Monitorowanie szczelności instalacji? Wykorzystaj ultradźwięki!

W większości zakładów przemysłowych, szczególnie w branży paliwowej i chemicznej, bardzo ważną kwestią jest monitorowanie szczelności instalacji do przesyłu cieczy i gazów. Kontrola punktów krytycznych tego typu instalacji i sprawna detekcja ewentualnych przecieków jest bardzo istotna nie tylko ze względów bezpieczeństwa – pozwala ona także na osiągnięcie znacznych oszczędności finansowych. W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania do tego celu systemów pomiarowych opartych o ultradźwiękowe urządzenia pomiarowe.

Punkty krytyczne są tymi fragmentami instalacji przemysłowych, które w największym stopniu narażone są na wystąpienie uszkodzeń, a jednocześnie ewentualne ich defekty mogą być niekorzystne dla całego procesu produkcyjnego. Miejscami takimi są również punkty, gdzie mogą występować nieszczelności. Często dzieje się to w obrębie zaworu, kołnierza, łącznika lub innych elementów, których uszkodzenia wiążą się z powstawaniem niepożądanych wycieków. Uszkodzenia tego typu spotykane są w wielu różnych obiektach produkcyjnych, a dobrym sposobem prowadzącym do skutecznego zredukowania ich liczby, jest zastosowanie pomiarów z wykorzystaniem przyrządów ultradźwiękowych.

Nie tylko w przemyśle Ultradźwiękowy detektor nieszczelności UL101 firmy CTRL (www.ctrlsys.com) wykorzystano w roku 2004 na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Posłużono się nim w celu zlokalizowania uszkodzenia systemu wentylacyjnego, który skutkował obniżaniem się ciśnienia w kabinie załogi. Przebieg tej operacji można obejrzeć na filmie umieszczonym w sieci Internet na stronie www.ctrlsys.com/library/multimedia/nasa1.php.

Dlaczego ultradźwięki?

Pomiary ultradźwiękowe mają wiele cech, dzięki którym dobrze nadają się do pomiarów kontrolnych praktycznie dowolnych instalacji do przesyłu cieczy i gazów, a także instalacji próżniowych, wypierając tradycyjnie stosowane metody. Ponieważ pomiary te charakteryzują się dużą kierunkowością, miejsce wycieku może być określone bardzo precyzyjnie. Jednocześnie ultradźwięki są tłumione silniej niż dźwięki z zakresu słyszalnego, dzięki czemu są one najsilniejsze w bliskim sąsiedztwie źródła wycieku, co także ułatwia poprawną lokalizację uszkodzenia. Pomiar z wykorzystaniem omawianych przyrządów jest ponadto pomiarem nieinwazyjnym, który może odbywać w trakcie normalnej eksploatacji instalacji. Przyrząd z czujnikiem ultradźwiękowym umożliwia także zapewnienie natychmiastowej odpowiedzi pomiarowej, dając użyteczną, aktualną informację o szczelności instalacji.

Dzięki monitorowaniu występowania ewentualnych nieszczelności systemu można zapewnić wysoki poziom bezpieczeństwa, co przekłada się na oszczędności finansowe. W przypadku wycieków krytyczne jest bowiem wczesne wykrycie usterki i jej precyzyjne zlokalizowanie. Ponieważ stosując pomiary ultradźwiękowe można monitorować wszelkiego rodzaju instalacje przemysłowe, pomiar ten charakteryzuje się dużym poziomem uniwersalności i przydatności.

