DOŚWIADCZENIA Z IZOTOPOWEJ KONTROLI SZCZELNOŚCI OBIEKTÓW TECHNOLOGICZNYCH - ASPEKTY
TECHNICZNE I EKONOMICZNE Janusz Kraś, Lech Waliś, Stanisław Myczkowski
Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa Abstract
EXPERIENCE IN ISOTOPE LEAK-PROOF CONTROL
OF ENGINEERING OBJECTS - TECHNICAL AND ECONOMICAL ASPECTS One of the basic uses of the tracer methods for commercial purposes is the leak- proof control and determination of location of possible leakages in engineering objects.
The works in this area - development of methods and equipment, and its practical use - are being conducted at the Institute of Nuclear Chemistry and Technology in Warsaw. The paper presents the division of the engineering objects according to their suitability for leakproof testing with tracer methods, alternative traditional methods, sensitivity levels and the technical effects achieved with both method groups, plus the attempts to deter- mine the economical effects of the tracer method. The introduction to the paper describes the method of field preparation of gaseous radioactive tracer, i.e. methyl bromide CH3Br labeled with bromine 82Br isotope.
PL0201702 1. WSTĘP
Prowadzone od wielu lat w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ) prace dotyczące wykorzystania metod znaczników radioizotopo- wych w przemyśle i technice zaowocowały opracowaniami wielu metod i technik pomiarowych.
Jedną z dziedzin, gdzie zastosowanie technik radioizotopowych w stosunku do technik tradycyjnych przynosi wyraźne efekty ekonomiczne i poznawcze, jest kontrola szczelności i lokalizacja miejsc nieszczelnych w obiektach tech- nologicznych.
Opracowane metody i urządzenia są rutynowo stosowane do kontroli szczelności takich obiektów, jak reaktory i kolumny przemysłu chemicznego i petrochemicznego [1], wymienniki, zbiorniki podziemne i naziemne [2], rurociągi przesyłowe [3, 4] i technologiczne, zasuwy, zawory itp.
Dzięki zastosowaniu techniki znaczników radioizotopowych możliwe jest wykonanie ekspertyzy przy ciśnieniu roboczym lub przy ciśnieniu do- wolnie niskim, które nie powoduje dodatkowego i zbytecznego wytężenia materiałów konstrukcyjnych.
Metoda radioznacznikowa, mimo że nie jest próbą wytrzymałościową, jest komplementarna dla prób wytrzymałościowych, a uzyskane za jej pomo-
cą wyniki są akceptowane przez Urząd Dozoru Technicznego.
2. METODA I ZNACZNIK
Ogólna zasada radioizotopowej metody kontroli szczelności polega na wprowadzeniu do kontrolowanego obiektu znacznika radioizotopowego Znacznik po wymieszaniu się z medium kontrolnym lub roboczym i rozpro- wadzeniu po obiekcie lub w postaci ruchomego „radioaktywnego korka" w kontrolowanych rurociągach podziemnych wydostaje się przez nieszczelność na zewnątrz kontrolowanego obiektu i tam jest adsorbowany na adsorbentach naturalnych (ziemia, izolacja technologiczna) lub sztucznych (specjalne ma- teriały nakładane przed rozpoczęciem kontroli). Pomiar radiometryczny ad- sorbenta pozwala na precyzyjną lokalizację nieszczelności lub wykluczenie jej istnienia.
Najlepsze własności jako znacznik w omawianych badaniach ma ga- zowy bromek metylu - bardzo dobrze rozpuszczalny w substancjach orga- nicznych - znakowany bromem 8~Br. Związek ten uzyskuje się z bromku potasu napromienianego w reaktorze w strumieniu neutronów termicznych Przetwarzanie ciała stałego jakim jest bromek potasu w gazowy bromek me- tylu zachodzi zgodnie z reakcją
H2SO4
2 KBr + (CH3)2S04 > 2 CH3Br + K2SO4 70°C
w specjalnie skonstruowanym mobilnym reaktorze chemicznym zwanym wytwornicą bromku metylu (rys. 1). W zależności od typu wytwornicy możemy w mej przerabiać i transportować do 10 Ci (370 GBq) radioak- tywnego bromku potasu. Do rozdozowywania i transportu małych porcji gazowego znacznika stosowane są specjalne pojemniki (rys. 2).
