Датчик скорости коррозии
Полезная модель относится к технике коррозионного мониторинга, в частности, к датчикам коррозии, и может быть применена для дистанционного долговременного контроля скорости коррозии металла в различных агрессивных средах, а также для оценки эффективности электрохимической защиты подземных металлических сооружений, например, трубопроводов.
Технический результат состоит в упрощении конструкции датчика скорости коррозии, многократности его использования, повышении точности определения скорости коррозии.
Датчик скорости коррозии содержащит корпус, выполненный в форме цилиндрического стакана. Внутри корпуса последовательно размещены пьезоэлектрический преобразователь совмещенной конструкции и сплошной металлический цилиндр, диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса. Корпус выполнен из гидроизоляционного материала, например, из эпоксидного компаунда. Сплошной металлический цилиндр выполнен из того же материала, что и исследуемые металлические сооружения, например, трубопроводы. Между пьезоэлектрическим преобразователем и верхним торцом сплошного металлического цилиндра размещен слой инертного материала, например эпоксидного компаунда, осуществляющий механический и акустический контакт между ним и пьезоэлектрическим преобразователем.
Полезная модель относится к технике коррозионного мониторинга, в частности, к датчикам коррозии, и может быть применена для дистанционного долговременного контроля скорости коррозии металла в различных агрессивных средах, а также для оценки эффективности электрохимической защиты подземных металлических сооружений, например, трубопроводов.
Коррозия металлов и сплавов наносит огромный экономический и экологический ущерб. В результате коррозии преждевременно выходят из строя нефте-, газо- и водопроводы, металлические конструкции, аппараты, машины и оборудование. Прямые потери металлофонда от коррозии составляют 15-30% его ежегодной выплавки. Косвенные потери, согласно ориентированным расчетам превышают прямые в 1,5-2 раза [В.В.Ремизов, А.Д.Седых, Э.Л.Вольский, Б.Б.Куликов, П.М.Ломако. Основные направления научно-технической политики РАО «Газпром» М. Газовая промышленность, 
5, 1998 г.].
Коррозионный мониторинг позволяет уменьшить вероятность аварии и финансовые затраты, связанные с ремонтом оборудования. Основным диагностическим элементом систем мониторинга являются сенсорные устройства, позволяющие оценивать кинетику процессов коррозии.
В целях контроля среднестатистической скорости коррозии на различных участках трассы подземных трубопроводов разработаны резисторные индикаторы коррозии [Ю.Н.Михайловский, А.И.Маршаков, В.Э.Игнатенко, М.А Петрушин, Н.А.Петров, В.М.Буховцев. Контроль коррозионного состояния подземных трубопроводов с помощью резисторных датчиков. «Защита металлов», том 36, 6, с.636-641, М. 2000]. Принцип работы резисторных индикаторов заключается в определении скорости коррозии посредством измерения электрического сопротивления чувствительного элемента (стальная фольга или напыленный слой железа). В процессе коррозии толщина чувствительного элемента уменьшается и, соответственно, увеличивается его электрическое сопротивление.. Для оценки степени электрохимической защиты участка трубопровода чувствительный элемент индикатора коррозии соединяют с защищаемым сооружением и контролируют изменение его сопротивления.
Недостатками резисторных индикаторов скорости коррозии являются относительно небольшой срок службы, снижение величины защитного потенциала трубопровода в точке присоединения датчика коррозии к трубопроводу, вследствие значительной площади чувствительного элемента, техническая сложность контроля скорости коррозии, так как стальной чувствительный элемент имеет малое удельное сопротивление и изменение сопротивления сопоставимо с погрешностью его измерения серийно выпускаемыми приборами, зависимость электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры среды, и погрешность измерения сопротивления чувствительного элемента, вызванная работой микрогальванических пар.
Известен блок индикаторов скорости коррозии, состоящий из набора пластин (отрезков проволоки), имеющих разные толщины (диаметры) [Пат. РФ 2161789, МПК G01N 17/00, 27/30, «Блок индикаторов скорости коррозии подземных металлических сооружений»]. Пластины (отрезки проволоки) укреплены с помощью пайки или контактной сварки на контрольной пластине с одного конца. К другим концам пластин (отрезков проволоки) и контрольной пластине присоединены изолированные проводники с указателями толщины индикаторов скорости коррозии. Пластины вмонтированы в пластмассовый корпус таким образом, что внутренние поверхности пластин изолированы от внешней среды. Контрольная пластина присоединена к подземному металлическому сооружению (трубопроводу) Путем периодического измерения электропроводности цепи между трубопроводом и каждым из индикаторов скорости коррозии определяется момент разрушения индикаторов. Сущность метода заключается в том, что с помощью набора пластин оценивают скорость средней коррозии при электрохимической защите трубопровода по времени от момента установки индикатора до потери продольной электропроводности пластин в результате коррозии. Данное устройство осуществляет контроль скорости коррозии без коррекции температурной погрешности и токов микрогальванических пар длительное время.
