Система коррозионного мониторинга трубопроводов

Коррозионный мониторинг с применением автономных накопителей данных.

Комплект для коррозионного мониторинга 

Для  выполнения комплекса услуг в основу взято оборудование Nano Corr  по коррозионному мониторингу выпускаемые Corr Instrument s (USA). “Это оборудование использует   принципиально новые технические решения   с технологиями XXI века по мониторингу скорости коррозии  внутри трубопроводов.

, при этом в отличии от традиционных методов контроля LPR и  ER, предлагаемые датчики коррозии могут измерять как в электропроводящих и непроводящих жидкостях, рассолах и газах, однофазных и многофазных потоках (в том числе и под воздействием сероводорода и биоотложений).

В поставку включены многоэлектродные датчики коррозии CMAS, которые позволяют определять значения, как общей, так и  локальной  скорости коррозии одновременно, в отличие от метода  ER (Microcor), при этом  время определения  скорости коррозии составляет от 30 до 50 секунд. Для датчиков ER (Microcor) время отклика по определению скорости коррозии составляет более 20 часов.

Ресурс  работы датчиков не менее 10 лет . Для датчиков ER (Microcor) ресурс составляет от нескольких месяцев до 1, 5 года.( По рекомендации Рорбэк Косаско Системс датчики должны эксплуатироваться не более 12 месяцев)

Многоэлектродные датчики CMAS, выпускаемые Cor Instrument s (USA),  уже получили признание  и применение в таких кампания как Mobil(USA), DuPont(USA), Chevron(USA), Honeywell Connecticut(USA), General Electric(USA, Canada, India), ConocoPhillips(USA), British Petrolium (USA), PetroChina, Lanzhou( China), Mitsubishi Chemicals( Japan), Petronas(Malaysia), Aramco(Saudi Arabia) и еще несколько десятков компаний.

Предлагаемое оборудование позволяет использовать схему как в качестве автономных постов (для периодического съема данных  оператором), так и в  составе системы коррозионного мониторинга реального времени (для телеметрической передачи данных на PC сервера коррозионного мониторинга в режиме реального времени).

При  применении автономных постов оператор периодически посредством USB флеш карты снимает  данные скорости коррозии, формируемые в реальном времени в оперативной памяти прибора,  и переносит их на PC сервера коррозионного мониторинга, на котором установленное программное обеспечение  позволяет формировать данные  в базе данных  и выдавать их как в табличном виде, так и в графическом. Для отображения данных на РС применяется программного обеспечения CorrLogger ™( или  CorrVisual ™),  которые обеспечивает обработку  числовых данных с построением графического отображения динамики скорости коррозии во времени и  сопоставляя эти показания  с другими переменными технологического процесса (давление, температура и др.)

Датчики коррозии CMAS

В основу конструкции датчиков коррозии вошел мультимассив электродов.  имеющих материальное аналогичное  контролируемого оборудования. В стандартном варианте  в датчике находятся от 9 до 16 электродов.

Рис 1 . Общий вид датчиков коррозии СMAS                             

Природа и механизм коррозионных процессов на объектах нефтедобыче в основном  имеет анодный процесс, при котором   в результате электро- химических реакций  происходит переход  ионов железа Fe ++,  в раствор рабочей среды  с оставлением эквивалентного количества электронов в металле.( см. рис 2).

На анодных участках, железо легко переходит в раствор в виде ионов железа, которые  взаимодействуют  с  кислородом ,   сульфидами   водорода   или двуокиси углерода образуя продукты коррозии (окись железа [Fe203-H2 Ox], сульфиды железа [FESX] или карбоната железа [Fe2C03].

  При этом  электроны мигрируют к катодным местам .

Природа и механизм регистрации скорости коррозии на датчиках коррозии СMAS  аналогичен  процессам указанных на рис 3.

  Многоэлектродные датчики  работающих по технологии  (CMAS)  измеряют поток электронов при коррозионных процессах, поэтому фактически отражает  те же процессы которые  происходят на поверхности металла трубопровода. ( см.рис 3) Ниже представлены технические характеристики датчиков коррозии.

   Рис.2  

   Рис 3

 Датчики коррозии CMAS не требуется наличия электролита, поэтому  могут применяться для  количественных измерений как локальной  так и общей коррозии  одновременно и  не только в водных растворах, но и в газах,  под солевыми отложениями , био отложениями( см рис 4), в почве, в бетоне и под покрытиями.

