Ultradźwiękowa detekcja wycieków

Wykrywanie wycieków przy użyciu detektorów ultradźwięków wymaga wiedzy o badanym obiekcie, uwzględnienia wpływu warunków, w jakich wykonywane są pomiary, oraz specyfiki danego rodzaju wycieków. Jest to metoda diagnostyczna, która, choć dostępna od wielu lat, nie jest tak często wykorzystywana, jak na to zasługuje.

Przyjmuje się, że ultradźwięki to pasmo fal dźwiękowych o częstotliwości niesłyszalnej dla człowieka, od dolnej granicy 20 kHz do górnej 1 GHz. W przemyśle stosuje się je np. przy wspomaganiu mycia (myjki ultradźwiękowe), czy też przy ultradźwiękowym zgrzewaniu tworzyw sztucznych.

W środowisku przemysłowym w wielu sytuacjach generowane są ultradźwięki. Pojawiają się one również  w miejscach występowania nieszczelności i wycieków różnych mediów.

Zawsze należy mieć na uwadze, że w metodzie detekcji ultradźwiękowej wykrywana jest nie sama nieszczelność jako taka, a tylko źródło powstawania ultradźwięków. Nie każdy wyciek da się „usłyszeć”. Zakłada się, że wspomnianą metodą można wykryć wyciek gazu z instalacji, w której jest ciśnienie wyższe o przynajmniej 1 bar. Warto dodać, że jest też możliwość wykrycia nieszczelności na podciśnieniu.

Jakie są typowe źródła ultradźwięków w przemyśle? Powstają wszędzie tam, gdzie występuje: przepływ turbulentny, tarcie, kawitacja i wyładowania elektryczne niezupełne (WNZ), koronowe.

Przegląd detektorów ultradźwiękowych

Stosowane urządzenia diagnostyczne wykorzystujące detekcję ultradźwięków pozwalają na dość dokładną ocenę przecieku, np. dla instalacji ze sprężonym gazem. Jeśli znane są parametry danej instalacji (ciśnienie robocze), to można dość dokładnie przeprowadzić kalkulację kosztów ponoszonych w związku z wykrytymi nieszczelnościami (np. strat sprężonego powietrza).

Na rynku dostępnych jest obecnie wiele różnych detektorów ultradźwięków, w bardziej i mniej rozbudowanych konfiguracjach. Zasadniczo układ pomiarowy to „prosty” przetwornik piezoelektryczny z filtracją sygnału. Mierzone jest wąskie pasmo częstotliwości ultradźwięków z zakresu 20 100 kHz } 2 kHz. Po przetworzeniu można je usłyszeć w słuchawkach i są to wyłącznie ultradźwięki.

Firma Introl promuje miernik SDT-2701. Jest to urządzenie wielozadaniowe, w którym połączono pomiary i rejestrację ultradźwięków oraz drgań. Miernik umożliwia wykrywanie przecieków sprężonego powietrza i próżni, pozwala na kontrolę i analizę warunków pracy odwadniaczy, zaworów, przekładni, łożysk oraz inspekcję urządzeń elektrycznych o napięciach powyżej 2 kV (wykrywanie wyładowań niezupełnych). SDT270 wyposażony jest w pamięć wewnętrzną. Przy opracowywaniu wyników można wykorzystać oprogramowanie DataDump do kopiowania danych, a Ultranalysis (UAS) do analizy i zarządzania inspekcjami. Przenośny zestaw może zawierać trzy sondy: jedną wbudowaną w miernik, drugą na elastycznym wysięgniku i trzecią z możliwością wykrywania nieszczelności do 30 i 60 m (przy idealnych warunkach) z celownikiem laserowym.

Z kolei firma UE Systems oferuje bogaty wybór instrumentów Ultraprobe, co daje możliwość dopasowania ich do konkretnych potrzeb. Dostępne są również modele do inspekcji w technologii ultradźwiękowej w obszarach wymagających certyfikatów ATEX. UE Systems oferuje w naszym kraju szkolenia w zakresie wykorzystania technologii ultradźwiękowej w diagnostyce, a sprzedawany sprzęt jest produkowany w USA i dostarczany z 5-letnią gwarancją.

Firma SKF natomiast proponuje ultradźwiękowy detektor nieszczelności TMSU 1 do szybkiego i prostego wykrywania wycieków sprężonego powietrza. Jak podaje firma, lekka, kompaktowa konstrukcja ułatwia obsługę przyrządu za pomocą jednej ręki.

W ofercie firmy KPB Intra Polska znajduje się Tru Pointe 1100 – ultradźwiękowy, cyfrowy detektor, zaprojektowany do lokalizacji wycieków, przeglądów urządzeń mechanicznych i usuwania usterek. W lokalizatorze zastosowano opatentowane dwa niezależne czujniki, które identyfikują zewnętrzne (przenoszone przez powietrze) i wewnętrzne (strukturalne) wycieki dowolnego gazu. Regulację poziomu czułości i wzmocnienia można wygodnie przeprowadzać, wykorzystując funkcję AudioZoom. Jak podaje firma, możliwe jest wykrywanie wycieków o ciśnieniu 34,4 kPa z otworu o średnicy 0,127 mm z odległości 912 m (zależnie od poziomu szumu tła).

