Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и средства коррозионной диагностики 8
1.1 Гравиметрический метод 8
1.2 Резистивные методы измерения коррозии 11
1.3 Электрохимические способы измерения коррозии 19
1.4 Другие способы измерения коррозии 21
2. Метод преобразования коррозионной убыли металла датчика-свидетеля по деформации его элемента. деформационный датчик 27
2.1 Метод преобразования и конструкция датчика 27
2.2 Деформация элементов датчика в процессе коррозии цилиндра 30
2.3 Экспериментальное исследование метода 37
3.3 Расчет погрешности измерения коррозионной убыли массы 39
3. Метод преобразования коррозионной убыли металла датчика-свидетеля с помощью магнитных свойств коррозионного элемента. магнитный и электромагнитный датчики . 43
3.1 Конструкция датчика. Параметры преобразования 43
3.2 Электромагнитный метод преобразования коррозионной убыли 47
3.2.1 Конструкция электромагнитного датчика. Его параметры 47
3.2.2 Расчет разбаланса мостовой схемы 50
3.2.3 Выбор величины магнитной проницаемости. 55
3.2.4 Результаты экспериментов и их анализ 58
3.3 Магнитный метод преобразования коррозионной убыли 73
3.3.1 Дифференциальная схема преобразования коррозии. Принцип ее действия 73
3.3.2 Магнитный датчик коррозии 75
3.3.3 Выбор значения рабочего тока 78
3.3.4 Результаты эксперимента. 80
4. Резистивное преобразование коррозионной убыли металла 83
4.1 Конструкция трубчатого датчика. Измерительная схема 83
4.2 Зависимость коррозионной убыли металла трубчатого резистивного датчика от его сопротивления 86
4.3 Применение трубчатых и ленточных датчиков на газопроводе и результаты обследования 89
4.3.1 Методика закладки датчиков коррозии 89
4.3.2 Расположение датчиков. Исходные условия 90
4.3.3 Оценка погрешности измерения скорости коррозии 94
4.4 Оценка погрешности расчета скорости коррозии вносимой неоднородностью коррозионного процесса 95
Выводы 104
Список литературы
- Гравиметрический метод
- Метод преобразования и конструкция датчика
- Конструкция датчика. Параметры преобразования
- Конструкция трубчатого датчика. Измерительная схема
Введение к работе
Актуальность проблемы. Система магистральных трубопроводов (МТ) России продолжает успешно развиваться. Однако при этом большой срок эксплуатации (25-30 лет), приводит к нарушению целостности изоляционного покрытия, так как агрессивная почвенно-воздушная среда являются одной из причин разрушения МТ. По данным Гостехнадзора за период 1991-2000 г в России более 50 % аварий и отказов произошло по причине наружной коррозии. [1].
Внутритрубная дефектоскопия являющаяся одним из активных средств определения коррозионных повреждений весьма трудоемка и не всегда возможна [2-6]. Известно, что в пределах 40 % магистральных газопроводов подготовлено к пропуску снарядов-дефектоскопов, и в ближайшее время нереально ожидать существенного увеличения этого показателя [7].
Для уменьшения коррозии и обеспечения сохранности трубопроводов применяется ряд методов, в том числе электрохимическая защита (ЭХЗ). [8-20]. Ее эффективность оценивают по образцам-свидетелям, которые расположены рядом с трубопроводом, изготовлены из того же материала, находятся под общим с ним потенциалом и испытывают аналогичные механические нагрузки.
Величина заданного потенциала электрохимической защиты, по которой принято оценивать работу ЭХЗ трубопровода, является зачастую некоторой усредненной ГОСТовской величиной [21-33]. Поэтому она не всегда оптимальна для некоторых участков, где агрессивность грунта по отношению к металлу трубопровода, больше проектной. Неравномерность коррозионной активности обусловлена как сезонными факторами, так и случайными (например, сухой или влажный год, биокоррозия, блуждающие токи, сбой в работе ЭХЗ и т.д.). Таким образом, для определения степени коррозионной опасности, целесообразно проводить анализ агрессивности грунта по отношению к металлу трубопровода.
