Рис. 13.1. Схема контроля герметичности с помощью вакуумной камеры: 1 - вакуумметр, 2 - трехходовой кран (в двух положениях), 3 - оргстекло, 4 - металлическая рамка, 5 - губчатая резина-уплотнитель, 6 - контролируемое сварное соединение, 7 - пленка пенообразующего вещества.

Масс-спектрометрический метод
Метод основан на создании повышенного парциального давле­ния пробного вещества (газа) в смеси веществ с одной стороны по­верхности объекта контроля и отбора проникающего через течи пробного вещества с другой стороны для масс-спектрометрического анализа на присутствие молекул пробного газа. Анализ осуществля­ется путем ионизации пробного вещества с последующим разделени­ем ионов по отношению их массы к заряду под действием электри­ческого и магнитного полей. Основные требования по проведению масс-спектрометрического неразрушающего контроля регламентиро­ваны ГОСТ 28517-80.
Благодаря серийному выпуску масс-спектрометрических течеискателей метод нашел широкое применение в практике промышлен­ных испытаний. Метод позволяет помимо качественной оценки про­вести количественные измерения газового потока через течь с точно­стью до 10 %. Вместе с тем этот метод технически сложен, требует вакуума и по возможности его заменяют более простыми методами.
Масс-спектрометрический течеискатель состоит из трех основ­ных частей: масс-спектрометрической камеры с магнитом, вакуум­ной системы и электрических блоков питания и измерения. Своей вакуумной частью он может присоединяться к самому объекту или к щупу в зависимости от выбранной схемы контроля.

ГОСТ 28517-80 предусматривает восемь схем реализации масс-спектрометрического метода течеискания

Наиболее эффективный и удобный метод обнаружения течей реализуется с помощью щупа, соединенного вакуумным резиновым шлангом с течеискателем. При методе обдувки пробным газом на­ружной поверхности изделия из него откачивается воздух до получе­ния давления  10-5…10-8 МПа и изделие соединяется с вакуумной ча­стью течеискателя.
Применяют также метод специальной камеры, который состоит в том, что на испытуемый участок изделия устанавливают герметичную камеру-муфту, соединенную с системой откачки и течеискателем. Воз­дух из камеры и изделия одновременно откачивают до необходимого вакуума. Затем в изделие под давлением подается пробный газ и после выдержки (не менее 3 мин) производится контроль. Этим методом контролируют течи трубопроводов и изделий небольшого диаметра.
В качестве пробного газа обычно используют гелий. Он обладает малой молекулярной массой и хорошо проникает через малые течи. Гелий химически инертен, дешев и безопасен в применении. В атмосферном воздухе он содержится в весьма малых количествах (10-4 %), поэтому фоновые эффекты при работе с ним сказываются значительно меньше, чем при применении других веществ. Кроме того, по соотношению массы иона к его заряду (т/e) гелий очень сильно (на 25 %) отличается от ближайших ионов других газов, что облегчает его обнаружение и выполнение измерений. Поэтому масс-спектрометрические течеискатели часто называют гелиевыми.
Схема масс-спектрометрической камеры течеискателя приведена на рис. 13.2 [3, 4].

Рис. 13.2 Принципиальная схема масс-спектрометрической камеры течеискателя:
1 — накальный катод; 2 — камера ионизатора; 3, 4 — выходные диафрагмы; 5 — входная диафрагма; 6 — коллектор ионов

Газы, подлежащие анализу, из испытываемого объ­екта или от щупа поступают в камеру ионизатора. От накального ка­тода в камеру, находящуюся относительно катода под положительным зарядом, направляется пучок отрицательно заряженных элек­тронов, которые, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их. Фокусировка электронов при этом осуществляется магнитным по­лем напряженностью H1,. Из образовавшихся в камере ионов с по­мощью диафрагмы формируется ионный пучок, который разгоняет­ся благодаря разности потенциалов U0 между диафрагмами 3 и 4.