Датчики  CMAS  позволяют измерять  щелевую коррозию, а  так же коррозию на поверхности трубопровода (в системах катодной защиты).

Датчики  CMAS  позволяют проводить измерения под различными отложениями и покрытиями, в том силе и под сульфидными пленками, в отличии от традиционных датчиков LPR и ER( включая технологии Микрокор).

•  
• Рис 4 Вид работы датчика CMAS под биопленкой.
• Ниже представлена сравнительная таблица1 , на которой представлены  различные технологии контроля скорости коррозии , включая технологии CMAS   применяемые для определения скорости коррозии в различных средах.

Таблица 1. Сравнительная таблица

Контролер накопитель nanoCorr® Field Monitor II

Рис 5.Общий вид прибора Nano Corr Monitor.

1. Контролер накопитель nanoCorr® Field Monitor II предназначен для измерения  показаний с датчиков коррозии как в автономном режиме , так и в режиме телеметрии .
2. Технические характеристики прибора представлены ниже.
3. Чувствительность измерения  локальной и общей коррозии:
4. • 0.0005-50 мм  / год
5. • Количественные для точечной и щелевой коррозии
6. Время получения : 

Применение систем для мониторинга коррозии технологи ческого оборудования

Коррозия на установках первичной переработки нефти – актуальная проблема для нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ).

Экстремальные температуры и высоко коррозийная среда негативно сказываются на состоянии трубопроводов и технологического оборудования. Риски особенно увеличиваются в случае вакуумной перегонки.

Коррозионно-агрессивные составляющие концентрируются в горячем потоке остатков атмосферной перегонки, подающемся на установку.

Для мониторинга коррозии оборудования на РН-Комсомольский НПЗ применяют традиционный способ измерений с выходом специалистов на установку. Контроль эффективности работы системы антикоррозионной защиты выполняется заводской службой по защите от коррозии, заводской лабораторией и заводским персоналом в соответствии с графиками контроля, утверждаемыми техническим руководителем ОГ.

Контроль проводится ежемесячно.

Также, группой по контролю коррозии совместно с начальником установки и инженером отдела технического надзора ОГ по коррозии на основании ежемесячных отчётов, результатов неразрушающего контроля и оценки скоростей коррозии по результатам замеров толщин стенки и скорости коррозии образцов-свидетелей ежегодно готовится аналитический отчет за год по форме, установленной в ОГ.

Точки, наиболее подверженные коррозии, как правило, находятся в труднодоступных зонах. Их обход связан с повышенным риском для персонала и высокими эксплуатационными затратами.

Традиционная методика измерений в виде ручных замеров косвенно определяет прогнозируемые изменения по всей поверхности технологического оборудования.

Они не в полной мере позволяют спрогнозировать срок критичного утонения, важный для принятия управленческих решений [1, с. 52].

Информация о целостности объекта в реальном времени позволяет оптимизировать регулируемые параметры в процессе эксплуатации, например, стратегию ингибирования коррозии и график проведения технического обслуживания, чтобы максимально повысить производительность и при этом держать под контролем внутреннюю коррозию и интенсивность эрозии. Работа нефтеперерабатывающих заводов сопряжена со множеством негативных факторов, вызывающих развитие внутренней коррозии.

• Скорость коррозии быстро меняется, например, при изменении источника сырья или условий производственного процесса.
• Опять же, традиционные методы контроля не могут предоставить полноценную картину целостности объекта для раннего обнаружения периодов быстрого износа, оптимизации и проверки стратегии предупреждения коррозии в процессе эксплуатации.
• Согласно технологическому регламенту ООО «РН-Комсомольский НПЗ» система коррозионного мониторинга установки ЭЛОУ-АВТ-3 предусматривает лабораторный анализ сырья, полупродуктов, готовой продукции и отходов производства согласно графику лабораторного контроля, а в частности:

• контроль сырой нефти;
• контроль обессоленной и обезвоженной нефти;
• контроль за водородным показателем, содержанием железа и хлор-ионов в дренажных водах.

В большинстве случаев, организация контроля коррозионной обстановки на КНПЗ проводится с помощью автономных средств измерений на основе методов потери веса (купонов), ультразвуковой толщины (ЕСН) и аналитических методов контроля окружающей среды.

В этом случае, информация, полученная о коррозионном износе оборудования, не имеет переменных во времени, а лишь среднестатистические данные, которых недостаточно, чтобы установить причинно-следственную связь с коррозионной агрессивностью среды.

