СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Причина возникновения коррозии
Виды коррозионных разрушений
Методы определения скорости коррозии
Классификация датчиков
● Датчики наповерхностных электромагнитных волнах
● Датчики на основеизмерения поляризационного сопротивления
● Датчики перколяционноготипа
● Датчики основанные напринципе измерения убыли (возрастания) массы образца – гравиметрический метод иэлектрического сопротивления
● Ультразвуковые датчики
Обоснованность применения АСУконтроля коррозии
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Коррозия металлов, исплавов в агрессивных средах наносит огромный ущерб. В результате коррозиипреждевременно выходят из строя нефте-, газо- и водопроводы, металлическиеконструкции, аппараты, машины и оборудование. Прямые потери от коррозии (потеристоимости выбывших из строя основных фондов, затраты на противокоррозионнуюзащиту, на капитальные и текущие ремонты по причине коррозии) в промышленноразвитых странах составляют 2–5% национального дохода, потери металлофонда –15–30% его ежегодной выплавки. Косвенные потери, согласно ориентированным расчетампревышают прямые в 1,5 – 2 раза.
Несмотряна большие возможности, которыми располагает современная техника защитыметаллов, расходы, связанные с коррозией металлических изделий, конструкций иоборудования весьма велики.
Ежегодные затраты назащиту от коррозии оборудования из стали достигают примерно 20% стоимости вновьизготовленных сооружений и тенденция роста этих затрат не уменьшается. Поэтомуразработка мероприятий, направленных на повышение коррозионной стойкостиметаллов и изделий из них, является весьма актуальной задачей.
Научно-исследовательские работы по проблеме коррозии металловвразличных агрессивных средах ведутся, в основном, по следующимнаправлениям:
· создание новыхкоррозионно-стойких конструкционных материалов;
· разработка способовзащиты от коррозии конструкций, оборудования и материалов.
В настоящее время,вызывает интерес разработка средств технического контроля и обеспечения защитыконструкций и оборудования от коррозии металлов. Наиболее важно это дляхимической и нефтехимической промышленности, с целью увеличения эксплутационныхресурсов химического оборудования путем своевременного диагностирования изащиты.
ПРИЧИНА ВОЗНИКНОВЕНИЯКОРРОЗИИ
Существуетдва основных вида коррозии химическая, наблюдаемая в газовых средах при высокойтемпературе, и электрохимическая.
Процессэлектрохимической коррозии совокупность двух сопряженно протекающих реакций:
/>(анодный процесс),
/>(катодный процесс),
где D – деполяризатор (окислитель).
Причинакоррозии – термодинамическая неустойчивость металлов, сплавов и сталей вагрессивной среде. Определить вероятность протекания коррозионного процесса,как и любого электрохимического процесса, можно по величине изменения энергииГиббса:
/>
Известно,что любая реакция протекает в данном направлении, если при этом уменьшаетсяэнергия Гиббса ΔG
/>,
где />.
Такимобразом, />
Изпоследнего уравнения видно, что коррозия металла протекает самопроизвольно приусловии, что равновесный потенциал окислителя /> болееположителен, чем равновесный потенциал металла />.
ВИДЫКОРРОЗИОННЫХ РАЗРУШЕНИЙ
Коррозия,в зависимости от природы металла, агрессивной среды и других условий, приводитк различным видам разрушений. На рис. 1 представлены разрезы через прокорродировавшийобразец металла, показывающие возможные изменения рельефа поверхности в результатекоррозии.
/>
Рис 1.Схематическое изображение различных видов коррозии:
А –равномерная коррозия; Б – коррозия пятнами; В, Г – коррозия язвами; Д – точечнаякоррозия (питтинг); Е – подповерхностная коррозия; НН – исходная поверхностьметалла; КК – рельеф поверхности, измененный вследствие коррозии.
Иногдакоррозия протекает со скоростью, почти одинаковой по всей поверхности; в такомслучае поверхность становится только немного более шероховатой, чем исходная(рис. 1А) Часто наблюдается различная скорость коррозии на отдельных участках:пятнами (рис. 1Б), язвами (рис. 1В и 1Г). Если язвы имеют малое сечение, ноотносительно большую глубину, (рис. 1Д), то говорят о точечной коррозии(питтинг). В некоторых условиях небольшая язва распространяется вглубь и вширьпод поверхностью (рис. 1E).
Неравномернаякоррозия значительно более опасна, чем равномерная. Неравномерная коррозия, присравнительно небольшом количестве окисленного металла, вызывает большоеуменьшение сечения в отдельных местах. Язвенная или точечная коррозия могутпривести к образованию сквозных отверстий, например в листовом материале, прималой потере металла.
