Способ определения скорости и типа коррозии
Владельцы патента RU 2761382:
Общество с ограниченной ответственностью "Газпром проектирование" (RU)
Изобретение относится к способам определения скорости коррозии в автоматизированных системах коррозионного мониторинга. Способ определения скорости и типа коррозии заключается в том, что на внутренней поверхности образца-свидетеля, изготовленного в виде металлической пластины с внешней и внутренней противоположными параллельными поверхностями, размещают совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, акустический излучатель и акустический приемник, внешнюю поверхность образца-свидетеля помещают в среду, вызывающую ее коррозию, а внутреннюю поверхность образца-свидетеля закрывают защитным кожухом, предотвращающим контакт со средой, на вход/выход совмещенного пьезоэлектрического преобразователя подают излучающий сигнал нормального зондирования в виде электрического импульса, который возбуждает в образце-свидетеле импульс ультразвуковой продольной акустической волны зондирующего сигнала нормального зондирования, и определяют значение текущей толщины образца-свидетеля при нормальном зондировании, на вход акустического излучателя подают излучающий сигнал наклонного зондирования в виде электрического импульса, по разнице моментов времени подачи на вход акустического излучателя излучающего сигнала наклонного зондирования и фиксации на выходе акустического приемника отраженного донного сигнала наклонного зондирования определяют значение текущей толщины образца-свидетеля для наклонного зондирования, на основе сопоставления значений текущей толщины образца-свидетеля, определенной для нормального зондирования, и толщины образца-свидетеля для нормального зондирования вычисляют скорость коррозии, протекающей на внешней поверхности металлической пластины образца-свидетеля, на основе сопоставления значения текущей толщины образца-свидетеля для нормального зондирования и текущей толщины образца-свидетеля для наклонного зондирования судят о типе коррозии, протекающей на внешней поверхности металлической пластины образца-свидетеля, при этом место расположения на внутренней поверхности образца-свидетеля совмещенного пьезоэлектрического преобразователя, материал излучающей и принимающей призм, углы наклонных граней и их место расположения на внутренней поверхности образца-свидетеля выбирают такими, чтобы область рассеяния совпадала с областью зондирования на внешней поверхности образца-свидетеля, при этом акустический излучатель может возбуждать в образце-свидетеле зондирующий сигнал, а акустический приемник принимать из материала образца-свидетеля донный сигнал как в виде импульсов ультразвуковой поперечной, так и продольной акустической волны. Техническим результатом является уменьшение нагрузки на устройство катодной защиты и повышение точности оценки скорости и типа коррозии. 1 ил.
Изобретение относится к автоматическим способам определения скорости коррозии в автоматизированных системах коррозионного мониторинга.
Одной из задач автоматизированных систем коррозионного мониторинга является предсказание развития коррозионных процессов защищаемого металлического сооружения в случае нарушения изоляционного покрытия. Это позволяет оценивать риски от коррозионных повреждений при нарушении изоляционного покрытия, ранжировать и планировать мероприятия в случае такого нарушения.
Признанным наиболее эффективным и наиболее распространенным способом предсказания развития коррозионных процессов является метод физического моделирования по которому исследуются коррозионные процессы, протекающие на специальном датчике образце-свидетеле, погружаемом в среду вблизи защищаемого сооружения.
Известен резистометрический способ определения скорости коррозии [Кирченко, А.Б. О некоторых особенностях коррозии с помощью образцов-свидетелей и зондов электросопротивления / Практика противокоррозионной защиты. - 2002. - №2. - С. 22.], реализованный в устройстве, в котором в качестве образца-свидетеля используется металлический проводник постоянного поперечного сечения (например, кусок проволоки), который погружается в исследуемую коррозионную среду. Резистометрический способ основан на использовании зависимости между уменьшением поперечного сечения корродирующего образца-свидетеля и увеличением его электрического сопротивления.
Данный способ широко используется для дистанционного контроля в автоматизированных системах коррозионного мониторинга, однако он корректен только для равномерной коррозии.
Действительно, пусть исходный образец-свидетель имел форму цилиндра с длиной и площадью поперечного сечения S, а удельное сопротивление материала, из которого он изготовлен, равно ρ. Его сопротивление R легко вычислить как:
Если в результате коррозии поперечное сечение изменилось одинаково по всей длине и стало S1, то сопротивление в соответствии с (1.1) изменится как:
Так как ρ=const, 
сечение S1 легко вычисляется из (1.1), (1.2) если измерено R1:
Выражение (1.3) и есть основное выражение резистометрического способа. По изменению поперечного сечения S1 в моменты времени Т1 и Т2 через определенный промежуток времени вычисляют скорость коррозии νКОР
Если коррозия неравномерная, то выражения (1.1), (1.2) не выполняются. Пусть на отрезке длиной 
в результате коррозии сечение стало равно bS. Среднее сечение корродированного образца найдем как отношение нового объема V2 к длине:
Изменившееся сопротивление R2 легко найти как сумму двух последовательно включенных сопротивлений:
Если считать, что коррозия равномерная, то в соответствии с (1.3) сечение S2 будет определено как:
Сравнение выражений (1.4) и (1.5) показывает, что в случае неравномерной коррозии на длине корродирующего элемента резистометрический способ содержит в себе систематическую ошибку.
