44 ВВЕДЕНИЕ
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].
щ 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 ¦"¦"v применяется ряд методов, в том числе электрохимическая защита (ЭХЗ).
v [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.
4
<
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.
Nf — 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.
1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОРРОЗИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ
По результатам литературного поиска нами были определены три основных группы методов измерения агрессивности среды: непосредственное измерение убыли массы коррозионных образцов, резистивный метод и электрохимический. Кроме этого существует ряд других оригинальных методов, но из-за их редкого использования мы не стали подразделять их в отдельные группы.
1.1 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 of 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
8
i
Л
Г/
t 4 J
а б
Рис. 1.1 Устройства для нагружения коррозионных пластинчатых образцов: а - нагружение скобой, б — нагружение винтом.
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.
с
ч
а
Рис. 1.2 Схемы нагружения коррозионных образцов:
а - двухточечное нагружение; б - трехточечное нагружение;
в - четырехточечное нагружение; г - образец в виде двойного бруса; д -
образец на сплошной опоре; е - образец, нагруженный с помощью рычага.
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
10
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].
1.2 Резистивные методы измерения коррозии
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.
Индикаторы размещают на трубе (в процессе строительства, контрольного шурфования или ремонта) и с помощью низкоомного кабеля через контакты соединяют с контрольной колонкой. В процессе коррозии толщина чувствительного элемента уменьшается и соответственно увеличивается электрическое сопротивление индикатора.
Пшшпишт шпак»
ШЦВЙIШМКЩЖИМ
для «*«а«вдн« «
тшшивШШЛ миь ширине!
Начальное сопротивление- 1-Д Ом 6)
W in npa№tw« «Mr негром за l«w
Начал txoe соиротшшсние - 10 Ом
Рис 1.3 Резисторный индикатор
коррозии: а - в виде мембраны,
б - в виде спирали
11
Кроме того, для экспресс-оценки скорости коррозии разработан третий тип индикаторов, в которых в качестве рабочего элемента использован слой напыленного металла толщиной от 0,02 до 0,2 мкм. Использование индикаторов третьего типа позволяет определять скорости коррозии на участках газопровода в течение нескольких дней. Чувствительность индикаторов этого типа составляет 1x10* мкм.
По возрастанию сопротивления индикаторов рассчитывается скорость коррозии металла трубопроводов в данных условиях.
Резисторный индикатор может быть использован для автоматического определения коррозионной активности грунта и оценки эффективности электрохимической защиты трубопровода.
Для оценки эффективности электрохимической защиты трубопровода индикатор соединяют с защищаемым сооружением и контролируют изменение его сопротивления. Например, значительное возрастание скорости коррозии индикатора будет свидетельствовать о недостаточной величине защитного потенциала в данных условиях грунта и позволит отрегулировать его до оптимального значения.
На рис. 1.4 приведены кривые 9тщ)<)соттттшаш изменения сопротивления и потенциала индикатора, соединенного с модельным трубопроводом, до включения катодной защиты и после наложения на модель потенциала, равного -0,9 В по отношению к насыщенному медно-сульфатному электроду.
Как видно из графика, скорость коррозии трубной стали при указанном потенциале существенно уменьшилась. Продолжающийся
12
-Е, Вольт (МСЭ) t
Включение попярнзацт
1.
¦ •: W
0,4
0 50 190 ДО 2йО J» 1W
Время, суг
Рис 1.4 Изменение сопротивления и
потенциала датчика коррозии при
поляризации
после включения катодного тока рост сопротивления индикатора коррозии связан с влиянием изменения температуры грунта в весенне-летний период. Таким образом, температурное воздействие необходимо учитывать для получения более достоверной информации.
В работе [57] приведены результаты лабораторного и производственного испытания, выше приведенных датчиков, на действующих магистральных газопроводах Мострансгаза и Тюментрансгаза. В методику измерения скорости коррозии внесено дополнение, заключающееся в поправке на влияние температуры, реализованной по общеизвестной зависимости
R = R0-(l + a-t)
где: R - электросопротивление при температуре t;
Ro - электросопротивление при нуле градусов Цельсия; а - температурный коэффициент сопротивления. Таким образом, зная температуру коррозионных элементов авторы приводили электросопротивление образцов к значению при нуле градусов Цельсия и находили реальный эффект коррозии.
К недостаткам резистивного датчика можно отнести: 1) малую площадь поверхности, что влечет за собой большую погрешность измерения и требует установки нескольких индикаторов в одном месте;
2) конструкция индикаторов имеет малую жесткость, что может повлечь за собой повреждение при установке и в результате подвижек грунта;
3) недолговечность службы (в работе указывается срок порядка 167 суток);
4) необходимость рытья шурфов, что трудоемко и может повлечь за собой перемешивание грунта, следовательно, изменение коррозионных условий;
5) как уже было указано в источнике [57] использование в качестве коррозионного элемента стальной проволоки затрудняет количественную обработку результата измерения по причине неопределенности в оценке «активной» поверхности. К главному недостатку таких датчиков можно
13
t
отнести отсутствие механических напряжении в металле коррозионного элемента, что, как известно, влияет на коррозионный процесс.