Приведеннаяклассификация, конечно, условна. Возможны многочисленные формы разрушения, лежащиемежду характерными типами.
/>
Рис. 2.Межкристаллитная коррозия.
Некоторые сплавы подвержены своеобразному виду коррозии, протекающейтолько по границам кристаллитов (рис. 3), которые оказываются отделенными другот друга тонким слоем продуктов коррозии (межкристаллитная коррозия). Здесьпотери металла очень малы, но сплав теряет прочность. Это очень опасный видкоррозии, который нельзя обнаружить при наружном осмотре изделия.
Следует понимать, что взависимости от преобладания того или иного вида коррозии применяют тот илидругой датчик, со свои принципом действия.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ
СогласноГОСТ 5272-68, 9020-74, 17332-71 и литературным сведениям процесс коррозииметаллических материалов оценивают с учетом следующих количественныхпоказателей (или методов):
1. Средняя скоростькоррозии (коррозионные потери единицы поверхности металла в единицу времени):
/>
где m0, m1 m2 – масса образца соответственно исходного, после коррозионногоиспытания и с продуктами коррозии; S0– площадь,м2; τ – время, ч.
Повеличине средней скорости коррозии находят балл, характеристику устойчивостиметалла и коррозионную активность среды. Используя этот метод, непредставляется возможным сравнить между собой коррозионную стойкость металлов,сталей и сплавов с различной плотностью.
2. глубинныйпоказатель коррозии П (т.е. глубину коррозионного разрушения металла в единицувремени) учитывает плотность материала и выражается уравнением
/>
гдеρ – плотность материала г/см3; />средняяскорость коррозии, г/(м2·ч).
3. Механическийпоказатель коррозии – изменение какого-либо показателя механических свойствметалла, %:
/>
где /> предел прочности; Р0– разрушающая нагрузка до коррозии; S0начальнаяплощадь сечения образца; /> предел прочностиметалла после коррозии; Р1 разрушающая нагрузка после коррозионногоиспытания в течение τ, ч.
4. Измерениеэлектрического сопротивления образца:
/>
где R0и R1 – электрическое сопротивлениеобразца соответственно до коррозии и после коррозионного испытания в течениеτ, ч.
5. Объемныйпоказатель коррозии (объем поглощенного или выделившегося в процессе коррозииметалла газа, приведенный к нормальным условиям и отнесенный к единицеповерхности металла и к единице времени):
/>
где />– объем выделившегося(поглощенного) газа, см3, />– парциональноедавление паров воды.
6. Глубинамежкристаллитной коррозии оценивается как по изменению электрическогосопротивления, так и прочностного показателя. В частности, для тонколистовогометалла и проволоки степень поражения поперечного сечения образца межкристаллитнойкоррозии рассчитывается по уравнению
/>
где S2 – площадь поперечного сечения металла, пораженногомежкристаллитной коррозией; S1 – его площадь до коррозии; ρ2– удельное электрическое сопротивление металла, пораженного коррозией; ρ –удельное электрическое сопротивление образца после коррозии; ρ1– удельное электрическое сопротивление слоя, не пораженного коррозией металла.
КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ
Из предыдущей главывидно, что определение скорости коррозии, есть не что иное, как косвенныйпроцесс измерения.
Косвенным измерениемназывается – измерение при котором измеряемую величину определяют на основаниизависимости между этой величиной и величинами подвергаемыми прямым измерениям.В общем случае измеряемую величину определяют по формуле: X = F(x1,x2…xn),где Х – искомое значение измеряемой величины (функция отклика), (x1,x2…xn) – значения величин измеряемымпрямым способом (уровень фактора).
Датчики наповерхностных электромагнитных волнах
Для изучения ибесконтактного контроля электрохимической коррозии элементов подземныхметаллических конструкций разработаны датчики на поверхностных электромагнитныхволнах, которые позволяют непрерывно наблюдать за процессом коррозии стенкитрубы, за развитием трещин при прохождении процесса стресс-коррозии, а такжеиспользовать датчики со «свидетелями» для непрерывного контроля процессакоррозии внутри сосуда высокого давления.
Рассмотрим принципыдействия разрабатываемых датчиков на поверхностных волнах в зависимости отсостояния контролируемой поверхности или расположения элемента металлическойконструкции.
Функциональная схемадатчика представлена на рис.3
/>
Рис.3 Функциональнаясхема датчика
1 — Стабилизированныйисточник питания;
2 – Генератор;
3 – Буферный каскад;
4 – Выходной каскад;
5 – Формировательэлектромагнитного поля;
6 – Фильтр низкойчастоты;
7 – Режекторный фильтр;
8 – Измеряемый слой;
9 – d – Зазор междуформирователем поля и контролируемой поверхностью.
