Detekcja wycieków przy użyciu ultradźwięków ma wiele zastosowań – od redukcji strat energii poprzez lokalizowanie wycieków różnorodnych mediów przemysłowych aż po inspekcje kontroli jakości. Kluczem do sukcesu jest zrozumienie natury ultradźwięków wytwarzanych przez przecieki. Innymi słowy ważne jest, aby umieć rozróżnić, który typ wycieku wytwarza ultradźwięki, a który nie. Efektywną identyfikację typu wycieku zapewnia technologia ultradźwiękowa.
W momencie kiedy uda się prawidłowo zrozumieć ideę badań, niektóre przypadki lokalizacji wycieków znajdujących się w trudnych położeniach i sytuacjach mogą być znacznie uproszczone.
W typowych zastosowaniach ultradźwięki służą do lokalizowania wycieków w miejscach, gdzie różnica ciśnień jest na tyle wystarczająca, aby wytworzyć turbulentny przepływ gazu przepływającego od wyższego ciśnienia panującego w instalacji do niższego ciśnienia znajdującego się po stronie przecieku. W większości przypadków każdy wyciek na poziomie poniżej 1×10-3 cm3/s nie wygeneruje odczuwalnego przepływu turbulentnego. Z tego powodu większość urządzeń ultradźwiękowych jest ograniczona do przecieków powyżej tego progu.
Jedną z zalet metody ultradźwiękowej jest to, że detekcja przecieków nie jest ograniczona do rodzaju płynu. Technologia ta jest otwarta na identyfikacje przecieków wszystkich rodzajów płynów, a nawet czasem całych systemów hydraulicznych.
W konfrontacji z potencjalnie skomplikowaną sytuacją, która polegała na zlokalizowaniu przecieków o niskiej intensywności w specjalnie zaprojektowanym wymienniku ciepła, Dan Rennert, inżynier firmy Mason Manufacturing, zdecydował się przebadać zastosowanie techniki ultradźwiękowej.
Firma Mason Manufacturing produkuje różnorodne zbiorniki ciśnieniowe oraz wymienniki ciepła przeznaczone dla przemysłu chemicznego, spożywczego oraz rolniczego. Niektórzy klienci są bardzo wymagający w odniesieniu do jakości produktów, które zamawiają. Oczekują oni od firmy Mason Manufacturing, aby dostarczali im produkty bez żadnego przecieku.
Inżynier Rennert, stosując technikę ultradźwięków, był świadom tego, że może odnieść sukces lub porażkę. Rozumiał, że narzędzia ultradźwiękowe rejestrują przepływ turbulentny i dlatego, aby stworzyć tę turbulencję, odpowiedni poziom przepływu musiał być wymuszony. W ten sposób mógł zarejestrować ewentualne wycieki. Przygotował standardowy hydrostatyczny test na wymienniku ciepła, który rzeczywiście pomógł mu zlokalizować kilka wycieków. Odczuwał jednak możliwość obecności innych wycieków o mniejszej intensywności.
Rennert rozważył możliwość przeprowadzenia testu za pomocą helu, który mógłby pomóc w zlokalizowaniu mniejszych przecieków, zamiast użycia typowej techniki ultradźwiękowej. Miał podwójne zmartwienie: wzajemna bliskość rur oraz czas potrzebny do identyfikacji przecieków. Zazwyczaj detekcja przecieków z użyciem helu jest czasochłonne ponieważ czujnik musi być uważnie przesuwany wzdłuż badanej powierzchni.
Dodatkowo istnieje ryzyko popełnienia błędu polegającego na tym, że hel wydostający się z jednej strony mógł wpłynąć na odczyt czujnika, który skanuje część sąsiednią. W tym przypadku rurki w wymienniku ciepła były blisko. Dystans pomiędzy rurkami wynosił 9,5 mm, co znacznie utrudniło identyfikację pojedynczych wycieków. Był to duży wymiennik, mający ok. 8 tys. rur znajdujących się w cylindrycznej pokrywie o średnicy ok. 4,5–4,8 m. Z pokrywy rurki wystawało kilkanaście centymetrów na zewnątrz. Czas potrzebny do manipulacji czujnikiem wokół takiej konfiguracji mógłby zająć kilka dni.