Таким образом, резистометрический способ не обеспечивает необходимой точности в случае протекания неравномерного коррозионного процесса, который является наиболее общим типом коррозии. Кроме того, резистометрический способ не позволяет определить тип протекающего коррозионного процесса, соответственно этот показатель никак не учитывается. В то же время, кроме определения средней скорости коррозии очень важно знать и тип коррозионного процесса. В частности, в действительности может протекать питтинговый коррозионный процесс, при котором коррозионные дефекты представляют собой достаточно тонкие, но глубокие язвы - питтинги. Например, в случае магистрального трубопровода, находящегося под большим давлением (десятки, а иногда более сотни атмосфер) наличие таких питтингов существенно ослабит прочность стенки трубы, хотя существенной потери массы металла в стенке трубы может не происходить. В результате коррозионные повреждения могут оказаться критичными и привести к аварии, хотя формальный показатель измеренной скорости коррозии, основанный на оценке убыли массы металла трубы резистометрическим способом, будет небольшим.
Свободным от указанных недостатков является способ определения скорости коррозии металлических сооружений [Патент РФ №2536779; МПК G01N 17/02, опубликован 27.12.2014].
При реализации способа определения скорости коррозии металлических сооружений по данному патенту на внутренней поверхности образца-свидетеля, изготовленного в виде металлической пластины с внешней и внутренней противоположными параллельными поверхностями, размещают совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, способный излучать в материал образца-свидетеля зондирующий сигнал в виде импульса продольной акустической волны, распространяющегося нормально к внутренней поверхности образца-свидетеля и принимать отраженный донный сигнал этой продольной акустической волны из области рассеяния, находящейся на внешней поверхности образца-свидетеля непосредственно напротив совмещенного пьезоэлектрического преобразователя, размещают на внутренней поверхности образца-свидетеля, акустический излучатель, способный излучать в материал образца-свидетеля зондирующий сигнал в виде импульса акустической волны, распространяющегося наклонно к внутренней поверхности образца-свидетеля и формировать на внешней поверхности образца-свидетеля область зондирования; размещают на внутренней поверхности образца-свидетеля, акустический приемник, способный принимать отраженный донный сигнал в виде импульса акустической волны, распространяющегося наклонно к внутренней поверхности образца-свидетеля из области зондирования, внешнюю поверхность образца-свидетеля помещают в среду, вызывающую ее коррозию, а внутреннюю поверхность образца-свидетеля вместе с размещенными на ней совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем, акустическим излучателем и акустическим приемником закрывают защитным кожухом, предотвращающим их контакт со средой, вызывающей коррозию, на вход/выход совмещенного пьезоэлектрического преобразователя подают излучающий сигнал нормального зондирования в виде электрического импульса, который возбуждает в образце-свидетеле импульс ультразвуковой продольной акустической волны зондирующего сигнала нормального зондирования, распространяющийся нормально к внешней поверхности образца-свидетеля, который отражается от внешней стороны образца-свидетеля и воздействует на совмещенный пьезоэлектрический преобразователь в виде импульса ультразвуковой продольной акустической волны донного сигнала нормального зондирования, который формирует на входе/выходе совмещенного пьезоэлектрического преобразователя отраженный сигнал нормального зондирования в виде электрического импульса, по величине разницы моментов времени подачи на вход/выход совмещенного пьезоэлектрического преобразователя излучающего сигнала нормального зондирования и фиксации на входе/выходе совмещенного пьезоэлектрического преобразователя отраженного сигнала нормального зондирования определяют значение текущей толщины образца-свидетеля при нормальном зондировании, кроме того, на вход акустического излучателя подают излучающий сигнал наклонного зондирования в виде электрического импульса, возбуждающего в образце-свидетеле импульс ультразвуковой акустической волны зондирующего сигнала наклонного зондирования, распространяющийся наклонно к внутренней поверхности образца-свидетеля, который отражается от противоположной внутренней поверхности образца-свидетеля и воздействует на акустический приемник в виде импульса ультразвуковой акустической волны донного сигнала наклонного зондирования, который формирует на выходе акустического приемника отраженный донный сигнал наклонного зондирования в виде электрического импульса, по разнице моментов времени подачи на вход акустического излучателя излучающего сигнала наклонного зондирования и фиксации на выходе акустического приемника отраженного донного сигнала наклонного зондирования определяют значение текущей толщины образца-свидетеля для наклонного зондирования, на основе сопоставления значений текущей толщины образца-свидетеля определенной для нормального зондирования и толщины образца-свидетеля для нормального зондирования, определенной при предыдущих измерениях, вычисляют скорость коррозии, протекающей на внешней поверхности металлической пластины образца-свидетеля, на основе сопоставления значения текущей толщины образца-свидетеля для нормального зондирования и текущей толщины образца-свидетеля для наклонного зондирования судят о типе коррозии, протекающей на внешней поверхности металлической пластины образца-свидетеля.