1. Российские и западные эксперты в области коррозии считают, что эффективность коррозионной защиты может обеспечить только мониторинг коррозионных процессов, который позволит вести непрерывный контроль не менее 90% от эксплуатационного ресурса работы оборудования.
2. Проблема, рассматриваемая в данной работе, заключается в повышении эффективности применяемых мер по защите от коррозии, посредством введения системы непрерывного мониторинга коррозии в режиме реального времени.
3. Основная цель систем реального времени – исключить человеческие ошибки, повысить достоверность и информативность коррозионных процессов на основе высокой оперативности и своевременности принимаемых управленческих решений.

За прошедший период работы лаборатории получены и систематизированы экспериментальные данные по всем возможным видам и причинам коррозионного разрушения металла оборудования и трубопроводов основных типов установок нефтеперерабатывающих заводов с составлением коррозионных карт [3, с. 120]. Примеры коррозионных карт приведены на рисунке 1 и 2.

Рисунок 1. Пример коррозионной карты для установки первичной переработки нефти

В то время как коррозия в точке росы в системе верхнего погона четко задокументирована, различные нестандартные виды сырья на НПЗ могут увеличить риск целостности завода из-за возрастающего развития коррозии на большой площади системы верхнего погона. Это связано с тем, что потоки сырья ФКК могут иметь относительно высокое содержание соединений серы и азота, которые при распаде могут конденсироваться вверху колонн.

Это может привести к внеплановым отключениям, вызванным недопустимо высокой коррозионной активностью. Если вовремя не обнаружить и не предотвратить повышенный уровень коррозии, это может повлечь за собой утечку углеводорода, а в худшем случае – взрыв или пожар.

Это может привести к человеческим жертвам, длительному приостановлению деятельности предприятия и потере клиентов.

Более того, может потребоваться капитальный ремонт оборудования, а также может быть спровоцировано негативное влияние на репутацию компании и дополнительное внимание со стороны регулирующих органов в будущем.

Нефтегазовые компании по всему миру решают эту проблему, предусмотрительно внедряя системы непрерывного мониторинга толщины стенок, чтобы отслеживать коррозию в критических зонах.

Рисунок 2. Зоны повышенного риска воздействия кислотной точки росы в верхних частях нефтеперегонных колонн

Более строгий мониторинг позволяет не только экономически выгодно отслеживать коррозию в проблемных участках, но и точно определять конкретное сырье или технологические операции, вызывающие повышение скорости развития коррозии [2, с. 52].

Это способствует оптимизации стратегий снижения коррозии в режиме реального времени и облегчает проверку эффективности этих стратегий, благодаря чему можно своевременно и обоснованно принимать решения по управлению целостностью.

Лучшим выбором для мониторинга коррозии в точке росы системы верхнего погона являются стационарные беспроводные ультразвуковые датчики контроля толщины стенок. Установка ультразвуковых датчиков не отличается большой стоимостью, поскольку они не интрузивные, т.е. не требуют вскрытия оборудования, находящегося под давлением, и поэтому могут устанавливаться в любом месте.

• Беспроводной сбор данных позволяет использовать бескабельную установку, что дополнительно снижает затраты на установку и исключает любые текущие эксплуатационные расходы.
• Блоки питания датчиков обычно рассчитаны на работу до следующего капитального ремонта (как правило, 9 лет), поэтому в межремонтный период техническое обслуживание не требуется.
• Простота установки делает ультразвуковые датчики вполне пригодными для использования в удаленных точках, которые доступны только во время проведения капитального ремонта.

Принцип установки заключается в том, что прибор устанавливается и удерживается на поверхности трубы маломощным притяжением находящегося внутри магнита и засчет крепежного стропа. С помощью одного стропа на трубе можно закрепить несколько датчиков.

1. Для защиты ультразвуковой электроники от высоких температур в датчиках используются волноводы из нержавеющей стали, чтобы электронные устройства находились на безопасном расстоянии от горячих металлических поверхностей, температура которых может достигать 600°C.
2. Ультразвук передается от «излучающего» преобразователя вниз по одному волноводу, а отраженный сигнал передается вверх по другому волноводу в «приемный» преобразователь.
3. Как и в случае с ручным ультразвуковым контролем, измерение толщины стенки базируется на разнице во времени распространения между сигналом поверхностной волны и первым отраженным сигналом от внутренней металлической поверхности.
4. Беспроводные датчики коррозии отправляют зарегистрированные ультразвуковые сигналы посредством беспроводного шлюза и проводной локальной сети или с помощью других средств связи в IT-систему, имеющуюся на заводе.
5. Программное обеспечение, которое позволяет обрабатывать зарегистрированные данные о коррозии, сохранять их в базе данных для анализа статистики, просматривать и анализировать данные, устанавливается в рамках системы сетевой защиты предприятия для обеспечения полной безопасности.
6. Усовершенствованная программа обработки данных может повысить воспроизводимость измерений, а значит, что можно обнаруживать даже минимальную степень коррозии за считанные дни.