Современные технологии мониторинга трубопроводных систем основаны на ведении мониторинга встроенного в автоматическую систему управления (АСУ) МТ. В соответствии с ГОСТом коррозионная агрессивность грунта определяется по убыли массы образцов-свидетелей, которую определяют трудоемким и неавтоматизированным весовым методом. Поэтому для контроля работы ЭХЗ актуальна разработка новых методов оперативного определения агрессивности грунта.
Диагностическую основу современного комплекса коррозионного мониторинга, предложенного ВНИИГАЗом, составляют индикаторы: коррозии; поглощения водорода; поляризационного потенциала [34-39]. Индикаторы коррозии обладают высокой чувствительностью и представляют собой образцы-свидетели в виде стальной ленты, по изменению электросопротивления которых определяется скорость коррозии. При этом металл резистивных образцов находится в ненагруженном состоянии, а для получения более достоверной информации о скорости коррозии трубопровода необходимо иметь адекватно нагруженный металл образца. Кроме того, в методике расчета скорости коррозии по изменению сопротивления резистивного датчика не учитывается влияние неоднородности коррозионного процесса.
Следует отметить, что корреляция между коррозией металлической конструкции и датчика-свидетеля не всегда корректна. Это обусловлено тем, что устанавливаемое количество датчиков не позволяет учесть все коррозионные условия, в которых находится исследуемая конструкция (трубопровод). Более того, датчики-свидетели являются надежным индикатором эффективности ЭХЗ, но рассчитаны они на срок службы до 2-х лет, а исследуемая конструкция эксплуатируется десятилетиями.
Кроме МТ значительной внутренней коррозии подвержены промысловые нефтепроводы. Для снижения агрессивности неочищенных нефтепродуктов используют ингибиторы коррозии, эффективность которых оценивают, главным образом, неавтоматизированным весовым
методом по убыли массы образцов-свидетелей. По результатам измерений периодически изменяют количество ингибиторов. Такая корректировка не эффективна из-за большого временного интервала между измерениями и принятием решения, что приводит к нерациональному завышению количества применяемых ингибиторов.
Таким образом, совершенствование и создание новых методов преобразования коррозионной убыли в электрический сигнал, позволяющих автоматизировать контроль ЭХЗ трубопровода и ингибиторной защиты (ИЗ), является актуальной задачей.
Цель работы. Совершенствовать методы и средства коррозионной диагностики для повышения эффективности электрохимической и ингибиторной защиты трубопроводов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
установить связь коррозионной убыли металла датчика-свидетеля между деформацией его нагружающего стержня, электромагнитными и магнитными параметрами датчика;
разработать методику получения информации о коррозии металла трубопровода в виде электрического сигнала с помощью датчика-свидетеля на основе зависимости деформации его нагружающего стержня, электромагнитных и магнитных параметров от коррозионной убыли массы, а так же определить оптимальные соотношения размеров элементов деформационного датчика;
совершенствовать алгоритм расчета убыли металла резистивного датчика по изменению электросопротивления с учетом неравномерности скорости почвенной коррозии по поверхности металла;
создать методику измерений и расчета скорости коррозии металла трубопровода магнитным датчиком.
Научная новизна.
Установлены и экспериментально подтверждены зависимости деформации, электромагнитных и магнитных параметров коррозионного элемента от коррозионной убыли металла. Разработаны методики получения информации о коррозии трубопровода в виде электрического сигнала и его обработки на основе установленных зависимостей деформации, электромагнитных и магнитных параметров датчика от коррозионной убыли металла. Разработан алгоритм расчета коррозионной убыли резистивного датчика-свидетеля коррозии по изменению электросопротивления с учетом неравномерности коррозии.
Создана методика выполнения измерений скорости коррозии металла трубопровода магнитным датчиком. Практическая значимость работы.
Применение нагруженных датчиков-свидетелей коррозии с
электрическим съемом информации позволяет снизить
трудоемкость измерений, увеличить их информативность и в
автоматическом режиме управлять эффективностью работы
электрохимической и ингибиторной защиты трубопроводов.
Разработанные прибор и методика измерения магнитным датчиком-
свидетелем коррозии, аттестованная в ФГУ
«Тюменский ЦСМ», позволяют в автоматическом режиме определять
эффективность электрохимической и ингибиторной защиты
трубопроводов.