W ofercie kilku krajowych dystrybutorów można znaleźć detektor wycieków sprężonych gazów i powietrza SONAPHONE niemieckiej firmy SONOTEC, producenta opracowanych przez siebie urządzeń, wykorzystujących technologię ultradźwiękową. Jeden z dystrybutorów urządzenia, firma Muehsam, wśród jego zalet wymienia możliwość lokalizowania (dzięki rurce kierunkującej) położenia nieszczelności nawet z dokładnością do 1 mm. Urządzenia detekcyjne można rozbudować o dodatkowe elementy, takie jak przedłużka teleskopowa, dzięki której można zlokalizować nieszczelności na wysokościach do 3 m, oraz sonda paraboliczna SONOSPOT o zasięgu do 25 m (wyposażona we wskaźnik laserowy lub celownik, przeznaczona do instalacji podsufitowych). Jest też dostępna elastyczna sonda, ułatwiająca dotarcie do miejsc trudno dostępnych.

Jak wyjaśnia Michał Domin z Przedsiębiorstwa Technicznego SIGNAL z Sopotu, przy doborze sprzętu warto zwracać uwagę na to, jak będzie się nim pracowało. To wbrew pozorom łatwe do określenia. Profesjonalny dostawca jest zawsze wyposażony albo w instalację demo, albo chociażby w prosty układ symulujący wyciek. Można wtedy sprawdzić, jak pracuje się z urządzeniem: czy łatwo nakierować je na badaną instalację, czy sygnał o wycieku jest jasny i prosty dla użytkownika, czy obsługa urządzenia wymaga użycia jednej ręki, czy obu, np. czy trzeba używać sondy parabolicznej? Jak będzie wyglądała dokumentacja miejsca wycieku (czy trzeba wziąć ze sobą aparat, czy będzie można zrobić zdjęcie urządzeniem pomiarowym)? Jego zdaniem praktyka pokazuje, że te cechy mają ogromny wpływ na czas poświęcony na wykonanie pracy. Oczywiście, ważne są parametry techniczne urządzeń i koniecznie trzeba je sprawdzić, jednak do tego wystarczą karty katalogowe.

Firma SIGNAL sprzedaje urządzenia Leakshooter. Jak twierdzi Michał Domin, integracja kamery w wykrywaczu ultradźwiękowym to gadżet, ale tak myśli tylko ten, kto go nie używał w praktyce. Kamera umożliwia bowiem precyzyjne celowanie, pracę bez słuchawek lub mniejsze skupienie na dźwięku (nie męczy operatora). To zupełnie inny komfort pracy w stosunku do wskaźników diodowych i skal. Kamera od razu robi zdjęcia w celach dokumentacyjnych. Natomiast zastosowana konstrukcja wlotu do sensora umożliwia badanie odległych instalacji (nie ma potrzeby wykorzystywania sond parabolicznych, zajmowania drugiej ręki i noszenia całej walizki akcesoriów).

Skuteczne wykorzystanie technologii

Specjaliści zwracają uwagę, że w przypadku instalacji podciśnieniowych, jeśli jest wysoki poziom tła ultradźwiękowego, to dźwięku nieszczelności nie da się usłyszeć.

Dlatego, jeśli chce się głownie kontrolować takie właśnie instalacje, to warto wcześniej w praktyce sprawdzić skuteczność miernika. Jak uważa Michał Domin, często prozaicznym problemem, z jakim stykają się użytkownicy, jest celowanie urządzeniem. Osobie dokonującej pomiarów wydaje się, że badana jest instalacja, a tak naprawdę detektor wycelowany jest w ścianę pół metra wyżej. Niektórzy producenci wprowadzili wskaźniki laserowe i jeśli je widać, a operator ma dobry wzrok, to jest to pomocne.

Jako kolejny błąd operatorów (ale bardziej producentów) Michał Domin wymienia operowanie wyłącznie słuchem. Po kilku godzinach poszukiwań ze słuchawkami na uszach operator jest zwyczajnie zmęczony i praca się wydłuża. Ponadto prowadzenie takich poszukiwań przez kilka dni z rzędu nie jest lekką pracą. Dlatego pomoce wizualne (skale świetlne, diody, obraz) są bardzo przydatne. Ekspert przypomina też, że małe (a właściwie ciche) wycieki mogą wymagać ciszy „ultradźwiękowej” w hali zakładu. Niektóre urządzenia mogą emitować znaczne zakłócenia, co może uniemożliwić pracę w niektórych lokalizacjach (jeśli urządzenia te nie zostaną wyłączone).