Физическая сущностьразработанного способа заключается в следующем. Возбуждаемая в формирователе 4датчика, поверхностная электромагнитная волна, со смещенной в областьизолирующего покрытия 3, контролируемого объекта 1 энергией магнитного поля,практически нечувствительна к диэлектрической проницаемости и электромагнитнымпотерям материала изолирующего покрытия 3, а также к его проводимости. Смещениеэнергии магнитного поля достигается при противофазном возбуждении образующихформирователь 4 (рис. 2) импедансных проводников 2 и 3 (рис 4), имеющиеидентичные размеры и конфигурации в виде повернутых на 180oзеркальных отображений друг друга. (рис. 6)
/>
Рис. 4
1 – Объект
2 – Коррозионная среда
3 – Диэлектрическоепокрытие
4 – Формирователь(датчик)
5 – Металлическаяповерхность контролируемого объекта
6 – Преобразователь
/>
Рис. 5
/>
Рис.6
2,3 – Импедансныепроводники арифметически связанных спиралей.
/>
Рис.7 Контроль развитиятрещины
1- Контролируемый объект(труба)
3 – Изоляционное покрытие
5 – Металлическаяповерхность объекта
Замедление поверхностнойэлектромагнитной волны, возбуждаемой в формирователе электромагнитного поля,выражено в соответствии с условием:
/>
где: n — замедлениеповерхностной волны
e0-диэлектрическая проницаемость вакуума
ω — угловая частота
s — удельная проводимостьизолирующего покрытия
e — относительноезначение диэлектрической проницаемости изолирующего покрытия
j0 — мнимаяединица
При расположенииформирователя над зоной дефекта уменьшается ток на поверхности контролируемогообъекта за счет увеличения пути возбуждаемого тока (рис.7) и при наличиидефектов глубиной, сравнимых с размерами сосредоточения поля поверхностнойволны приводит к значительному увеличению фазовой постоянной то есть кувеличению замедления n.
Так как замедление n поопределению равно отношению b/k, но для b видно, что при выполнении условияпараметры e коррозионной среды недостаточны, чтобы повлиять на величину фазовойпостоянной b, т.е. повлиять на замедление n поверхностной электромагнитнойволны.
Датчики на основеизмерения поляризационного сопротивления
К таким датчикамотносится известный отечественный датчик – Моникор-1 — является первымприбором, давшим название серии приборов и оборудования. С помощью индикатораскорости коррозии Моникор-1 можно узнать в течение 1 минуты скорость коррозии вводной среде в момент измерения. Работа прибора основана на измеренииполяризационного сопротивления (LPR — в зарубежной терминологии) при наложениина электроды датчика минимальной поляризации (до 10 мв) вблизи стационарногопотенциала коррозии. Теоретически обосновано (Штерном и Гири), что при этом токкоррозии обратно пропорционален поляризационному сопротивлению. И согласноуравнению Тафеля
/>
гдеα — коэффициент переноса, показывающий, какую часть от разности энергиииона в кристаллической решетке металла и электролита раствора составляет энергияактивации его электрохимической реакции. /> -перенапряжение. Имеем зависимость основного параметра скорости коррозии — поляризационного тока от поляризационного сопротивления.
Диапазон измеренийприбора: от 0,001 до 30,0 мм/год. Выбор поддиапазонов измерения и настройкапроисходят в автоматическом режиме. C октября 2003 года они стали оснащатьсякомпенсатором омического сопротивления раствора.
Прибор подключается кпромысловому датчику и производит измерения в автономном режиме, что позволяетвыявлять отклонения в коррозионной агрессивности среды и защитной способностиингибиторов коррозии в течение всего периода автономной работы (более 1000замеров при использовании батарейного питания). Изменения скорости коррозии вовремени отображаются в табличном и графическом виде на компьютере.
Для прибора разработанапрограмма приема данных, позволяющая импортировать данные, проводить их учет ианализ и может быть дополнена новыми возможностями. Программа позволяет экспортироватьполученные данные в MS Excel и в текстовый файл формата csv. Экспортированныефайлы с результатами измерений позволяют загружать полученные данные впрограмму «Экстра».
Наличие организованноготаким образом постоянного контроля позволяет выявлять факторы, влияющие накоррозионный процесс, а также оптимально подбирать защитные дозировкиингибитора, следствием чего является сокращение производственных затрат назащиту коррозии. Опыт работы показывает, что сведения, получаемые припостоянном контроле гораздо достовернее информации о скорости коррозии приразовых замерах.