Методика учета влияния неравномерности коррозии на электросопротивление резистивного датчика может служить инструментом для определения характера коррозии.
Гравиметрический метод
Существуют стандартные весовые методы испытаний материалов на коррозию. Их сущность заключается в непосредственном измерении потери массы металла с поверхности коррозионного образца за период испытаний. В качестве образца в основном используют металлические пластины, которые помещают в агрессивную среду (грунт). В случае необходимости используют коррозионные образцы и другой формы, например цилиндрической. Так как в реальных конструкциях испытуемый материал зачастую находится в механически напряженном состоянии, которое существенно влияет на коррозионные свойства сталей, образцы подвергают механическим нагрузкам. Существует много устройств, реализующих разнообразные типы нагружения, например осевое, изгибное, крутильное.
ГОСТ 9.909-86 [40] для испытаний на коррозию под напряжением предусматривает использование плоских и кольцевых пластин (рис. 1.1) площадью 150x100 мм2 и толщиной 0,5 - 3,0 мм, которые нагружаются до величины равной 0,9 о?- или винта. Стойкость к коррозии под напряжением оценивают по среднему арифметическому значению времени до появления трещин или до разрушения образцов. Конечно, такой параметр важен для определения свойств материала, но для ведения мониторинга необходим непрерывно меняющийся легко определяемый параметр, по изменению которого можно судить о процессе коррозии и делать выводы о коррозионном состоянии трубопровода или об эффективности электрохимической защиты. Таким параметром является скорость коррозии или коррозионная убыль. Например, этот же ГОСТ для испытаний на контактную коррозию определяет скорость коррозии как потеря массы металла с единичной площади поверхности испытуемого образца в единицу времени. ГОСТ 9.908-85 [41] определяет так же скорость коррозии как линейную скорость проникновения коррозии вглубь металла. По сути, эти два параметра однозначно связаны между собой удельной плотностью материала.
Предложенные в ГОСТ 9.901.2-89 [42] способы нагружения для испытания на коррозионное растрескивание образцов в виде изогнутого бруса так же реализуют изгибом. Применяют шесть способов нагружения образцов по схемам двух-, трех - и четырехточечного нагружения (рис. 1.2).
Существует приспособление для испытания пластинчатых образцов на коррозию под напряжением [43]. Кроме напряжений сжатия - растяжения, которые реализуются по трехточечной схеме нагружения, здесь реализуются касательные напряжения кручения.
Имеются и другие оригинальные способы и устройства нагружения образцов-свидетелей, например [44-51]. Во всех предыдущих стандартных способах предполагается, что исследуемые образцы будут изъяты из грунта и непосредственно исследованы на коррозию лишь после испытаний. То есть невозможно (весьма трудоемко), без внешних устройств, следить за коррозией в динамике, что важно для контроля электрохимической защитой. Кроме этого мониторинг подразумевает протяженное обследование агрессивности грунта по всей длине трубопровода. Таким образом, из-за трудоемкости и неавтоматизированности весового метода он мало приспособлен для мониторинга. Несомненно, этот метод важен, так как он заключается в прямом наблюдении и измерении, а поэтому может служить для контроля других методов. Громоздкость вспомогательных приспособлений для нагружения образца усложняет закладку в грунт. Значительная площадь контакта вспомогательных устройств с агрессивной средой может повлечь за собой возникновение электрохимической пары с коррозионным образцом и изменить условия течения коррозии. Это в свою очередь ведет к неадекватному отображению датчиком реальной коррозии металла трубопровода. Неоднородное нагружение образцов при изгибе, кручении или их комбинации также может повлечь за собой возникновение электрохимической пары между участками образца, так как величина механических напряжений влияет на коррозионные свойства металла [52-55].
Резистивный метод измерения получил широкое распространение из-за его простоты и возможности измерения коррозионной убыли металла образца-свидетеля по проводам. Например, в работе [56] приведены результаты четырехлетней апробации комплекса РК ЭХЗ. По показаниям резистивных индикаторов коррозии, которые представляют собой плоскую диэлектрическую подложку или трубку с наклеенной на ней стальной фольгой (проволокой) (рис. 1.3), определена степень защиты трубопроводов от язвенной коррозии в сквозных дефектах защитного покрытия.