Способ определения скорости коррозии металлических сооружений, известный по патенту РФ №2536779, реализован в устройстве для оценки скорости коррозии, входящем в состав Автоматической системы коррозионного мониторинга технического состояния подземного трубопровода ПКМ-ТСТ-КонтрКорр, производимого фирмой ЗАО «Трубопроводные системы и технологии» в соответствии с ТУ 3435-011-93719333-2012, которая применяется в ПАО «Газпром» (п. 9.2.5 Реестра оборудования и материалов электротехнической защиты, разрешенного к применению в ПАО «Газпром»).
Устройство для оценки скорости коррозии, реализующее способ определения скорости коррозии металлических сооружений известно по [Патент РФ №2536779; МПК G01N 17/02, опубликован 27.12.2014] и по [Савченков, С.В. Лабораторные испытания устройства для оценки скорости коррозии /С.В. Савченков // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - №4. - 2015. - С. 3-6].
Принцип функционирования устройства для оценки скорости коррозии, реализующего способ определения скорости коррозии металлических сооружений основан на анализе различий результатов низкочастотного и высокочастотного зондирования корродирующей поверхности с неоднородной коррозией. Физическая сущность способа определения скорости коррозии металлических сооружений заключается в том, что акустическая волна зондирующего сигнала хорошо рассеивается от дефектов, размеры которых равны или больше, чем размер половины длины волны зондирующего сигнала и плохо от дефектов с размерами меньше, чем размер половины длины волны зондирующего сигнала. Соответственно, если для зондирующего сигнала выбрана высокочастотная волна с относительно малой величиной длины волны (высокочастотный сигнал), зондирующий сигнал будет хорошо отражаться от дна коррозионных дефектов в виде питтингов. По времени прихода отраженного сигнала можно измерить толщину пластины образца-свидетеля в месте коррозионного дефекта. Более низкочастотный зондирующий сигнал с большей длиной волны будет плохо (незначительно) отражаться от этого же дефекта. Основной ответный донный сигнал будет отражаться от дна пластины. С помощью этого сигнала можно измерить среднюю толщину корродирующей пластины образца-свидетеля.
Наклонное зондирование высокочастотного зондирующего сигнала и нормальное (т.е. перпендикулярно поверхности) зондирование низкочастотного зондирующего сигнала усиливает отмеченные выше эффекты, а именно, при наклонном зондировании высокочастотным сигналом отраженный донный сигнал от коррозионных дефектов, диаметр которых сравним с половиной длины волны зондирующего сигнала, увеличивается по сравнению со случаем нормального зондирования.
Поэтому конструктивно для низкочастотного нормального зондирования выбирают совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, а для наклонного высокочастотного зондирования раздельно - совмещенный пьезоэлектрический преобразователь представляющий собой систему из передающего и приемного пьезоэлектрических преобразователей, которые для формирования наклонной акустической волны размещают на близкорасположенных наклонных плоскостях специальных призм (практически вплотную, через звуконепроницаемую стенку). Фактически рядом устанавливают два ультразвуковых толщиномера, разных типов. Плоскость металлической пластины образца-свидетеля, вместе с установленными на ней указанными ультразвуковыми толщиномерами, закрывают специальным кожухом, делая эту сторону образца-свидетеля внутренней, при этом противоположная корродирующая сторона металлической пластины образца-свидетеля погружена во внешнюю среду.
На основе сопоставления значений текущего измерения толщины образца-свидетеля и, толщины образца-свидетеля, сделанного при предыдущем измерении, при низкочастотном нормальном зондировании вычисляют изменение средней толщины образца-свидетеля за время между двумя измерениями и скорость коррозии, протекающую на корродирующей стороне пластины образца-свидетеля.
Разница между измерениями толщины пластины образца-свидетеля низкочастотным и высокочастотным зондирующими сигналами соответствует глубине коррозионного эффекта, по величине которой можно классифицировать тип коррозионного процесса.
Способ определения скорости коррозии металлических сооружений выбран в качестве прототипа.
Способ определения скорости коррозии металлических сооружений - прототип имеет следующие недостатки:
1) из-за того, что совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, и система из акустического излучателя и акустического приемника - раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь размещены на поверхности образца-свидетеля рядом, область рассеяния и область зондирования не совпадают. То есть способ предполагает, что коррозионные процессы на всей поверхности образца-свидетеля одинаковые. Но указанные коррозионные процессы носят случайный характер, поэтому даже при одинаковых параметрах случайных коррозионных процессов их реализация, то есть конкретный вид коррозионных повреждений в области рассеяния и области зондирования могут не совпадать, что может привести к погрешностям в определении скорости и типа коррозии;
2) из-за того, что область рассеяния и область зондирования не совпадают, на внешней поверхности образца-свидетеля формируются две области, через которые протекают токи катодной защиты, что вызывает повышенную нагрузку на станцию катодной защиты. Так нормативами ПАО «Газпром» рекомендуется область образца-свидетеля, открытую для протекания катодного тока при измерении скорости коррозии, ограничивать размером поперечного сечения примерно 1 см2. При этом каждая из областей рассеяния и зондирования минимально имеют размеры 1 см2 из-за того, чтобы гарантировать попадание в область хотя-бы одного питтинга, плотность которых 1-2 штуки на один см2.