3 * Zgniatacz
wody z termostatu
Zawór V2 Zawór V4
Rys. 1. Wytwornica bromku metylu, typ MWBM.
374
Przyłącze gwiritomne fV Płaszcz i hlachg
stalowej
Rys. 2. Pojemnik bromku metylu PBM-1.
Do wykrywania i lokalizacji nieszczelności przez rejestrację zmian natężenia promieniowania używa się najczęściej typowych radiometrów z sondami scyntylacyjnymi. W niektórych przypadkach, gdy jest wykonywana jedynie kontrola szczelności bez lokalizacji nieszczelności stosuje się anali- zator wielokanałowy z możliwością rejestracji szybkości przemieszczania się znacznika jednocześnie w kilku punktach pomiarowych. Kontrolę szczelno- ści rurociągów podziemnych wyposażonych w komory czyszczakowe wyko- nuje się specjalizowanymi detektorami nadążnymi skonstruowanymi w IChTJ (rys. 3 i 4). Detektory te są wyposażone w hodometry, czyli urządze- nia do rejestracji długości drogi detektora w rurociągu.
Rys. 3. Detektor DN-1 do kontroli szczelności rurociągów.
Rys. 4. Obudowa detektora DN-1 do kontroli szczelności rurociągów podziemnych.
3. KONTROLA SZCZELNOŚCI
Z istniejących około czterdziestu metod i technik kontroli szczelno- ści szersze praktyczne zastosowanie znajduje tylko kilka. W tabeli przed- stawiono najbardziej efektywne i popularne metody wraz z czułościami osiąganymi przy ich użyciu przy kontroli szczelności typowych obiektów technologicznych. W tabeli podano również praktyczne możliwości wyko- rzystania poszczególnych technik [5-8].
Zastosowanie do kontroli konkretnego obiektu jednej z metod uwarun- kowane jest przede wszystkim parametrami technicznymi obiektu oraz wy- mogami dotyczącymi czułości kontroli. Zgodnie z normą PN-74/M-70053 czułość metody definiowana jest jako minimalne wykrywalne natężenie przecieku, a jej jednostką jest Pa-m3/s dla gazu i cm3/s dla cieczy. W tabeli przyjęto jako miano czułości cmVh. Przyjęcie takiego miana pozwala na porównanie czułości różnych metod, przy założonym jednakowym ciśnie- niu kontrolnym. Ciśnienie kontrolne jest w każdym przypadku określane na podstawie norm lub ustalane ze względu na parametry eksploatacyjne kontrolowanego obiektu.
Jak pokazuje tabela, jedynie metoda znaczników radioizotopowych pozwala na kontrolę szczelności wszystkich znanych obiektów technolo- gicznych, a jej czułość jest co najmniej porównywalna z czułościami osiąga- nymi przy użyciu innych metod kontroli. W większości przypadków metoda znaczników radioizotopowych umożliwia lokalizację stwierdzonej nie- szczelności. Dodatkowymi zaletami radioizotopowej metody kontroli szczelności są: łatwość jej stosowania, krótki czas trwania eksperymentu, stosunkowo niski koszt i krótki czas prac adaptacyjnych obiektu do kon- troli. Metoda ta jest szczególnie użyteczna w kontroli obiektów przemysłu organicznego, gdzie użycie np. w próbie hydrostatycznej wody powoduje konieczność długotrwałego suszenia obiektu i w konsekwencji wydłuża czas postoju instalacji. Warunki w jakich pracują instalacje przemysłowe
376
o
"ĆJ ON N
O
'So
CJC ca
_ca"3 H
> >,CJ -O 5?