Case study: Zakład chemiczny Kedainiai (Litwa) jest producentem kwasów siarkowych, fosforowych oraz fluorku glinu. Zasilanie zakładu jest realizowane przez przyzakładową elektrownię wykorzystującą cztery zbiorniki ogrzewane ropą, z których każdy wymaga około 50 ton paliwa rocznie. Problem: Generowana para napędza turbiny prądnicy, a także jest wykorzystywana w procesach produkcyjnych. W tym celu para przesyłana jest za pomocą długiej linii przesyłowej, przy czym linia ta wymaga, ze względu na wiek, ciągłego monitorowania pod kątem jej szczelności. W przeszłości dozór odbywał się poprzez inspekcję wizualną i akustyczną, co wiązało się z niewykrywaniem wielu wycieków. Rozwiązanie: Zastosowano ultradźwiękowy detektor nieszczelności, co pozwoliło wykrywać w sposób zdalny (nawet z odległości 3 metrów) miejsca nieszczelności. Wykorzystanie detektora poprawiło także bezpieczeństwo, które trudno zapewnić, gdy linie przesyłające medium pod wysokim ciśnieniem i o wysokiej temperaturze są dozorowane przez człowieka. W wyniku wykrycia i usunięcia nieszczelności zakład Kedainiai uzyskał oszczędność 52 ton paliwa w skali roku, ponadto obniżył emisję dwutlenku siarki i tlenków azotu. Zastosowano ultradźwiękowy system do detekcji nieszczelności Ultraprobe 2000 o wartości około 5 tys. dolarów. Uzyskane oszczędności wynoszą ponad 7 tys. dolarów rocznie, co oznacza czas zwrotu kosztów zakupu po niecałych 9 miesiącach.

Jak to działa?

Zasada działania ultradźwiękowego systemu wykrywania nieszczelności instalacji opiera się na detekcji fali dźwiękowej. Wyciekanie substancji z instalacji w obrębie wadliwych zaworów lub innych elementów powoduje tworzenie się lokalnych turbulencji w przepływie cieczy lub gazu. Jednocześnie powstają miejscowe różnice ciśnień i fala dźwiękowa o danej częstotliwości, przy czym wartość jej amplitudy związana jest z wielkością i kształtem nieszczelności. Turbulencje, jakie towarzyszą wyciekom, powstają, gdy siły bezwładności cieczy przewyższają jej siły lepkości. Kryterium, które pozwala na ich charakteryzację, jest liczba Reynoldsa Re, która dla przepływu przez przewód o cylindrycznym kształcie wyraża się jako:

Re=(ρνD)/μ

gdzie ρ to gęstość cieczy, ν - prędkość wyciekającej cieczy, D - średnica otworu przez który następuje wyciek, natomiast µ jest lepkością dynamiczną cieczy. Przepływ niezaburzony, nazywany również laminarnym, ma miejsce, gdy liczba Reynoldsa jest mała (poniżej 1000). Dla dużych wartości Re przepływ cieczy przestaje być stabilny i przechodzi w turbulentny - zjawisko to można zaobserwować, gdy Re jest większa od 1000. W praktyce, ze względu na wiele innych czynników, które należy wziąć pod uwagę, warunki do przeprowadzenia detekcji nieszczelności nigdy nie są idealne. Na pomiar ma wpływ m.in. kształt otworu, przez który występuje wyciek – zwykle otwór ten nie jest cylindryczny. Ze względu na jego nieregularny kształt występują silniejsze turbulencje, co powoduje powstawanie innej fali dźwiękowej, niż tej związanej ze wzorem.

Kolejnym czynnikiem, który jest istotny podczas pomiaru, jest liczba i wielkość wycieków w obrębie zaworu lub innego elementu. Może bowiem zdarzyć się, że w obrębie danego odcinka instalacji istnieje dużo niewielkich nieszczelności, przy czym żadna z nich nie wywołuje dużej turbulencji przepływającego medium. Wówczas fala dźwiękowa jest niedetekowalna i wycieki nie są wykrywane. Jeśli zaś wiele z nieszczelności jest powodem powstawania turbulencji i, tym samym, odpowiednich fal dźwiękowych, sygnał będzie odbierany przez detektor, czy czym nie będzie on taki sam, jak w przypadku pojedynczego sygnału wywołanego jednym większym wyciekiem o podobnej objętości. Warto również zaznaczyć, że fala dźwiękowa mierzona przez czujnik jest amplitudowo mniejsza niż ta, która powstaje w źródle turbulencji wywołanej nieszczelnością. Czujnik jest zazwyczaj montowany na powierzchni rury lub elementu instalacji (np. na korpusie zaworu, ewentualnie bezpośrednio za nim - patrz rys. 1) lub, jak to bywa w przypadku detektorów przenośnych, jest od niego oddalony.