В то же время данное устройство не может быть использовано в системе коррозионного мониторинга, так как не позволяет отслеживать кинетику коррозионных процессов в процессе эксплуатации сооружения.
Наиболее близким к заявляемому датчику скорости коррозии является датчик коррозии [Пат. РФ 2386950 МПК G01N 17/04 Датчик коррозии Заявлено: 11.08.2008, Опубликовано: 20.04.2010.], который принят за прототип. Датчик коррозии содержит сборный магнитопровод, состоящий из отрезка стальной трубы и помещенных внутрь него сердечника в виде составной катушки. Стальные полукатушки соединены муфтой из немагнитного материала, на стальные половины катушки намотаны обмотки, в полость датчика встроен контактный электрод, выполненный цилиндрическим, влагопоглощающий материал, эпоксидный компаунд, соединительные провода. При этом отрезок стальной трубы является чувствительным элементом и корпусом, щелевая полость между корпусом и контактным электродом заполнена влагопоглощающим материалом. Эпоксидный компаунд служит для изоляции наружной поверхности полукатушек от коррозионной среды, а соединительные провода выведены на поверхность земли в контрольно-измерительный пункт. Датчик коррозии устанавливают в грунт. После установки в грунт в результате коррозии разрушается наружная поверхность корпуса датчика, вследствие чего изменяется магнитная проводимость магнитопровода, состоящего из отрезка стальной трубы, стальных полукатушек и муфты. Изменение магнитной проводимости приводит к изменению тока (напряжения) на выходе одной полукатушки. По изменению тока (напряжения) оценивают степень коррозионного разрушения наружной поверхности корпуса датчика, таким образом, выявляют общую коррозию. Развитие процессов локальной коррозии приводит к сквозному разрушению корпуса датчика и проникновению грунтового электролита внутрь, при этом между корпусом датчика и контактным электродом образуется электролитический контакт, который обнаруживают по снижению электросопротивления. Эпоксидный компаунд изолирует наружную поверхность стальных полукатушек от коррозионной среды. Все измерения проводят через измерительные провода, выведенные на поверхность земли в контрольно-измерительный пункт.
Недостатками датчика коррозии, принятого за прототип являются: трудоемкость изготовления устройства, однократность его применения, недостаточная точность определения скорости коррозии.
При контроле скорости внутренней коррозии и эрозии трубопроводов при одностороннем доступе к поверхности, дефектоскопии и структуроскопии различных материалов и изделий хорошо зарекомендовали себя ультразвуковые методы. Принцип работы ультразвуковых методов основан на отражении ультразвуковых волн от исследуемой поверхности, изменении амплитуды и сдвига фаз исходящей и отраженной волн в зависимости от толщины образца и текстурной анизотропии металла. Это позволяет зафиксировать даже незначительное изменение толщины, локализованные очаги питтинговой коррозии и участки межкристаллитной коррозии. [Пат. РФ 2442106 МПК G01В 17/02 Ультразвуковой способ измерения толщины изделия; Заявлено: 07.08.2009, Опубликовано: 20.02.2011].
Задача при создании полезной модели - разработка датчика скорости коррозии для дистанционного долговременного контроля скорости коррозии металлов в различных агрессивных средах и для оценки эффективности электрохимической защиты подземных металлических сооружений (трубопроводов) от коррозии.
Достигаемый технический результат состоит в упрощении конструкции датчика скорости коррозии, многократности его использования, повышении точности определения скорости коррозии.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что датчик скорости коррозии содержит корпус, выполненный в форме цилиндрического стакана, внутри корпуса последовательно размещены пьезоэлектрический преобразователь совмещенной конструкции и сплошной металлический цилиндр, диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса, корпус выполнен из гидроизоляционного материала, например, из эпоксидного компаунда, сплошной металлический цилиндр выполнен из того же материала, что и исследуемые металлические сооружения, например, трубопроводы, между пьезоэлектрическим преобразователем и верхним торцом сплошного металлического цилиндра размещен слой инертного материала, например эпоксидного компаунда, осуществляющий механический и акустический контакт между ним и пьезоэлектрическим преобразователем.
Заявляемая полезная модель представлена на фиг.
Датчик скорости коррозии содержит корпус 1, который выполнен в форме цилиндрического стакана. Внутри корпуса 1 последовательно размещены пьезоэлектрический преобразователь 2 совмещенной конструкции и сплошной металлический цилиндр 3, диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса 1.