* a s 2
cj ONI
rt Nrti-J rt^
o
^>>N
XCJ
CL,0^
CN CJ U OJ
0
1 CXo i oo
cdc
>!
Ćj2p
(ŁCJ
cap
NCJ
3•*/
•<
cac
N ^~.
0 ;Pi
tU NJ P ^=o g
c -^a o P "
0 g
"0 &>-,
£ c
N) CJ
>i rt (/:
Q
"O E
JS
"sCJ
o
m
:^ =5
r§ _ . **
oJD rń
II
N 2CJ . X) r*"i:=> =S ca "p
"3 5
•- "o X ntu T
E : CJ
"o r*")
CJc ca '
^
^p
0
>, i 9tu 'E
CJc ca p io
CJ >,
c ^
11 18
'oca1
"o
"gN
'o -c
1 0o T O. m
'o =5
'IV-c/i ~i Tt
P .2 o
O..H ró
'tT
"o
N 3
l«°3 *O CX c*1o T
•3 =5p
f ^"o
3 J2 "o o ^ T o, .— co
E
"o m
"er^CJ
'o-—1 fń
3
i- ^ '
'c .- E S ^ ró
0 ° ~D.. H rń
ca'
^ ta.U ° O 'N
ca ^
||
'E ^
"E^CJ
•b
m
x;
"ECJ
m
^> r^T S1
CO CJ
f.E
CJ
'o
ró
i—
mE
W (
"oł— N m
j:
"ECJ
rcb—"
rń
'ć?
^ NCJ • — 'o N
0 ^
ca -1- .1^ĆJ °
"V5 O g^J ^_, NCJ —
N U —N c:
^v- C D- 0
|2-&1 rń
• —ĆJ1
03N
11
•CJ <N -co ON "^
CJ C*^
N
J2 "EN ^ex o
o "o
—1 •— '
& cń u1 C3 ,-
-^ ^13 £
"o ^u
~ oN ^_r
JD <D(U .
_C"
"ECJ
fio
^—
r^
N
l"1p. u
0 ró
^S — •£• rń
'mienniki
.^¥N Xi 2 "E
0 u N 2
tu
Jp
13p
0
CJ
'p
tup 13 1
'E _ptu 13p o
&
CJ
'S
g
CJ f^l
—m
r-
"eCJ
"ot-^
m
CJc cac o
^•i
CU
S
Xo jp
•a Uo
. M
'ć7
1)
N =5N 2 X (NCJ ._Ptu
lapo
^ 'ptu
_ptu capo
^
0
'p
CUp lap o S .U'p
P 13p u >,t^
'S ^
_ptu
"cap o
>^
Su 'p tup 13p o
^S 'ctu
-0
a zbiornil
Q
"E=5CJ
ró
ź
CJp cac o
!TCU
'p
(Up 13po
;?
CJ
'p _pCJ
13p
^
^ CD C
ECJ
"o m
r-;
"Eu
'oł— 1 m
tup 13co
^ź
CJ
p
rociągi omorami
Qź N3 ^
"E=£:
"o
"
tu 13po
Xź
'ptU
tup 13 1
źtu 'p _ptu lap 5>- ź 'pCJ
ECJ
"o -T1 m
p-;
"ECJ
'o
m^^
CJ
13po
^&
CJ
p
5i n
najczęściej nie pozwalają na wykorzystanie metody spektrometrycznej (znacząca zawartość gazu kontrolnego w atmosferze) i akustycznej (hałasy przenoszące się z innych obiektów na obiekt kontrolowany).
Efekty ekonomiczne wynikające ze stosowania poszczególnych me- tod kontroli szczelności najczęściej nie są parametrem decydującym o wy- borze jednej z nich. Praktycznie, minimalizowane jest stosowanie metod hydraulicznych i pneumatycznych ciśnieniowych. Najczęściej użytkownik kieruje się przy wyborze metody osiągnięciem w efekcie kontroli, założo- nej przez konstruktora obiektu i wymaganej przez Urząd Dozoru Tech- nicznego lub Służb Ochrony Środowiska, pewności wykrycia i lokalizacji nieszczelności.