Amplifikacja wycieku płynu
Po konsultacji z firmą UE Systems Rennert zdecydował się użyć metody zwanej amplifikacją wycieku płynu. Polega ona na użyciu środka powierzchniowo czynnego z niskim napięciem powierzchniowym. Wymiennik ciepła poddany działaniu odpowiedniego ciśnienia pokryto płynem w poszczególnych sekcjach. Metoda ta jest bardzo podobna do typowego testu pęcherzykowego z jednym wyjątkiem. Użyty płyn wytwarza niskie naprężenie, tak więc powolny wyciek ukształtuje pęcherz powietrza, który natychmiast pęknie. Zjawisko to generuje wykrywalne ultradźwięki. Zastosowanie zwykłych komercyjnych płynów wykrywania wycieków o niskim natężeniu (zazwyczaj poniżej 1×10-3 cm3/s) zajmie o wiele więcej czasu, aby uformować pęcherzyk powietrza, a jeszcze więcej czasu zajmie jego pęknięcie. Dodatkowo przy nietypowej konfiguracji, takiej jak w tym przypadku, gdzie rurki rozciągają się wewnątrz pokrywy, wytworzone pęcherzyki nie będą zauważalne i dlatego wyciek będzie niezauważony.
Rozpatrywany wymiennik ciepła poddano ciśnieniu około 50 psi, a następnie badaną sekcję pokryto specjalnym płynem wzmacniającym efekt wycieku. Zazwyczaj taki płyn w momencie użycia tworzy natychmiast pęcherzyki powietrza, także należy odczekać, aż samoczynnie znikną. Następnie inż. Rennert podpiął aparaturę ultradźwiękową i przy pomocy czujnika zaczął skanować badany obiekt. Procedurę pokrywania płynem wzmacniającym efekt wycieku powtarzał kilka razy. Podczas skanowania zlokalizował wyciek, opisując go później jako charakterystyczny dźwięk „pop-pop” w odstępie jednej lub dwóch sekund.
Kiedy wizualnie nie rejestrował pęcherzyków powietrza, był w stanie potwierdzić wyciek poprzez zapis dźwięków pochodzących z innych sekcji wymiennika. Kompletne skanowanie prawie 8 tys. rurek zajęło mu 8 godzin. Zlokalizował trzy wycieki, których wcześniej nie zauważono przy użyciu testu hydrostatycznego.
Przekonany o tym, że znalazł i naprawił wszystkie wycieki, wysłał wymiennik ciepła do klienta. Byłoby to niezwykle kosztowne, jeśli okazałoby się, że w wymienniku ciepła znalazł się jakiś wyciek, który mógłby zanieczyścić cały produkt. Przy użyciu tej procedury firma Mason była w stanie dostarczyć wolny od wycieków wymiennik ciepła do bardzo usatysfakcjonowanego klienta.
Na przyszłość Rennert przewidywał użycie ultradźwięków dla dużych wymienników ciepła w celu zapewnienia właściwego dokręcenia uszczelek. Zasugerował użycie narzędzia ultradźwięków przed testem hydrostatycznym, gdyż przy tak dużych średnicach wymienników testy te wymagają bardzo dużej ilości wody.
Rennert oszacował, że to podejście pozwoli oszczędzić zużycie wody. Wypracowana przez niego procedura wymaga wprowadzenia powietrza o ciśnieniu 5 psi po dokręceniu wszystkich uszczelek, a następnie użycia metody amplifikacji wycieku płynów.
Zrozumienie ograniczeń
Każda metoda ustalająca wycieki ma swoje zalety i wady. To ciężka praca, wymagająca wiedzy o badanym obiekcie, sprawdzenia warunków oraz zrozumienia typów wycieków, które mają być zlokalizowane. Dla przykładu, czy w badanym obiekcie znajduje się płyn czy gaz, czy wyciek powstaje wolno czy szybko?
Kiedy uda się zrozumieć metody detekcyjne, inspektor musi podjąć decyzję, którą technologię należy zastosować do wykrycia poszczególnych wycieków. Wymaga to również strategii przygotowawczej, zastosowania środków ostrożności, identyfikacji i potwierdzenia wycieku. Niektóre testy wymagają przestrzegania ustalonych norm. Metoda zarządzania wyciekami musi być wprowadzona w życie tak, aby wycieki nie były tylko identyfikowane, ale również naprawiane i kontrolowane dla zapewnienia jakości.
Alan S. Bandes jest wiceprezesem firmy UE Systems
Artykuł pod redakcją Kamila Żarów
Autor: Alan S. Bandes