Диафрагма 4 при этом электрически соединена с катодом и заря­жена отрицательно относительно диафрагмы 3. Ионы пучка разгоня­ются до одинаковой энергии 8, которая определяется по формуле:

откуда

где v — скорость ионов; е -заряд иона; m — масса иона.
Учитывая, что масса ионов различных компонентов анализируе­мого газа неодинакова, скорость ионов разных элементов также будет различаться. Далее ионы попадают в спектральную камеру, в которой действует магнитное поле напряженностью H, направленное перпен­дикулярно движению ионов. Под действием силы Лоренца, направление которой определяется по правилу левой руки, ионы бу­дут перемещаться по траекториям в виде окружности радиусом R, а сама Fл при этом будет уравновешиваться центробежной силой.
Отсюда

Выразив R и подставив v, получим

Так как радиус траектории R зависит от отношения m/е, в спек­тральной камере ионный пучок разделяется на ряд пучков, соответ­ствующих фиксированным значениям массовых чисел (m 1 m 2…mi) Выделив пучок ионов пробного газа (гелия) диафрагмой и рас­положив за ней коллектор ионов, производят измерения интенсив­ности этого пучка и, соответственно, интенсивность течи (Вт).
Проведение течеискания масс-спекрометрическим методом включает следующие этапы: определение порога чувствительности аппаратуры и течеискания; подача пробного газа на (в) контроли­руемый объект; определение степени негерметичности объекта и (или) места течи; обработка и оценка результатов течеискания. По­рог чувствительности течеискания должен контролироваться по ка­либрованным течам перед началом испытаний и в процессе их проведения в соответствии с технической документацией, утвер­жденной в установленном порядке.

Галогенный и катарометрический методы
Галогенный метод течеискания основан на свойстве нагретой поверхности чувствительного элемента, изготовленного из платины или из никеля, резко увеличивать эмиссию положительных ионов при наличии в пробном газе, проникающем через сквозные дефекты контролируемого объекта, галогенов или галогеносодержащих веществ. На этом свойстве построен галогенный течеискатель, работа которого осуществляется следующим образом [3]: через чувствительнейший элемент течеискателя, выполняющий функции анода, прогоня­ет с помощью центробежного или вакуумного насоса анализируемый газ. Анод, нагретый до 800...900 °С, испускает ионы содержашихся в нем примесей щелочных металлов (натрия, калия). Под действием разности потенциалов между анодом и коллектором ионы движутся к коллектору. Ток анод—коллектор является измеряемой величиной в галогенном течеискателе.
Галогены способствуют процессу ионизации щелочных метал­лов, и их присутствие в пробном газе резко увеличивает ток анод-коллектор. К галогенам относятся элементы группы галоидов: фтор, хлор, бром, иод. Обычно в качестве пробного газа используют галогеносодержащие вещества: фреон (содержащий фтор), хладон, хлористый метил и др. Такие вещества относительно дешевы, без­вредны и широко применяются в промышленности и в быту (напри­мер, в бытовых холодильниках).Технология контроля галогенным течеискателем значительно проще, чем масс-спектрометрическим. Галогенный течеискатель сравнительно несложный и легкий прибор. Вместе с тем при про­ведении контроля в помещении необходима его тщательная венти­ляция из-за возникновения повышенного фона, снижающего точ­ность измерений. Недостатком метода является также возможность потери чувствительности — «отравления» анода течеискателя при попадании на него большого количества галогенов. Восстановле­ние «отравленного» анода осуществляется прокачкой через течеи­скатель большого объема чистого воздуха при повышенном накале анода.
Катарометрический метод течеискания основан на регистрации разницы в теплопроводности газа, вытекающего через сквозные от­верстия контролируемого объекта. Работающие на этом принципе течеискатели обладают высокой чувствительностью и минимальны­ми размерами. Основным элементом течеискателя является сенсор, мгновенно определяющий изменение теплопроводности газа. При включении он автоматически калибруется по воздуху. Важным отличием течеи­скателя является его искробезопасное электрическое исполнение.