Porównanie kosztów stosowania poszczególnych metod jest bardzo trudne.
Można przyjąć, że dla obiektu bez izolacji, o małej objętości, bez wypeł- nień technologicznych i pracującego w przemyśle nieorganicznym naj- droższą metodą ze względu na koszt znacznika jest metoda radioizotopowa.
W praktyce badawczej metoda ta okazuje się jednak 2^4 krotnie tańsza ze względu na:
możliwość kontroli obiektów wielkogabarytowych i ciągów technolo- gicznych;
nie wymagany demontaż izolacji technologicznej;
realizację kontroli bez budowy rusztowań;
możliwość kontroli obiektów bez ich opróżniania z wypełnień technolo- gicznych, a w przypadku rurociągów podziemnych z czynnika roboczego;
gotowość obiektów do pracy bezpośrednio po zakończonej kontroli lub możliwość realizacji kontroli w trakcie ich eksploatacji.
Niektóre z podanych wyżej cech posiadają również inne metody, ale żadna z nich nie wykazuje się uniwersalnością porównywalną z metodą radioznacz- nikową. Na przykład, koszt kontroli jednego kilometra rurociągu podziemne- go z komorami czyszczakowymi metodą radioizotopową wynosi ok. 300 $, a metodą ultradźwiękową - ok. 5000 $. W przypadku kontroli obiektów prze- mysłu petrochemicznego, np. kolumn, zbiorników, koszt ten zawiera się w granicach 10-15 $ za metr sześcienny instalacji i maleje wraz ze wzrostem objętości kontrolowanej.
Wadą metody radioizotopowej w odczuciu społecznym jest fakt stoso- wania otwartych źródeł promieniowania jonizującego o dużej aktywności całkowitej do 10 Ci (370 GBq). Wada ta jest minimalizowana przez stoso- wanie w fazie przeróbki i dozowania znacznika wyspecjalizowanych urzą- dzeń (wytwornice i pojemniki) o osłonności zapewniającej bezpieczną pracę.
Urządzenia te posiadają pozytywne opinie Departamentu Nadzoru Zastoso- wań Promieniowania Jonizującego Państwowej Agencji Atomistyki, a każde stosowanie omawianej metody jest opiniowane przez tę jednostkę dozorują- cą.
378
W trakcie trwania kontroli ze względu na rozcieńczenie znacznika w du- żych objętościach medium kontrolnego aktywności właściwe są niewielkie (nie przekraczają l mCi - 37 M3q/m3) i problem zagrożenia radiologicz- nego jest nieznaczący.
LITERATURA
[1]. Kraś J., Waliś L.: Lokalizacja nieszczelności w obiektach technolo- gicznych przy użyciu metody znaczników promieniotwórczych. Po- stępy Techniki Jądrowej, 42, 4 (1999).
[2]. Kraś J., Waliś L.: Metody kontroli szczelności zbiorników metalo- wych podziemnych i posadowionych na gruncie utwardzonym przy użyciu znaczników promieniotwórczych. Postępy Techniki Jądrowej, 4_2,4(1999).
[3]. Kraś J., Waliś L., Myczkowski S.: Zastosowanie metody znaczników promieniotwórczych do kontroli szczelności i lokalizacji nieszczel- ności w rurociągach podziemnych. Postępy Techniki Jądrowej, 42, 4 (1999).
[4]. Rahimi H., Naipour A., Kraś J.: Radiotracer technique for pipeline leak detection in the National Iranian Oil Company. Nukleonika, 44, 3,491-498(1999).
[5]. Hlebowicz J.: Badanie szczelności. Poradnik. Biuro Gamma, War- szawa 1996.
[6]. Badania nieniszczące. Badanie szczelności. PN-74/M-70053, 1974.
[7]. Standard Guide for Selection Leak Testing Method. ASTMĘ 432, 1991.
[8]. Non destructive testing - Leak tightness - Guide to the method se- lection. EN-1779.