Метод преобразования и конструкция датчика
По изменению деформации можно судить о коррозии коррозионного элемента. Можно легко показать, что применение такого способа измерения коррозии в существующих устройствах с изгибаемым коррозионным элементом имеет недостатки, связанные с зависимостью жесткости коррозионного элемента от места положения локального коррозионного повреждения. Кроме этого не решается проблема габаритов вспомогательных приспособлений. Нами впервые предложен деформационный метод преобразования коррозии в электрический сигнал [84], заключающийся в измерении деформации нагруженного коррозионного элемента в процессе его коррозии, где для решения вопроса компактности датчика мы впервые предложили конструкцию датчика в виде полого цилиндра, внутри которого соосно расположен стержень, создающий в цилиндре однородную нагрузку растяжения или сжатия.
В процессе коррозии толщина стенки растянутого цилиндра уменьшается, соответственно уменьшается его жесткость. В результате длина цилиндра и стержня увеличивается, и по величине деформации стержня судят о коррозионной убыли металла цилиндра.
Такой метод открывает возможности для создания различных конструкции датчиков путем применения существующих способов измерения деформации (силы) например, индуктивный [85], пьезомагнитный [86] и т.д. Нами проанализированы методы измерения деформации (силы) и выбран тензорезистивный способ [87] ее измерения с помощью тензорезисторов наклеиваемых на стержень. Преимуществом тензорезистивного способа является высокий уровень развития технологии наклейки и термообработки, что обеспечивает практическое отсутствие релаксаций клеевого соединения в нагруженном состоянии в течение длительного времени.
Датчик деформационный На рис. 2.1 представлен вариант конструкции деформационного цилиндрического датчика, в котором реализуются растягивающие нагрузки. Он состоит из полого цилиндра 1 (коррозионный элемент - КЭ) со вставленным в него стержнем 2. Цилиндр и стержень жестко скрепляются с помощью резьбовой головки 3 и замыкающей опоры 4. С помощью резьбового соединения производится нагружение КЭ до определенного механического напряжения металла. Измерительные провода 5 выводятся через специальные отверстия. Для создания потенциала защиты датчик изнутри соединяется с кабелем (не показан). Стержень имеет участок меньшего сечения и длины, на который устанавливаются тензорезисторы 6. Это позволяет сосредоточить на участке меньшего сечения большую часть деформации, приходящейся на весь стержень. Такое конструктивное решение увеличивает чувствительность измерения скорости коррозии и позже будет рассмотрено более подробно.
Однородное механическое нагружение коррозионного элемента позволяет судить о коррозионных свойствах металла при заданных нагрузках. При этом устраняется влияние электрохимической пары между неравнозначно нагруженными участками коррозионного элемента как, например, это происходит при изгибе плоского образца. Расположение стержня внутри конструкции увеличивает надежность тензорезисторов, а также устраняет появление электрохимической пары между стержнем и коррозионным элементом и искажает коррозионный процесс. Простая компактная форма исполнения датчика позволяет легко устанавливать его внутрь трубопровода или в отверстие в грунте, созданное проколом, что устраняет необходимость рытья шурфа и исключает нарушение структуры грунта.
Измерение деформации стержня производится с помощью тензорезистивного моста, наклеенного на участок стержня меньшего сечения. Использование тензорезистивного моста является наиболее выигрышным по сравнению с непосредственным измерением сопротивления [87], так как, такая схема является наиболее чувствительной и термокомпенсированной.
Релаксация нагруженных элементов датчика [89-91] и клеевого соединения тензорезисторов исследовалась на готовой конструкции в течение 4 месяцев. Опыт показал, что в течение первого месяца происходит значительная релаксация сигнала, затем она прекращается, и отклонение выходного сигнала не превышает 5 %.