Sugerowane miejsca umieszczenia czujników ultradźwiękowych w obrębie zaworu Wykorzystanie czujników ultradźwiękowych pozwala na identyfikację nieszczelności dowolnej instalacji przesyłowej i systemu przemysłowego, co pozwala na uzyskanie oszczędności, zmniejszenie zanieczyszczania środowiska, a także usprawnienia działania całej instalacji. Pomiar pozwala przykładowo na określenie szczelności zaworu, który w tym celu należy zamknąć, przy czym różnica ciśnień po obydwu stronach zaworu nie powinna być mniejsza niż 1 bar (105 Pa). Wtedy, na skutek ewentualnej nieszczelności, powstaje typowo dźwięk o częstotliwości powyżej 20kHz, który jest wykrywalny przez czujniki ultradźwiękowe. Wielkość nieszczelności wycieku szacowana jest na podstawie wyników pomiaru i parametrów zaworu wprowadzonych przez użytkownika.

Elementem mającym istotny wpływ na wyniki pomiaru jest wreszcie samo otoczenie pomiarowe. W pobliżu czujnika mogą znajdować się przewody z przepływającą parą lub sprężonym powietrzem, zawory regulacyjne, a także kolanka, trójniki i inne podobne elementy łącznikowe, które też nie muszą być w pełni szczelne. Wszystkie one mogą wprowadzać błąd pomiarowy, dlatego poprawne umiejscowienie czujnika jest bardzo ważną kwestią.

Budowa systemu

Układ monitorowania nieszczelności, który bazuje na inteligentnym czujniku ultradźwiękowym, składa się z kilku elementów. Pierwszym z nich jest iskrobezpieczny zasilacz oraz konwerter RS485/RS232. Do połączenia czujnika z jednostką zasilającą stosuje się dwuparowy kabel, z czego jedna para odpowiedzialna jest za zasilanie, druga za transmisję sygnałów. Kolejnymi elementami są metalowe zaciski i podkładka krzemowa, która zapewnia lepszy kontakt między elementem czujnikowym a rurą lub zaworem. Dodatkowym wyposażeniem jest komputer klasy PC wraz z odpowiednim oprogramowaniem pozwalającym monitorować nieszczelności i tworzyć raporty. Na rynku nabyć można również małe, przenośne zestawy do wykrywania nieszczelności, które nie wymagają zakupu komputera. Składają się one z czujnika umieszczonego w obudowie wyposażonej we wskaźniki i przyciski sterujące jego pracą, a także często falowodu, sondy wykonanej ze stali nierdzewnej, słuchawek oraz futerału mogącego pomieścić wszystkie elementy systemu. Zestawy przenośne są tańsze i nadają się do wykorzystania tam, gdzie nie jest konieczne ciągłe, zautomatyzowane monitorowanie danej instalacji, a jedynie sporadyczne, okresowe badanie jej szczelności. Informacje o przykładowych urządzeniach pomiarowych zebrano w tabeli 1.

TABELA 1. Wybrane przyrządy do pomiarów ultradźwiękowych
Dystrybutor w Polsce	Producent	Modele	Orientacyjna cena
BEL jv	Amprobe	Przyrządy TMULD-xxx	Od 2000 do 2500 zł
IRtech	EP	Przyrządy Epxxx, EPxxxx	Od 500 do 2500 euro
-	Accutrak	Przyrządy VPE	Od 300 do 900 euro

Warunki pomiaru

Ultradźwiękowy system monitorowania nieszczelności pozwala na najdokładniejsze pomiary gdy przetwornik pomiarowy umieszczony jest jak najbliżej źródła mierzonego sygnału. Ważne jest, aby powierzchnia styku czujnika i elementu instalacji była jak największa – najkorzystniej, gdy jest ona również płaska i gładka. Nie jest przy tym wymagane specjalne jej przygotowanie, jednak niedopuszczalne są osady korozyjne czy też odchodząca farba, które uniemożliwiałyby zwarte przymocowanie czujnika do powierzchni elementu. Należy również unikać jakiegokolwiek izolowania (w tym powietrznego) między źródłem sygnału a punktem pomiarowym.