Таким образом, способ-прототип принципиально не может выполнить рекомендацию нормативного документа ПАО «Газпром».
Задачей изобретения является создание способа определения скорости и типа коррозии, позволяющего уменьшить нагрузку на устройство катодной защиты и одновременно повысить точность оценки скорости и типа коррозии.
Недостатки способа - прототипа устранены в предлагаемом способе определения скорости и типа коррозии, в соответствии с которым на внутренней поверхности образца-свидетеля, изготовленного в виде металлической пластины с внешней и внутренней противоположными параллельными поверхностями, размещают совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, способный излучать в материал образца-свидетеля зондирующий сигнал в виде импульса продольной акустической волны, распространяющегося нормально к внутренней поверхности образца-свидетеля и принимать отраженный донный сигнал этой продольной акустической волны из области рассеяния, находящейся на внешней поверхности образца-свидетеля непосредственно напротив совмещенного пьезоэлектрического преобразователя, размещают на внутренней поверхности образца-свидетеля, акустический излучатель, способный излучать в материал образца-свидетеля зондирующий сигнал в виде импульса акустической волны, распространяющегося наклонно к внутренней поверхности образца-свидетеля и формировать на внешней поверхности образца-свидетеля область зондирования; размещают на внутренней поверхности образца-свидетеля, акустический приемник, способный принимать отраженный донный сигнал в виде импульса акустической волны, распространяющегося наклонно к внутренней поверхности образца-свидетеля из области зондирования, внешнюю поверхность образца-свидетеля помещают в среду, вызывающую ее коррозию, а внутреннюю поверхность образца-свидетеля вместе с размещенными на ней совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем, акустическим излучателем и акустическим приемником закрывают защитным кожухом, предотвращающим их контакт со средой, вызывающей коррозию, на вход/выход совмещенного пьезоэлектрического преобразователя подают излучающий сигнал нормального зондирования в виде электрического импульса, который возбуждает в образце-свидетеле импульс ультразвуковой продольной акустической волны зондирующего сигнала нормального зондирования, распространяющийся нормально к внешней поверхности образца-свидетеля, который отражается от внешней стороны образца-свидетеля и воздействует на совмещенный пьезоэлектрический преобразователь в виде импульса ультразвуковой продольной акустической волны донного сигнала нормального зондирования, который формирует на входе/выходе совмещенного пьезоэлектрического преобразователя отраженный сигнал нормального зондирования в виде электрического импульса, по величине разницы моментов времени подачи на вход/выход совмещенного пьезоэлектрического преобразователя излучающего сигнала нормального зондирования и фиксации на входе/выходе совмещенного пьезоэлектрического преобразователя отраженного сигнала нормального зондирования определяют значение текущей толщины образца-свидетеля при нормальном зондировании, кроме того, на вход акустического излучателя подают излучающий сигнал наклонного зондирования в виде электрического импульса, возбуждающего в образце-свидетеле импульс ультразвуковой акустической волны зондирующего сигнала наклонного зондирования, распространяющийся наклонно к внутренней поверхности образца-свидетеля, который отражается от противоположной внутренней поверхности образца-свидетеля и воздействует на акустический приемник в виде импульса ультразвуковой акустической волны донного сигнала наклонного зондирования, который формирует на выходе акустического приемника отраженный донный сигнал наклонного зондирования в виде электрического импульса, по разнице моментов времени подачи на вход акустического излучателя излучающего сигнала наклонного зондирования и фиксации на выходе акустического приемника отраженного донного сигнала наклонного зондирования определяют значение текущей толщины образца-свидетеля для наклонного зондирования, на основе сопоставления значений текущей толщины образца-свидетеля определенной для нормального зондирования и толщины образца-свидетеля для нормального зондирования, определенной при предыдущих измерениях, вычисляют скорость коррозии, протекающей на внешней поверхности металлической пластины образца-свидетеля, на основе сопоставления значения текущей толщины образца-свидетеля для нормального зондирования и текущей толщины образца-свидетеля для наклонного зондирования судят о типе коррозии, протекающей на внешней поверхности металлической пластины образца-свидетеля, при этом место расположения на внутренней поверхности образца-свидетеля совмещенного пьезоэлектрического преобразователя, материал излучающей и принимающей призм, углы наклонных граней и их место расположения на внутренней поверхности образца-свидетеля выбирают такими, чтобы область рассеяния совпадала с областью зондирования на внешней поверхности образца-свидетеля, при этом акустический излучатель может возбуждать в образце-свидетеле зондирующий сигнал, а акустический приемник принимать из материала образца-свидетеля донный сигнал как в виде импульсов ультразвуковой поперечной так и продольной акустической волны.