Корпус 1 выполнен из гидроизоляционного материала, например, из эпоксидного компаунда.
Сплошной металлический цилиндр 3 выполнен из того же материала, что и исследуемые металлические сооружения.
Между пьезоэлектрическим преобразователем 2 и верхним торцом сплошного металлического цилиндра 3 размещен слой инертного материала 4, например, эпоксидного компаунда, осуществляющий механический и акустический контакт между сплошным металлическим цилиндром 3 и пьезоэлектрическим преобразователем 2.
Для определения скорости коррозии датчик, помещенный вблизи исследуемого объекта в коррозионной среде, подсоединяют к устройству для формирования и обработки сигналов (на фиг. показана его блок-схема), который расположен на поверхности, вне коррозионной среды.
Работа датчика скорости коррозии осуществляется следующим образом: синхронизатор 5 вырабатывает прямоугольные импульсы, которые запускают генератор зондирующих импульсов 6, электрически возбуждающих пьезоэлектрический преобразователь 2. Последний через слой инертного материала 4, осуществляющий акустический контакт, излучает в сплошной металлический цилиндр 3 ультразвуковые импульсы, которые отражаются от его верхней и нижней (рабочей) поверхностей. Отраженные импульсы возвращаются к пьезоэлектрическому преобразователю 2, принимаются им и преобразуются в электрическую форму. Преобразованные в электрическую форму импульсы, соответствующие отражениям от верхней и нижней (рабочей) поверхностей сплошного металлического цилиндра 3, поступают на вход усилителя 7, далее - на сигнальный вход временного селектора 8, на управляющий вход которого поступают импульсы синхронизатора 5. Временной селектор 8 выделяет полезные эхоимпульсы, отраженные от верхней и нижней (рабочей) поверхностей сплошного металлического цилиндра 3.
Отселектированные таким образом пары полезных эхоимпульсов с выхода временного селектора 8 поступают на нормализатор амплитуд 9, а затем - на вход измерителя временных интервалов 10. Нормализованный начальный и конечный импульсы, соответствующие отражению от верхней и нижней (рабочей) поверхностей сплошного металлического цилиндра 3, формируют, соответственно, сигналы «старт» и «стоп» измерителя временных интервалов 10. Анализ многократно отраженных импульсов от верхней и нижней (рабочей) поверхностей сплошного металлического цилиндра 3 позволяет повысить точность измерения его толщины.
Толщину сплошного металлического цилиндра hi, [мм] определяют по формуле:
,
где c - скорость звука в металле, [м/с];
t - период времени, измеренный измерителем временных интервалов, [с]
Скорость звука в металле с, [м/с] определяют по формуле:
,
где hпр. - прямое измерение толщины металлического цилиндра с помощью микрометра перед сборкой датчика, [мм];
Скорость коррозии исследуемого металла (Vкорр.), [мм/год] определяют по формуле:
,
где h0 - начальная толщина металлического цилиндра перед экспозицией в среде, мм;
hT - толщина металлического цилиндра через период времени Т, мм;
Т - период экспозиции металлического цилиндра в коррозионной среде, год.
С целью контроля эффективности работы электрохимической защиты подземных металлических сооружений (трубопроводов) по поляризационному потенциалу на верхней части сплошного металлического цилиндра 3 посредством пайки закрепляют изолированный проводник 11, который подключают к исследуемому объекту (трубопроводу).
Конструкция заявляемого датчика скорости коррозии предусматривает возможность многократного использования одного изделия для контроля скорости коррозии. Эта возможность реализуется следующим образом. После определения скорости коррозии в коррозионной среде датчик извлекается, с нижней (рабочей) поверхности производится механическое удаление рабочего слоя сплошного металлического цилиндра с продуктами коррозии и части гидроизоляционной оболочки, рабочая поверхность сплошного металлического цилиндра шлифуется. После этого датчик можно использовать повторно.
Датчик скорости коррозии, содержащий корпус, выполненный в форме цилиндрического стакана, внутри корпуса последовательно размещены пьезоэлектрический преобразователь совмещенной конструкции и сплошной металлический цилиндр, диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса, корпус выполнен из гидроизоляционного материала, например из эпоксидного компаунда, сплошной металлический цилиндр выполнен из того же материала, что и исследуемые металлические сооружения, например трубопроводы, между пьезоэлектрическим преобразователем и верхним торцом сплошного металлического цилиндра размещен слой инертного материала, например эпоксидного компаунда, осуществляющий механический и акустический контакт между ним и пьезоэлектрическим преобразователем.