W typowych sytuacjach lokalizowane są wycieki w instalacjach o dużej różnicy ciśnienia w stosunku do otoczenia. Przy takich różnicach ciśnień powstające turbulencje są na tyle duże, że łatwo je „usłyszeć” nawet z dużej odległości.

Zaletą stosowanych urządzeń diagnostycznych w praktycznych zastosowaniach jest możliwość wykrycia wycieku zwłaszcza w miejscu trudno dostępnym. Jest też granica wycieku, poniżej której nie zostanie on tą metodą wykryty. Podaje się, że wyciek na poziomie poniżej 1×103 cm3/s nie tworzy wystarczająco dużych turbulencji, które mogą generować ultradźwięki.

Zaletą technologii detekcji ultradźwiękowej jest niezależność od transportowanego medium. Nawet tam, gdzie bezpośrednio nie da się wykryć przecieków za pomocą detekcji ultradźwięków, można czasem, po wykonaniu pewnych dodatkowych czynności, uzyskać powstanie wartości mierzalnych. Na przykład można pokryć badaną powierzchnię substancją, dzięki której na nieszczelnościach pojawią się pęcherzyki (niewidoczne gołym okiem), a te, pękając, dadzą charakterystyczny dźwięk. W literaturze można znaleźć informację o zastosowaniu takiego rozwiązania do wykrywania przecieków o niskiej intensywności, w złożonym konstrukcyjnie wymienniku ciepła.

Michał Domin jest przekonany, że potencjalni użytkownicy często nie doceniają też możliwości wykrywaczy ultradźwiękowych. Wykrywanie wycieków instalacji gazów sprężonych to tylko jedna z dziedzin. Można jeszcze wykrywać wycieki instalacji podciśnieniowych (próżni), diagnozować elementy pracujące maszyn (np. łożyska), wykrywać nieszczelności w układach wentylacji mechanicznej (na łączeniach kanałów).

Inne obszary zastosowań to energetyka i wykrywanie wyładowań niezupełnych i koronowych, diagnostyka układów elektrycznych, diagnostyka separatorów kondensatu itd. Dlatego jeden taki wykrywacz w zakładzie może się przyczynić do znaczących oszczędności kosztów w dziale technicznym.

Podsumowanie

W każdej konkretnej sytuacji, jaka ma miejsce w zakładzie produkcyjnym, należy przeanalizować, czy sprawdzi się ultradźwiękowa detekcja wycieków. W wielu zakładach instalacje sprężonego powietrza są kontrolowane, ale eliminuje się z reguły raczej znaczne wycieki i nieszczelności. W przypadku mniejszych jest to przy standardowych metodach utrudnione lub nieopłacalne ze względu na pracochłonność.

Mając detektor ultradźwięków, szybko można wykryć wiele małych nieszczelności i je wyeliminować. Jeśli roczne straty sprężonego powietrza przez jeden mały wyciek nie są znaczące, to w dużej hali produkcyjnej można znaleźć nawet kilkadziesiąt takich nieszczelności, co zwraca koszt miernika. Miernik ultradźwiękowy sprawdza się również przy wykrywaniu nieszczelności w układach podciśnieniowych. Prowadzenie diagnostyki jest w tym przypadku trudniejsze, bo sygnał jest słabszy, ale nie trzeba korzystać z żadnych dodatkowych substancji (co jest ważne np. w przemyśle spożywczym). 

Specyfika propagacji ultradźwięków

Nie przy każdym rodzaju wycieku generowane są ultra dźwięki o odpowiednio wysokim natężeniu. Ultradźwięki rozchodzą się kierunkowo, dlatego też łatwo zlokalizować ich źródło. Z fizyki rozchodzenia się ultradźwięków wynikają również ograniczenia dotyczące tej metody diagnostycznej.

Ultradźwięki nie przechodzą przez przegrody stałe, dlatego nie można znaleźć nieszczelności np. w izolowanym z zewnątrz rurociągu. Fale dźwiękowe odbijają się również od powierzchni płaskich. Dlatego należy zwracać uwagę, czy nie jest mierzony przypadkiem sygnał odbity zamiast pierwotnego, związanego z miejscem jego powstawania. Może się tak zdarzyć, że na rurociągu nieszczelność będzie znajdować się po stronie przeciwnej do osoby dokonującej pomiaru i wtedy też nie będzie możliwa jej detekcja i lokalizacja.

Nieprzechodzenie ultradźwięków przez przegrody stałe można wykorzystać do separowania ich źródeł, jeśli występują obok siebie (kilka przecieków obok siebie). Wystarczy np. kolejno je zasłaniać, by wyszukiwać następne. Natężenie ultradźwięków znacznie słabnie wraz ze wzrostem odległości od ich źródła. To również pozwala na dokładną lokalizację konkretnego wycieku.

O autorze: Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do służb utrzymania ruchu w przemyśle.

Autor: Bohdan Szafrański