Жидкостные методы течеискания
Процесс гидроиспытаний, которому подвергаются большинство работающих под давлением объектов в нефтегазохимической про­мышленности, используют одновременно как способ течеискания. Таким способом обычно удается обнаружить большие течи. Индика­ция течей осуществляется визуально или по падению манометриче­ского давления.
Для облегчения поиска течей и понижения порога чувствитель­ности в пенетрант или пробную жидкость часто добавляют люмино­форы.
К жидкостным методам течеискания с применением люминофо­ров относятся люминесцентно-гидравлический и гидравлический с люминесцентным покрытием. Оба метода реализуются одновремен­но с испытанием объекта контроля на прочность гидравлическим давлением. Их сущность заключается в обнаружении просочившихся или активированных водой капель люминофора при ультрафиолето­вом облучении.
Люминесцентно-гидравлический метод осуществляется с приме­нением в качестве пробного вещества раствора люминофора в воде, находящейся в испытуемом изделии под давлением. При проникно­вении пробного вещества через течи люминофор дает свечение при облучении УФС. Недостаток метода— необходимость обесцвечива­ния люминесцентного раствора перед сбросом его в канализацию.
При гидравлическом методе с люминесцентным индикаторным покрытием люминесценция при облучении УФС возбуждается в слое специального покрытия в случае проникновения в него через сквозные дефекты воды, находящейся в испытуемом объекте под давлением. Люминесцентное индикаторное покрытие содержит ве­щество, удерживающее проникающую в него воду и препятствующее ее испарению, поэтому метод требователен к влажности воздуха на участке испытаний и температуре воды, заливаемой в изделие.
Чувствительность обоих методов с применением люминофоров возрастает с увеличением давления внутри объекта.
Если гидроиспытания невозможны по технологическим причи­нам или из-за низкой прочности контролируемого объекта, для об­наружения течей применяют контроль проникающими веществами.

В соответствии с ПБ 03-605—03 контроль произво­дят с использованием пробы «мел—керосин» путем обильного сма­чивания сварных швов керосином. На противоположной стороне сварного шва, предварительно покрытого водной суспензией мела или каолина, течи, при их наличии, проявляются в виде пятен на бе­лом фоне после выдержки в течение не менее 1 ч. Метод с использованием пробы «мел—керосин» является наиболее технологичным при проверке герметичности уторного шва, соединяющего стенку днищем и представляющего наибольшие сложности для инструмен­тального контроля.

Акустический метод

Этот метод основан на индикации акустических колебаний, воз­буждаемых в контролируемом объекте, грунте или окружающей га­зовой среде (воздухе) при вытекании пробного газа или жидкости через сквозные дефекты. Молекулы пробного вещества взаимодейст­вуют со стенками сквозных дефектов объекта и генерируют в нем колебания звукового и ультразвукового диапазонов. Эти колебания фиксируются с помощью устанавливаемого на поверхности объекта ультразвукового или виброакустического датчика течеискателя, пре­образовывающего ультра звуковые колебания в электрические сигна­лы, передаваемые далее на показывающие и записывающие устрой­ства течеискателя.
В настоящее время акустические методы течеискания занимают важнейшее место в контроле герметичности трубопроводов. Наиболее совершенными являются акустические корреляционные течеискатели, датчики которых устанавливают на концах контролируемого участка трубы. Акустические колебания, возникающие при истечении техно­логической среды и регистрируемые датчиками, усиливаются и по ка­белю или радиоканалу передаются на программируемый процессор, где вычисляется их взаимная корреляционная функция.

ЛЕКЦИЯ № 14. КОНТРОЛЬ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

Контроль опасных объектов в процессе эксплуатации является обязательным требованием. Как правило, мероприятия, связанные с таким контролем, называются экспертизой промышленной безопасности.

Экспертиза промышленной безопасности (далее экспертиза) — оценка соответствия объекта экспертизы предъявляемым к нему требованиям промышленной безопасности и определение срока и условий их безопасной эксплуатации, результатом которой является заключение.

Экспертиза представляет собой комплекс методов неразрушающего контроля. Перечень методов неразрушающего контроля составляется в соответствии с нормативно-технической документацией на контролируемый объект. Как правило, состав работ по экспертизе состоит из следующего (программа работ для сосуда давления):