В 2003 году, на базекоррозиметров Моникор-2 планируется закончить работы по разработке системыавтоматического управления производительностью дозировочных насосов порадиоканалу, основанных на обработке показаний отдаленных датчиков скоростикоррозии. Методика проведения испытаний с помощью коррозиметров изложена в ГОСТ9.514-99.
Датчикиперколяционного типа
Эти датчики предназначеныдля контроля коррозии поверхности объекта под теплоизоляцией, железных арматурв монолитных блоках и т. п.
Датчик может производитькак периодический или непрерывный контроль величины коррозии (утонения стенкиза счет коррозии контролируемой поверхности) поверхности, на которую онустановлен, в мм. Диапазон температур использования датчика лежит в пределах отминус 50 до 150 оС. Влажность и кислотность окружающей датчик средыне ограничивают его применение. Датчик состоит из текстолитовой пластины, накоторую намотан провод из материала аналогичного материалу исследуемой поверхности.
/>
/>
Рис 8. Принципиальная схема перколяционных датчиков.
1. – Провод
2. – Балластноесопротивление
3. – Авометр
4. – Источник переменноготока
Диаметр и длина проводавыбираются в зависимости от скорости коррозии и прибора, с помощью которогопроизводятся измерения параметров датчика. По результатам измерения параметровдатчика определяется величина коррозии, которая произошла на поверхностиисследуемого объекта с момента установки датчика. Используя ток высокойчастоты, в этом методе позволяет устранить составляющую (сопротивления)коррозионной среды. Методика обработки результатов измерения индивидуальна изависит от материала исследуемого объекта, окружающей среды, температуры стенкиобъекта и окружающей среды. В некоторых случаях потребуются дополнительныеисследования. Для внедрения описанной методики контроля требуются определенныезатраты.
Датчики основанные напринципе измерения убыли (возрастания) массы образца – гравиметрический метод иэлектрического сопротивления
Эти датчики являютсясамыми простыми в исполнении и использовании, принципиальная схема этихдатчиков изображена на рис. 7
/>
Рис. 9 Принцип работыдатчиков.
Принцип действия такихдатчиков, основан на убыли (возрастания) массы образца или падениясопротивления. Достоинство этих датчиков – простота и дешевизна, но с другойстороны такие датчики менее точные, требует аппаратуры способной измерятьмалейшие изменения параметров. Используя эти датчики можно определить толькосреднюю скорость коррозии, что является крайне скудной информацией в общейсистеме мониторинга.
Ультразвуковые датчики
При неразрушающемконтроле в нефттехимической отрасли промышленности часто требуется выявление икартографирование коррозионных поражений. И здесь хорошо зарекомендовали себяультразвуковые системы коррозионного мониторинга. Они используется в системедиагностического контроля для обслуживания локальных участков конструкциихарактеризующихся интенсивным износом и высокой вероятностью появленияусталостных трещин.
/>
Рис 10. Схемаультразвуковой установки.
Принцип этих датчиковоснован на отражении ультразвуковых волн от исследуемой поверхности, измененииих амплитуды и сдвига фаз исходящей и отраженной волн в зависимости от толщиныобразца сдвиг фаз разный, этот способ позволяет зафиксировать даженезначительное изменение толщины, локализованные очаги питтинговой коррозии иучастки межкристаллической коррозии.
Дефектоскоп MS 5800 можетбыть использован с различными датчиками и сканерами для картографированиякоррозии.
Несколько ручных датчиковскрепленных вместе представляют собой простое и эффективное решение дляконтроля днищ резервуаров, сосудов давления, труб и т.п.
Автоматические сканерытакие как ROVER и TRAKER, с ультразвуковым дефектоскопом µTomoscan могутиспользоваться для автоматического контроля стенок резервуаров и другиханалогичных объектов для получения точных данных о механических свойствахобъектов.
Картографированиекоррозии труб с помощью ультразвуковых фазированных решеток.
Картографированиекоррозии труб обычно производится вращающимися ультразвуковыми датчиками. Дляобнаружения питтинговой коррозии датчики должны перемещеться довольно медленнообычно 25 или 50 мм в секунду. R/D Tech разработала систему с фазированнымирешетками, которая позволяет увеличить скорость контроля до 300 мм в секунду,т.е. десятикратное увеличение скорости. Эта система построена на основе датчикас фазированной решеткой, который использует зеркало для отражения луча, такчтобы питтинговая коррозия в стенке трубы попадала под правильным углом.