Положительный эффект предлагаемого технического решения достигается тем, что в отличие от прототипа наклонное зондирование предлагается осуществлять не раздельно - совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем, а раздельным пьезоэлектрическим преобразователем. При этом для наклонного зондирования используются большие углы наклона направления распространения зондирующего и отраженного сигналов, а это, в свою очередь, позволяет разместить совмещенный пьезоэлектрический преобразователь между излучающей призмой и принимающей призмой так, что области зондирования совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем и раздельным пьезоэлектрическим преобразователем совпадают. Новое техническое решение проще реализовать, если для наклонного зондирования использовать поперечную акустическую волну, часто используемую для наклонного зондирования в ультразвуковой диагностике.
В результате: во-первых, различными пьезоэлектрическими преобразователями диагностируется одна и та же область, что исключает ошибки, которые могут возникнуть у прототипа из-за неодинаковости коррозионных повреждений на образце-свидетеле, а во-вторых, по сравнению с прототипом на образце-свидетеле в два раза уменьшается область, контактирующая с внешней средой, через которую протекает катодный ток, что в два раза уменьшает нагрузку на устройство катодной защиты.
Таким образом, техническим результатом изобретения являются уменьшение нагрузки на устройство катодной защиты и повышение точности оценки скорости и типа коррозии.
Новое техническое решение, как и прототип, предлагается использовать для создания устройств определения скорости и типа коррозии на металлической пластине образца-свидетеля в составе автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода.
Предлагаемый способ определения скорости и типа коррозии для автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода может быть реализован в виде устройства определения скорости и типа коррозии, состоящего из датчика определения скорости и типа коррозии и системы управления устройства определения скорости и типа коррозии. Структурная схема устройства определения скорости и типа коррозии представлена на фиг. Здесь 1 - металлическая пластина образца-свидетеля, 2 - совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, 3 - излучающий пьезоэлектрический преобразователь, 4 - излучающая призма, элементы 3 и 4 представляют собой акустический излучатель, 5 - принимающий пьезоэлектрический преобразователь, 6 - принимающая призма, элементы 5 и 6 представляют собой акустический приемник, элементы 3, 4, 5, 6 представляют собой раздельный пьезоэлектрический преобразователь, 7 - защитный кожух, 8 - защитное изоляционное покрытие, 9 - герметизирующий переход, 10 - приемо-передатчик нормального зондирования, 11 - генератор наклонного зондирования, 12 - приемник наклонного зондирования, 13 - управляющий контроллер автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода, 14 - индикатор сигналов, 15 - устройство катодной защиты.
Элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 представляют собой датчик определения скорости и типа коррозии, который погружается в коррозионную среду вблизи защищаемого сооружения, например в грунт в околотрубном пространстве защищаемого трубопровода, при этом элементы 2, 3, 4, 5, 6 и внутренняя поверхность металлической пластины образца-свидетеля 1 защищены защитным кожухом 7. Элементы 10, 11, 12, 13, 14 представляют собой систему управления устройства определения скорости и типа коррозии и могут находиться вне коррозионной среды, например в составе автоматизированного поста системы катодной защиты магистрального газопровода.
К металлической пластине образца-свидетеля 1 прикрепляется совмещенный пьезоэлектрический преобразователь 2. При креплении существенно, чтобы между образцом-свидетелем 1 и пьезоэлектрическим преобразователем 2 осуществлялся хороший акустический контакт, при котором через границу материал образца-свидетеля 1 - пьезоэлектрический преобразователь 2 без существенных потерь проходила продольная акустическая волна.
Аналогичным образом крепится излучающий пьезоэлектрический преобразователь 3 к излучающей призме 4 (образуя акустический излучатель), излучающая призма 4 к образцу-свидетелю 1, принимающий пьезоэлектрический преобразователь 5 к принимающей призме 6 (образуя акустический приемник), принимающая призма 6 к образцу-свидетелю 1. При этом угол наклона наклонной плоскости излучающей призмы 4 и принимающей призмы 6 выбираются такими, чтобы через границы излучающая призма 4 - образец-свидетель 1 и принимающая призма 6 -образец-свидетель 1 преимущественно могла проходить поперечная акустическая волна. Расположение излучающей призмы 4 и принимающей призмы 6 на внешней поверхности образца-свидетеля 1 выбираются такими, чтобы отражение поперечной акустической волны, излученной излучающим пьезоэлектрическим преобразователем 3 и принимаемой принимающим пьезоэлектрическим преобразователем 5 происходило непосредственно под совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем 2.