Используя промышленные технологии наклейки тензорезисторов можно практически избавиться от релаксаций клеевого соединения, примером чего может служить широкий ассортимент прецизионной тензоизмерительной техники [88]. Кроме того, для ее уменьшения наклейку (сварку) тензорезисторов необходимо производить на предварительно нагруженном до заданного значения стержне. Затем, при сборке, необходимо ввинчивать стержень то тех пор, пока выходной сигнал не станет равным «нулевому» сигналу. В этом случае после сборки тензорезисторы будут в ненагруженном состоянии, а нагрузка стержня выведена до необходимой величины. Релаксация напряжений металла, согласно [89-91] после истечения определенного периода спадает практически до нуля, поэтому после нагружения датчика его необходимо выдержать в течение некоторого опытом обоснованного срока, например 1 месяца, после которого релаксация напряжений металла прекращается.
Для практического применения серии датчиков их необходимо калибровать по экспериментальным данным. Но для этого необходимо найти аппроксимирующую зависимость деформации от убыли толщины коррозионного элемента. Найдем эту зависимость.
Конструкция датчика. Параметры преобразования
Предложенный нами датчик (рис. 3.1) конструктивно имеет сходство с деформационным датчиком, что дает те же преимущества, а именно компактность датчика, отсутствие внешних вспомогательных устройств, легкость установки. В целом разработанный датчик представляет собой замкнутый магнитопровод, элементами которого являются сердечник (центральный стержень), цилиндр - коррозионный элемент и замыкающие элементы. На сердечник надета катушка. При пропускании электрического тока через нее магнитный поток практически полностью замыкается через металл датчика.
В качестве параметра измерения нами предложены индуктивность L датчика и магнитный поток Ф, создаваемый в нем намагничивающей катушкой. Эти две величины связаны между собой известной зависимостью Ф = Ь1, (3.1) где: /— величина электрического тока намагничивающей катушки.
Найдем функциональную зависимость магнитного потока (или индуктивности датчика) от толщины стенки трубки. Магнитный поток датчика Ф в первом приближении находится согласно уравнению Гобкинсона [95] Ф А (3.2). l2 , f3 5 ! цх S2 /л2 53 цъ где: N - число витков катушки; // =12,57-10- - магнитная постоянная; JUJ, /Л2, JU3, - относительная магнитная проницаемость материала соответствующего элемента; //, h, h — длины элементов магнитопровода; Si, S2, S3 - площадь их поперечного сечения.
Уравнение (3.2) сравнивают с законом Ома для полной цепи, при этом I-N-fi0 называют магнитодвижущей силой, а члены знаменателя магнитосопротивлениями соответствующих участков. Учитывая, что все элементы датчика изготовлены из одного материала можно считать juY= ju2= ju3= ju. Применительно к датчику уравнение (3.2) примет вид Ф = Г I (3.3) ЦЯ , lcm , п Зцп Sent где: индексы цл и cm обозначают цилиндр и стержень, соответственно; R - магнитосопротивление замыкающих элементов датчика. Для анализа зависимости магнитного потока датчика от толщины стенки коррозионного элемента (цилиндра) преобразуем уравнение (3.3) L (3-4) cm
Из полученной зависимости видно, что чем меньше магнитосопротивления стержня и замыкающих элементов, тем она ближе к линейной. Поэтому стержень и замыкающие элементы датчика должны быть массивнее по сравнению с коррозионным элементом. Учтем что S =7Г-(г2 -Г2 ) цл \ внеш внут /1 где: гвнеш, гтут — внешний и внутренний радиус цилиндра, соответственно В результате зависимость (3.4) примет вид ф = внут, цл г, \ внеш внут/ V внеш внут/ cm (3.5)
Заметим, что в данной формуле есть следующий недостаток. В выводе не было учтено, что в процессе коррозии магнитный поток будет выходить из металла трубки. Это формально приводит к тому, что в случае полной коррозии, то есть когда сечение трубки равно нулю, магнитосопротивление трубки равно, согласно уравнению (3.4) бесконечности, то есть магнитный поток равен нулю. Для устранения этого недостатка магнитосопротивление трубки необходимо считать (по аналогии с электродинамикой) соединенным параллельно с магнитосопротивлением внешнего пространства. В результате при полном разрушении трубки магнитный поток датчика не будет равен нулю. На рис. 3.2 сплошной линией обозначена зависимость, построенная по формуле (3.5), а пунктиром характер зависимости, с учетом замыкания магнитного потока вне металла, который близок к линейной зависимости.