Aby móc skutecznie wykorzystać zebrane za pomocą czujnika informacje, pomiar powinien odbywać się w sposób ciągły i w czasie rzeczywistym. Tylko najbardziej aktualne dane o monitorowanej przez system instalacji stanowią użyteczne źródło informacji, stąd konieczna jest nieprzerwana praca czujnika. Korzystnym rozwiązaniem jest tutaj zastosowanie cyfrowej transmisji sygnału. Systemy monitorowania nieszczelności wyposażone są często w interfejsy typu RS-485, RS-232, Modbus, Profibus lub CANopen. Ponadto posiadają one cyfrowe wyjścia przekaźnikowe oraz analogowe 4-20mA. Wykorzystując interfejs cyfrowy uzyskuje się możliwość dwukierunkowej transmisji danych, co pozwala na sterowanie procesem pomiarowym oraz aktualizację oprogramowania czujnika.

Case study: W zakładzie wytwarzającym opakowania (Pensylwania, USA) do dostarczania sprężonego powietrza potrzebnego w realizacji procesów produkcyjnych wykorzystywany jest dwustukonny kompresor. Urządzenie to działa w sposób ciągły, natomiast podłączane jest do instalacji okresowo, tzn. przepustnica otwiera się, aby zapewnić żądane ciśnienie powietrza, a następnie zamyka. Problem: Sprężarka pracuje w warunkach całkowicie otwartej przepustnicy przez 70% czasu. Oszacowano, że firma ponosi istotne straty związane z przesyłaniem sprężonego powietrza do maszyn produkcyjnych. Rozwiązanie: Zakupiony został ultradźwiękowy detektor nieszczelności CTRL UL101, który umożliwił znalezienie ponad 40 miejsc nieszczelności instalacji przesyłowej. Wyliczono, że roczny koszt wykorzystania kompresora wynosi około 58 tys. dolarów, natomiast wyeliminowanie wszystkich nieszczelności instalacji pozwoliło uzyskać roczne oszczędności w granicach 12 tys. dolarów. Czas, po którym koszt zakupu detektora UL101 zwrócił się, wyniósł w tym przypadku 8 miesięcy.

Ultradźwięki a inne metody pomiarowe

Wiele osób może zadać pytanie, czy warto stosować pomiary z wykorzystaniem ultradźwiękowych przyrządów pomiarowych. Istnieją przecież inne metody wykrywania nieszczelności, takie jak wibracyjna lub pomiarów z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego. Z wielu powodów metody te nie są jednak tak uniwersalne jak omawiana i nie pozwalają na monitorowanie instalacji dowolnego typu. W wypadku pomiarów metodą wibracyjną niezwykle ważne jest zastosowanie właściwej techniki pomiarowej, poprawne rozmieszczenie elementów pomiarowych, a sama metoda jest stosunkowo kosztowna w użyciu. Dane uzyskane za pomocą wibracyjnego systemu detekcji nieszczelności wymagają przetwarzania i nie są dostępne wraz z chwilą pomiaru. Z kolei metoda analizy promieniowania podczerwonego bywa nieskuteczna, jako że wiele elementów instalacji może się grzać podczas normalnego działania. Bywa również tak, że gorące elementy uniemożliwiają wykrycie innych podzespołów, które nagrzewają się w wyniku uszkodzenia.

Jeżeli w zakładzie jest już stosowany system monitorowania nieszczelności wykorzystujący jedną z opisanych metod, również warto rozważyć np. zastosowania dodatkowego, przenośnego ultradźwiękowego systemu pomiaru nieszczelności. Może on służyć potwierdzaniu prawdziwości wyników uzyskanych innymi sposobami, a korzystając z niego użytkownik może diagnozować stan instalacji w ciągu zaledwie kilku sekund. Zachętą do poważnego potraktowania tematu powinny być statystyki agencji badawczych, wg których straty w systemach przesyłania sprężonego powietrza w zakładach przemysłowych sięgają 20%. Zlokalizowanie i wyeliminowanie nieszczelności tych systemów pozwala zredukować sumaryczne straty o 50 do 75%, co szybko przynosi wymierne korzyści.

Mateusz Kosikowski