Совмещенный пьезоэлектрический преобразователь - 2, излучающий пьезоэлектрический преобразователь - 3, излучающая призма - 4, принимающий пьезоэлектрический преобразователь - 5, принимающая призма - 6 закрыты защитным кожухом - 7, присоединенным к металлической пластине образца-свидетеля - 1.
Металлическая пластина образца-свидетеля - 1 при помощи металлического провода, проходящего через герметизирующий переход 9, гальванически соединена с устройством катодной защиты 15, с которого подается защитный потенциал такой же, как на защищаемый трубопровод.
Защитное изоляционное покрытие - 8 ограничивает область на металлической пластине образца-свидетеля - 1, через которую протекает катодный ток.
Совмещенный пьезоэлектрический преобразователь 2 соединен с приемо-передатчиком нормального зондирования 10 при помощи электрического провода, проходящего через герметизирующий переход 9.
Излучающий пьезоэлектрический преобразователь 3 соединен с генератором наклонного зондирования 11 при помощи электрического провода, проходящего через герметизирующий переход 9.
Принимающий пьезоэлектрический преобразователь 5 соединен с приемником наклонного зондирования 12 при помощи электрического провода, проходящего через герметизирующий переход 9.
Приемо-передатчик нормального зондирования 10, генератор наклонного зондирования 11, приемник наклонного зондирования 12, управляющий контроллер автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода 13 и индикатор сигналов 14 соединены между собой информационной шиной.
Металлическая пластина образца-свидетеля 1 изготавливается из той же трубной стали, что и защищаемый трубопровод. Наиболее просто вырезать металлическую пластину образца-свидетеля 1 непосредственно из элемента трубы, применяемой при строительстве защищаемого трубопровода.
В качестве совмещенного пьезоэлектрического преобразователя 2 и приемо-передатчика нормального зондирования 10 могут быть использованы элементы аналогичные прототипу, реализованному в блоке измерения скорости коррозии Автоматической системы коррозионного мониторинга технического состояния подземного трубопровода ПКМ-ТСТ-КонтрКорр, производимого фирмой ЗАО «Трубопроводные системы и технологии» в соответствии с ТУ 3435-011-93719333-2012. Устройство применяется в ПАО «Газпром» (п. 9.2.5 Реестра оборудования и материалов электротехнической защиты, разрешенного к применению в ПАО «Газпром»), либо ультразвуковой толщиномер А1210 с совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем D1771 из его комплекта. В качестве излучающего пьезоэлектрического преобразователя 3 с излучающей призмой 4 и принимающего пьезоэлектрического преобразователя 5 с принимающей призмой 6 могут быть использованы стандартные наклонные пьезоэлектрические преобразователи типа П121 -1,8-45-М-002 или П121 -2,5-45-М-002 или П121 -5-45-М-002.
При этом излучающая призма 4 и принимающая призма 6 могут быть изготовлены из оргстекла, при этом образующую призмы целесообразно выполнить в виде равностороннего треугольника с углами 45 градусов. Такая конструкция предполагает, что угол падения, возбужденной в пьезоэлектрическом преобразователе, акустической волны на границу оргстекло - сталь будет находиться между значениями первого критического угла (27 градусов), больше значения которого для поперечных акустических волн наблюдается полное внутреннее отражение, и второго критического угла (57 градусов) больше значения которого и для продольных акустических волн наблюдается полное внутреннее отражение (см. Короткое М.М. Ультразвуковая толщинометрия, учебное пособие, издательство Томского политехнического университета, 2008 г., стр. 14-16).
В качестве генератора наклонного зондирования 11 и приемника наклонного зондирования 12 может быть использован ультразвуковой дефектоскоп Panametrics EPOCH LT или быть использованы элементы аналогичные прототипу, реализованному в блоке измерения скорости коррозии Автоматической системы коррозионного мониторинга технического состояния подземного трубопровода ПКМ-ТСТ-КонтрКорр, производимого фирмой ЗАО «Трубопроводные системы и технологии» в соответствии с ТУ 3435-011-93719333-2012.
В качестве управляющего контроллера автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода 13 может быть использован контроллер Автоматической системы коррозионного мониторинга технического состояния подземного трубопровода ПКМ-ТСТ-КонтрКорр, производимого фирмой ЗАО «Трубопроводные системы и технологии» в соответствии с ТУ 3435-011-93719333-2012.
В качестве индикатора сигналов 14 могут быть использованы индикаторы ультразвукового дефектоскопа Panametrics EPOCH LT и ультразвуковой толщиномер А1210 или индикатор Автоматической системы коррозионного мониторинга технического состояния подземного трубопровода ПКМ-ТСТ-КонтрКорр, производимого фирмой ЗАО «Трубопроводные системы и технологии» в соответствии с ТУ 3435-011-93719333-2012.
Способ определения скорости и типа коррозии, реализуемый в устройстве, функционирующем в составе автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода, работает следующим образом.