В настоящее времяавтоматический ультрозвуковой контроль все больше заменяет ручное обследование.Автоматический контроль существенно более надежен и позволяет повторновоспроизводить результаты контроля, а так же позволяет записывать полученныеданные для последующего анализа.
Гарантируются 100%покрытие поверхности контроля; повторяемость, снижение субъективностирезультатов контроля
Точность оценки дефектов
Многоканальноеобследование
Получение видов с верху ис боку; наложение изображений
Вывод отчетов, архивированиеинформации и анализ результатов
Возможность наблюденияроста дефектов от одного обследования до другого
Интерпретация данных спомощью компьютера
Таблицы дефектов и отчеты
/>
Рис. 11 Автоматическая системаультразвукового мониторинга.
ОБОСНОВАННОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯАСУ КОНТРОЛЯ КОРРОЗИИ
В связи с большимисроками эксплуатации конструкций и возрастающей с каждым годом интенсивностьюотказов, связанных с образованием в металле эксплуатационных дефектов в видекоррозионного и эрозионного износа стенок, несплошностей, расслоений и трещин,использование традиционных дискретных методов обследования становитсянеэффективным из-за большой трудоемкости, несвоевременности и локальностиданных способов обследования.
Радикальным способомобеспечения необходимого уровня эксплуатационной надежности конструкцийявляется применение системы непрерывного слежения (мониторинга) за техническимсостоянием в процессе эксплуатации на основе акустико-эмиссионного метода,различных методов неразрушающего контроля и методов экспериментальной оценкинапряженно-деформированного состояния.
Основные причиныорганизации систем диагностического мониторинга на объектах:
отсутствие доступа изатрудненный доступ к объекту;
высокие скорости ростаэксплуатационных дефектов в конструкции;
катастрофическиепоследствия от разрушения объекта.
Основные цели организациисистем диагностического мониторинга на объектах:
своевременное обнаружениедефектов;
сбор, хранение и анализданных технического диагностирования и прогнозирование изменения техническогосостояния объектов во времени;
автоматизациятехнического диагностирования и устранение человеческого фактора в оценкерезультатов диагностирования.
Основные этапы организациисистем диагностического мониторинга на объектах:
определение нагрузок,действующих на объект и оценка типов эксплуатационных дефектов;
оценка доступа в процессеэксплуатации и выбор используемых методов неразрушающего контроля (НК);
разработка структурнойсхемы аппаратуры диагностического мониторинга;
разработка способовобеспечения эксплуатационной надежности диагностического комплекса в течениезаданного интервала времени;
разработка критериевповреждаемости объекта и мероприятий по принятию решений о его дальнейшейэксплуатации.
Предпочтительными длядиагностического мониторинга являются объекты, которые обладают следующимиэксплуатационными параметрами:
1. Высокие скорости ростаэксплуатационных дефектов и как следствие малая долговечность конструкции до ееполного разрушения
2. Последствия отразрушения конструкции, приводят к большим материальным потерям и значительномуриску для обслуживающего персонала.
3. Отсутствует илизатруднен доступ к объекту в процессе эксплуатации.
4. Значительный объемдискретного контроля, сопровождающийся значительными простоями и снижениемдостоверности контроля.
Сказанное выше полностьювключается в рамки химической и нефтехимической промышленности, поэтомуиспользования датчиков коррозионного мониторинга в настоящий момент являетсянеотъемлемой частью, любой автоматической системы управления химическогопредприятия.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.В.Ремизов,А.Д.Седых, Э.Л.Вольский, Б.Б.Куликов, П.М.Ломако. Основные направлениянаучно-технической политики РАО «Газпром» М. Газовая промышленность, №5, 1998г.
2. Ю.Н.Пчельников.Исследование замедляющих систем в устройствах народного хозяйствах. М.Электронная техника, СВЧ техника, №6, 1992г.
3. Патент № 2120121.Способ обнаружения и контроля развития дефектов на металлических поверхностяхобъектов.
4. Ю.Н.Пчельников,А.И.Гриценко, Р.М.Дымшиц, Г.М.Федичкин, А.Д.Сулимин, З.Т.Галиуллин, С.В.Карпов,В.Д.Сулимин.
5. Моникор®: Системакоррозионного мониторинга химической и нефтехимической промышленности/Copyright © Интерюнис, 2003. – monicor.ru.
6. Компьютерныетехнологии: Разработка датчиков коррозии/ Copyright © 1998-2004. – inmac.com
7. Rad-Tech: Автоматический ультразвуковой контроль/ Copyright © 1999, 2002 by R/D Tech inc. – www.rd-tech.ru/tech_ultra