Известен блок индикаторов скорости коррозии подземных металлических сооружений [58] (рис. 1.5.), содержащий не менее трех индикаторов скорости коррозии резистивного типа различной толщины и шириной не более 2 мм присоединенных одним концом к контрольной пластине. Индикаторы и контрольная пластина изготовлены из того же материала, что и подземные металлические
сооружения. Индикаторы
Рис. 1.5 Блок резистивных индикаторов коррозии
расположены на расстоянии не менее 3 мм друг от друга. К контрольной пластине и противоположным концам индикаторов присоединены контрольные проводники с указателями толщины индикаторов скорости коррозии. Внутренняя поверхность индикаторов скорости коррозии изолирована антикоррозионным покрытием. Блок индикаторов скорости коррозии контрольная пластина вмонтированы в диэлектрический корпус.
По утверждению авторов изобретения преимуществом данного блока является повышение надежности диагностирования коррозионного состояния. В данном случае достоверность определяемой скорости коррозии увеличивается за счет усреднения данных со всех индикаторов. Но на наш взгляд эти преимущества весьма малы и практически все недостатки предыдущего индикатора [57] унаследованы и этим блоком индикаторов, а именно, малая площадь поверхности, отсутствие механических напряжений, трудоемкость закладки.
14
В работе [59] предложен индикатор коррозии (рис. 1.6) представляющий собой гайку специальной конструкции, в которой имеются электроизолированные вводы, для укрепления рабочего
и вспомогательного образцов. Для измерения электросопротивления индикатор соединяется с измерительным прибором.
Чувствительность индикатора коррозии
Рис. 1.6 Индикатор коррозии: может быть изменена путем использования i гай„„ г „-„ч™
х — ГаИКа, L — L/ЮИКа,
3 - вводы, 4 - шайба,
5, 6-рабочий и эталонный образцы.
образцов различной длины и поперечного сечения.
Измерение электросопротивления
коррозионных образцов реализовано с помощью равновесного моста сопротивлений, в плечи которого встраиваются рабочий и вспомогательный образцы. Таким образом, достигается схемная температурная компенсация что, несомненно, является плюсом, так как нет необходимости в измерении температуры и расчетного устранения ее влияния.
Почти во всех опытах весовые потери металла образцов, найденные расчетом по приросту электросопротивления, превышают фактические, что особенно заметно для сред, обладающих способностью вызывать локальную коррозию. Этот факт явился предметом специального изучения и послужил основанием рекомендовать данный метод для характеристики размера локальной коррозии.
Основание для вывода расчетных формул, характеризующих как равномерную, так и локальную коррозию, - то теоретически и практически оправданное положение, что для стабилизированного процесса локальной коррозии количество очагов по поверхности остается неизменным, а
15
разрушение в пределах, одной язвы идет сравнительно равномерно по всей ее площади [59].
Для удобства вывода основных расчетных формул образующиеся на цилиндрическом коррозионном образце язвы «сдвинуты» и «сгруппированы» в одном месте. Действительно такая схема не должна внести каких-либо ошибок, так как электрическое сопротивление не зависит от места нахождения пораженных коррозией участков.
На рис. 1.7 представлена схема из работы [59] распределения коррозии по поверхности образца для случая равномерного и локального воздействия. Здесь L — длина
1
I
образца, / - длина поврежденного участка при локальной коррозии.
Далее пропустим
рассуждения авторов и Рис-л п Сгруппированное распределение
приведем, на наш взгляд, важный результат, заключенный
коррозионных повреждений по поверхности образца
в величине 1/L, характеризующей долю площади образца, пораженную локальной коррозией, а так же скорость проникновения коррозии в глубину П (при неравномерной коррозии)
/¦_ AR/R0-Am/m0
где: т0 - начальная масса образца;
- коррозионная потеря массы образца.
Я = 4380-^ 1-
Л где: т- продолжительность опыта, час;
do - начальный диаметр образца.
мм/год,
16
Предложенная [59] методика оценки степени неоднородности w коррозии, несомненно, заслуживает внимания, и в дальнейшем мы
воспользуемся этим принципиальным подходом, дополнив его. Кроме того, схематически решенная проблема температурной компенсации облегчает процесс измерения, исключая процесс измерения температуры и расчетного устранения ее влияния.
К недостаткам конструкции можно отнести малую жесткость и как следствие, ограниченное применение только в жидких и газообразных средах; отсутствие механических напряжений; громоздкость вспомогательных приспособлений. Кроме этого, круглое сечение Ь коррозионного образца приводит к затруднению выбора активной
поверхности для расчета средней скорости коррозии.
Известен способ измерения скорости коррозии деталей в агрессивной среде [60], заключающийся в использовании зонда (датчика-свидетеля) вблизи исследуемой детали в агрессивной среде. Для более достоверного измерения зонд электрически контактирует с деталью. По электросопротивлению или электроемкости зонда судят о величине его коррозионного разрушения. При проведении измерений электрический контакт между зондом и деталью размыкается.
Здесь интересен факт применения электроемкости в качестве
параметра измерения наряду с электросопротивлением, но он менее
информативен, так как электроемкость может сильно зависеть от свойств
окружающей среды.
^ Существует способ определения скорости коррозии токопроводящих
материалов [61], в котором в кассету устанавливаются коррозионные
«
образцы, которые соединяются параллельно, и подается переменный ток звуковой или ультразвуковой частоты. Образцы располагаются относительно друг друга таким образом, что при пропускании через них переменного тока возникает эффект близости, характеризующийся увеличением электрического сопротивления из-за взаимного влияния
17 |