В устройстве катодной защиты 15 формируется защитный потенциал, который подается на защищаемый подземный газопровод и одновременно по электрическому проводу на металлическую пластину образца-свидетеля 1 в составе датчика определения скорости и типа коррозии, который погружен в коррозионную среду вблизи защищаемого подземного трубопровода.
Одновременно управляющий контроллер автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода 13 формирует управляющий сигнал, который по сетевой шине попадает на сетевой вход/выход приемо-передатчика нормального зондирования 10, в результате на его входе/выходе формируется последовательность из ста электрических импульсов излучающего сигнала нормального зондирования, которые по электрическим проводам поступают на вход/выход совмещенного пьезоэлектрического преобразователя 2. В совмещенном пьезоэлектрическом преобразователе 2 возбуждаются акустические колебания, которые порождают в металлической пластине образца-свидетеля последовательность из ста ультразвуковых импульсов продольной акустической волны зондирующего сигнала нормального зондирования, которые распространяются по нормали к внутренней верхней поверхности образца-свидетеля в направлении внешней поверхности и отражаясь от нее формируют последовательность из ста ультразвуковых импульсов продольной акустической волны донного сигнала. Эта последовательность воздействует на совмещенный пьезоэлектрический преобразователь 2 и формируют на его входе/выходе последовательность из ста электрических импульсов донного сигнала нормального зондирования, которые по электрическим проводам поступают на вход/выход приемо-передатчика нормального зондирования 10, где определяется средняя толщина металлической пластины образца-свидетеля 1 для нормального зондирования в момент времени Tk по формуле:
где hНЗ(Tk) ⋅- средняя толщина металлической пластины образца-свидетеля 1 для нормального зондирования в момент времени Tk, τHЗi(Tk) ⋅ - разница моментов времени между подачей i-го электрического импульса излучающего сигнала нормального зондирования на вход/выход совмещенного пьезоэлектрического преобразователя 2 и появлением i-го электрического импульса донного сигнала нормального зондирования на входе/выходе совмещенного пьезоэлектрического преобразователя 2 для последовательности, сформированной в момент времени Tk, СПР - скорость продольной акустической волны, использованной для нормального зондирования.
Величина τHЗi(Tk) передается в управляющий контроллер автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода 13 по информационной шине и индицируется на экране индикатора сигналов - 14.
Затем управляющий контроллер автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода 13 формирует управляющий сигнал, который по сетевой шине попадает на сетевой вход генератора наклонного зондирования 11, в результате на его выходе формируется последовательность из ста электрических импульсов излучающего сигнала наклонного зондирования, которые по электрическим проводам поступают на вход излучающего пьезоэлектрического преобразователя 3.
В излучающем пьезоэлектрическом преобразователе 3 возбуждаются акустические колебания, которые порождают в излучающей призме 4 последовательность из ста ультразвуковых импульсов поперечной акустической волны зондирующего сигнала наклонного зондирования, которые проходят границу излучающая призма 4 - металлическая пластина образца-свидетеля и распространяются под углом к внутренней верхней поверхности образца-свидетеля в направлении внешней поверхности и отражаясь от нее в области под совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем 2, формируют последовательность из ста ультразвуковых импульсов поперечной акустической волны донного сигнала.
Эта последовательность распространяется под углом к внутренней верхней поверхности образца-свидетеля в направлении от внешней к внутренней поверхности образца-свидетеля проходит границу металлическая пластина образца-свидетеля - принимающая призма 6, воздействует на принимающий пьезоэлектрический преобразователь 5 и формируют на его выходе последовательность из ста электрических импульсов донного сигнала наклонного зондирования, которые по электрическим проводам поступают на вход приемника нормального зондирования 12, где определяется средняя толщина металлической пластины образца-свидетеля 1 для наклонного зондирования в момент времени Tk по формуле:
где hHAK(Tk) - средняя толщина металлической пластины образца-свидетеля 1 для наклонного зондирования в момент времени Tk, ⋅τHAKi(Tk) ⋅- разница моментов времени между подачей i-го электрического импульса излучающего сигнала наклонного зондирования на вход излучающего пьезоэлектрического преобразователя 3 и появлением i-го электрического импульса донного сигнала наклонного зондирования на выходе принимающего пьезоэлектрического преобразователя 5 для последовательности, сформированной в момент времени Tk, СПОП - скорость поперечной акустической волны, использованной для наклонного зондирования.
Величина hHAK(Tk) передается в управляющий контроллер автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода 13 по информационной шине и индицируется на экране индикатора сигналов - 14.
По значениям hНЗ(Tk)⋅и hНЗ(Tk-1)⋅в управляющем контроллере автоматической системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода 13 определяется для момента времени Tk значение средней скорости коррозии VCP КОР(Tk) на внешней стороне металлической пластины образца-свидетеля:
По значениям hНЗ(Tk)⋅и hHAK(Tk)⋅определяют величину отклонения значения локальной коррозии (глубины локального коррозионного дефекта) от величины средней коррозии ΔhK(Tk)⋅:
по величине которой судят о типе коррозионного процесса, протекающего на внешней стороне металлической пластины образца-свидетеля.
