плохо подходят для количественной оценки;
- Испытания на удержание давления занимают много времени и неточно определяют место утечки;
- Прослушивание неэффективно, приводит к пропускам утечек, ложным обнаружениям и в значительной степени зависит от опыта специалиста.
Именно поэтому было разработано приложение Crysound: обнаружение утечек, ранее основанное на субъективном опыте, превращено в стандартизированный рабочий процесс с использованием акустических методов и анализа данных.
Рис. 3. Акустическая камера CRY8124 с контактным ультразвуковым датчиком IA3104
Рабочий процесс поиска утечек и основные возможности метода
Стандартизированный рабочий процесс: пошаговые инспекции с подсказками
Приложение для поиска внутренних утечек Crysound предлагает стандартизированный рабочий процесс с наглядной визуализацией. Оператор следует экранным подсказкам, последовательно устанавливает контактный ультразвуковой датчик в нескольких точках измерения и нажимает «Test». Результаты отображаются на экране, а система автоматически обнаруживает внутреннюю утечку по завершении инспекции.
Рис. 4. Интерфейс приложения
В программном обеспечении предусмотрен стандартизированный ввод параметров: идентификатора, типа и размера клапана, типа среды и перепада давления. Это облегчает сопоставление результатов инспекций на одной установке, между сменами и операторами, делая повторные проверки и отслеживание изменений более согласованными.
Рис. 5. Интерфейс приложения
Интеллектуальный подход: автоматическая диагностика и оценка расхода утечки
Мы предложили два ключевых улучшения процесса обнаружения:
- Система анализирует уровень звукового давления и признаки ультразвукового сигнала в каждой точке измерения. Алгоритмы обработки данных снижают зависимость от субъективной интерпретации.
- Встроенные ИИ-алгоритмы количественно оценивают расход утечки на основе параметров ультразвукового сигнала, зарегистрированного в точках измерения. Полученные данные служат ориентиром при принятии решений по ремонту и обслуживанию.
Основная идея, которую мы предлагаем, заключается в уменьшении влияния субъективного опыта: пропуски дефектов и ложные обнаружения становится проще контролировать, особенно на объектах с разветвлённой системой трубопроводов и множеством клапанов.
Области применения метода
Нефтяная промышленность
Оптимизация обнаружения утечек в затворах клапанов трубопроводов сырой нефти, нефтепродуктов и систем технологического газа высокого давления.
Природный газ
Неинвазивная проверка герметичности клапанов газопроводов на газоперерабатывающих и газораспределительных станциях без длительных простоев.
Химическая промышленность
Обнаружение утечек клапанов в магистральных паропроводах, установках парового крекинга и котельных системах без необходимости остановки системы.
Фармацевтическая промышленность
Выявление утечек в паровых системах, системах очистки CIP/SIP и трубопроводах для перекачки растворителей или активных фармацевтических ингредиентов для уменьшения остатков материала и сокращения затрат на очистку.
Пример из практики
Инспекция газовых систем углехимического предприятия Внутренней Монголии, Китай
Рассмотрим реальный пример обнаружения внутренних утечек клапанов на углехимическом предприятии. В системах топливного и генераторного газа утечки возникают при нарушении герметичности. При этом газ проникает через клапан, а персонал в рабочей зоне подвергается воздействию CO и серосодержащих кислотных газов, что повышает риск отравления, пожара или взрыва.
Метод контактной регистрации ультразвука применили для проверки подозрительных клапанов: утечки быстро локализовали и оценили их расход. При контроле герметичности инспекторы перешли от субъективных оценок к регистрации и анализу измеряемых данных.
Благодаря ультразвуковому методу
- были расставлены приоритеты ремонта,
- снижены риски ошибочных оценок,
- повышена безопасность обслуживания и стабильность работы оборудования.
Рис. 6. Поиск утечки
Клапан №1
Тип клапана: перепускной клапан (дисковый затвор).
Результат: 19,8 л/мин.
Среда / давление: топливный газ (H₂, CO, CH₄), 3 МПа.
Рис. 7. Результаты инспекции
Клапан №2
Тип клапана: пробковый кран.
Результат: 1,7 л/мин.
Среда / давление: генераторный газ (преимущественно CO), 2,5 МПа.
Рис. 8. Результаты инспекции
Методика поиска утечек: воспроизводимые измерения в 5 точках
Подтверждение рабочего состояния
Убедитесь в наличии перепада давления и по возможности изолируйте мешающие ответвления.
Ключевые шаги
- Закройте проверяемый клапан.
- Откройте клапаны до и после контролируемого участка.
- Подтвердите по манометрам перепад давления до и после клапана и убедитесь, что ΔP > 0,1 МПа.
Ориентируйтесь на рисунок ниже.
- При проверке на утечку клапана A: откройте клапаны B и C, закройте клапаны A и D.
- При проверке на утечку клапана B: откройте клапаны A и C, закройте клапаны B и D.
Рис. 9. Расположение клапанов
Выбор точек измерения (MP1–MP5)
Последовательность измерений: участок до клапана → запорный элемент → участок после клапана.
MP3: в зоне затвора клапана.
MP2: на расстоянии 1–2 диаметров трубопровода (D) до клапана.
MP1: до клапана на расстоянии 2–3D от MP2. В ограниченном пространстве расстояние MP1–MP2 допускается уменьшить до 0,5D.
MP4: на расстоянии 1D после клапана.
MP5: после клапана на расстоянии 1–2D от MP4 (рекомендуется выбирать точку на стенке трубы сразу за фланцем клапана). В ограниченном пространстве расстояние MP5–MP4 допускается уменьшить до 0,5D.
D = диаметр трубопровода
Рис. 10. Схема расположения точек измерения
Примечание: для небольших резьбовых клапанов без фланцев расстояние между точками измерения должно составлять не менее трех диаметров трубы (3D).
Рис. 11. Схема расположения точек измерения на небольшом клапане
Часто задаваемые вопросы
Мы собрали типичные вопросы по обнаружению внутренних утечек клапанов. Ответы помогут разобраться в применении метода и подобрать эффективное решение для конкретных задач.
- для низких температур (ниже −20 °C) и высоких температур (выше 50 °C) — игольчатый контактный датчик;
- для диапазона от −20 °C до 50 °C — керамический контактный датчик.
- задвижки
- пробковые краны
- запорно-регулирующие клапаны
- шаровые краны
- обратные клапаны
- дисковые затворы
- игольчатые клапаны
- предохранительные клапаны
- пережимные клапаны.