Конструкция трубчатого датчика. Измерительная схема
Нами предложена конструкция жесткого резистивного датчика [101-103] (рис. 4.1), коррозионный элемент которого выполнен в виде трубки диаметром 5 мм, толщиной стенки порядка 1 мм, длина коррозионного элемента 1,3 - 1,5 м. Электросопротивление датчика составило около 0,18 Ом. Предложенным решением достигается ряд положительных эффектов: трубка обладает необходимой жесткостью, что позволяет обойтись без дополнительных несущих приспособлений, искажающих коррозионные процессы. В результате увеличения толщины стенки датчика увеличивается его долговечность. Конструкция датчика, в ряде случаев, позволяет без рытья помещать его в отверстие, предварительно проделанное в грунте проколом, то есть уменьшается трудоемкость и улучшается технологичность установки датчика. Длинномерная конструкция датчика позволяет получить более достоверную информацию о коррозии. Кроме этого внутренняя полость трубчатого преобразователя является удобным и надежным местом для размещения датчика температуры, с помощью которого вводится температурная поправка к электросопротивлению коррозионного элемента. Такую конструкцию удалось осуществить благодаря имеющимся приборным средствам, которые позволяют надежно измерять малые электросопротивления 10"3 - 10"4 Ом. В результате удалось в несколько раз увеличить толщину коррозионного элемента, следовательно, срок его службы, жесткость конструкции и надежность датчика, несмотря на уменьшение электросопротивления в несколько раз.
В схему для лабораторных и полевых измерений входит омметр, преобразователь постоянного напряжения 12 В в переменное 220 В, требуемое для питания омметра, переключатель. В качестве омметра использовался прибор Щ306/1, который позволяет измерять электросопротивление до десятитысячных долей ома.
Электрическая схема соединения приведена на рис. 4.2., где RJO uRf (nof L сопротивления коррозионного элемента и терморезистора, соответственно, ПР - блок переключения прибора между режимами измерения Якэ и RT.
Использование в качестве датчика температуры проволочного терморезистора дает возможность тем же прибором измерять и температуру с точностью до 10"2С. Переключатель ПР (рис. 4.2) позволяет раздельно измерять электросопротивление коррозионного элемента и термосопротивления. Как видно из приведенной схемы (рис. 4.2.), для работы датчика используется потенциометрический метод измерения сопротивления. Это позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерения. Для этого в приборе Щ306/1 создается заданный ток и измеряется падение напряжений непосредственно на КЭ и термосопротивлении.
Необходимо заметить, что в режиме измерения сопротивления коррозионного образца в местах пайки может возникать термо-ЭДС, которая может повлиять существенно на результат измерений малых сопротивлений. Было замечено, что при разности температур датчика и измерительных проводов сопротивление, условно говоря, «от плюса к минусу» отличалось от сопротивления «от минуса к плюсу». Тем самым необходимо учитывать материал измерительных проводов и симметрию схемы либо вводить поправочные расчеты. Минимальная погрешность будет в случае использования проволоки из того же материала, что и материал датчика и термосопротивления.
Найдем зависимость для определения скорости коррозии к полого цилиндра внешним диаметром d и длиной /по его электросопротивлению R и температуре Г (в С). В ГОСТе 9.909-86 кроме линейной скорости коррозии (мм/год) есть другое определение скорости, которая равна коррозионной убыли массы с единичной поверхности образца в единицу времени AtrS„. At,-Sm где: / - номер измерения (г=0 - момент закладки); Att — время, прошедшее между предыдущим и настоящим измерениями; Snoe - площадь активной поверхности коррозионного элемента; Am — изменение массы образца от і-Г до і го измерения; mt и ті+і масса датчика в предыдущем и настоящем измерениях Щ=ЯтрГ1-рт, (4.2) где: S — площадь поперечного сечения трубки; рт - плотность материала трубки Зависимость сопротивления коррозионного элемента длины /, поперечного сечения Smpi, удельного электросопротивления р = p0(l + аТ) выразим в виде