Определенные значения VCP КОР(T1), ΔhK(Tk)⋅ индицируются на экране индикатора сигналов - 14.
Таким образом, в предлагаемом новом техническом решении - способе определения скорости и типа коррозии по сравнению с прототипом уменьшается нагрузка на устройство катодной защиты и повышается точность оценки скорости и типа коррозии.
Положительный эффект достигается за счет того, что диагностируется коррозионные повреждения в одной и той же области образца-свидетеля.
Способ определения скорости и типа коррозии, заключающийся в том, что на внутренней поверхности образца-свидетеля, изготовленного в виде металлической пластины с внешней и внутренней противоположными параллельными поверхностями, размещают совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, способный излучать в материал образца-свидетеля зондирующий сигнал в виде импульса продольной акустической волны, распространяющегося нормально к внутренней поверхности образца-свидетеля, и принимать отраженный донный сигнал этой продольной акустической волны из области рассеяния, находящейся на внешней поверхности образца-свидетеля непосредственно напротив совмещенного пьезоэлектрического преобразователя, размещают на внутренней поверхности образца-свидетеля, акустический излучатель, способный излучать в материал образца-свидетеля зондирующий сигнал в виде импульса акустической волны, распространяющегося наклонно к внутренней поверхности образца-свидетеля и формировать на внешней поверхности образца-свидетеля область зондирования; размещают на внутренней поверхности образца-свидетеля акустический приемник, способный принимать отраженный донный сигнал в виде импульса акустической волны, распространяющегося наклонно к внутренней поверхности образца-свидетеля из области зондирования, внешнюю поверхность образца-свидетеля помещают в среду, вызывающую ее коррозию, а внутреннюю поверхность образца-свидетеля вместе с размещенными на ней совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем, акустическим излучателем и акустическим приемником закрывают защитным кожухом, предотвращающим их контакт со средой, вызывающей коррозию, на вход/выход совмещенного пьезоэлектрического преобразователя подают излучающий сигнал нормального зондирования в виде электрического импульса, который возбуждает в образце-свидетеле импульс ультразвуковой продольной акустической волны зондирующего сигнала нормального зондирования, распространяющийся нормально к внешней поверхности образца-свидетеля, который отражается от внешней стороны образца-свидетеля и воздействует на совмещенный пьезоэлектрический преобразователь в виде импульса ультразвуковой продольной акустической волны донного сигнала нормального зондирования, который формирует на входе/выходе совмещенного пьезоэлектрического преобразователя отраженный сигнал нормального зондирования в виде электрического импульса, по величине разницы моментов времени подачи на вход/выход совмещенного пьезоэлектрического преобразователя излучающего сигнала нормального зондирования и фиксации на входе/выходе совмещенного пьезоэлектрического преобразователя отраженного сигнала нормального зондирования определяют значение текущей толщины образца-свидетеля при нормальном зондировании, кроме того, на вход акустического излучателя подают излучающий сигнал наклонного зондирования в виде электрического импульса, возбуждающего в образце-свидетеле импульс ультразвуковой акустической волны зондирующего сигнала наклонного зондирования, распространяющийся наклонно к внутренней поверхности образца-свидетеля, который отражается от противоположной внутренней поверхности образца-свидетеля и воздействует на акустический приемник в виде импульса ультразвуковой акустической волны донного сигнала наклонного зондирования, который формирует на выходе акустического приемника отраженный донный сигнал наклонного зондирования в виде электрического импульса, по разнице моментов времени подачи на вход акустического излучателя излучающего сигнала наклонного зондирования и фиксации на выходе акустического приемника отраженного донного сигнала наклонного зондирования определяют значение текущей толщины образца-свидетеля для наклонного зондирования, на основе сопоставления значений текущей толщины образца-свидетеля, определенной для нормального зондирования, и толщины образца-свидетеля для нормального зондирования, определенной при предыдущих измерениях, вычисляют скорость коррозии, протекающей на внешней поверхности металлической пластины образца-свидетеля, на основе сопоставления значения текущей толщины образца-свидетеля для нормального зондирования и текущей толщины образца-свидетеля для наклонного зондирования судят о типе коррозии, протекающей на внешней поверхности металлической пластины образца-свидетеля, отличающийся тем, что место расположения на внутренней поверхности образца-свидетеля совмещенного пьезоэлектрического преобразователя, материал излучающей и принимающей призм, углы наклонных граней и их место расположения на внутренней поверхности образца-свидетеля выбирают такими, чтобы область рассеяния совпадала с областью зондирования на внешней поверхности образца-свидетеля, при этом акустический излучатель может возбуждать в образце-свидетеле зондирующий сигнал, а акустический приемник принимать из материала образца-свидетеля донный сигнал как в виде импульсов ультразвуковой поперечной, так и продольной акустической волны.