Эта программа позволяет отдельно выполнять измерение толщины стенки и обнаружение шероховатости внутренней поверхности, наличие которой отдельно фиксируется в виде цветной полосы, называемой PSI (индикатор формы, установленный в датчике), что значительно упрощает и ускоряет интерпретацию полученных данных. Передача данных показана на рисунке 3.

Рисунок 3.Передача данных по беспроводной сетевой системе

Множественные измерения увеличивают зону охвата. Каждый отдельный датчик имеет площадь поверхности измерения приблизительно 1 см2, как и в случае с ручным ультразвуковым контролем. Таким образом, вероятность обнаружения локализованной коррозии в точке росы с помощью одного датчика будет небольшой.

Чтобы увеличить вероятность обнаружения, датчики можно устанавливать многоточечными группами в позиции с максимальной степенью риска, исходя из понимания температуры точки росы, металлургии и геометрии оборудования.

Количество датчиков в группе определяется по данным предыдущих проверок или по размеру контролируемой зоны, в которой предполагается локализованное коррозионное воздействие. Чем больше зона предполагаемого воздействия, тем меньше датчиков необходимо.

Типичная система мониторинга, представленная на рисунке 4, будет содержать 20-30 точек измерения и от 2 до 5 датчиков на каждую точку, что дает в общей сложности 40-150 датчиков (в зависимости от конфигурации системы, металлургии и условий эксплуатации).

Рисунок 4. Ключевые позиции мониторинга (красные точки) для системы верхнего погона нефтеперегонной колонны

Современные методы мониторинга коррозии

• В современном мире коррозия металлов и защита их от коррозии является одной из важнейших научно-технических и экономических проблем.
• Успех практической реализации химико-технологических мероприятий по защите от коррозии оборудования нефте- и газоперерабатывающих процессов в большой степени определяется технической эффективностью применяемого метода коррозионного контроля.
• В настоящее время системы оперативного контроля и оптимизации коррозионных процессов  получили новое развитие – в режиме реального времени, это дает  возможность точно определять причины коррозионной активности.

На сегодняшний день существует ряд методов, позволяющих произвести оценку интенсивности и определить характер коррозионных повреждений. На практике наибольшее распространение имеют гравиметрический метод, метод электрического сопротивления и метод линейной поляризации [1].

Измерение коррозии методом электрического сопротивления (ЭС) можно представить как “электронные” купоны коррозии. В этом методе используется зависимость сопротивления металла от коррозии. Измерение электрического сопротивления обеспечивает основное измерение металлической потери (коррозии), но в отличие от купонов, величина металлической потери может быть измерена в любое время.

Измерение коррозии методом электрического сопротивления является способом автоматического контроля скорости.  Метод ЭС позволяет измерять  электрохимические и механические виды коррозии, такие как эрозия или кавитация.

1. Метод ЭС подходит для измерения возникающей коррозии оборудований, применяемых в нефтехимической и нефтегазовой сфере, рабочей средой  которых является  электролиты: пары, газы, почвы, “влажные” углеводороды, и безводные жидкости. Область применения датчиков, основанных на измерении ЭС:
2. ·                    Нефтегазовая промышленность и нефте- и газопроводы
3. ·                    Нефте- и газоперерабатывающие заводы. Нефтехимические процессы
4. ·                    Внешние поверхности подземных трубопроводов
5. ·                    Водопроводные системы
6. ·                    Дымовая труба, вытяжная труба
7. ·                    Архитектурные структуры

Этот датчик может быть установлен для непрерывного измерения коррозии, или может быть портативным, для периодического сбора данных из разных местоположений. Датчик должен иметь чувствительный элемент из такого же  материала, как и оборудование технологического процесса [2].

Принципы работы датчика

Электрическое сопротивление металла, элемента или сплава:

• где:
• L = Длина чувствительного элемента
• A = площадь поперечного сечения чувствительного элемента
• r = удельное сопротивление чувствительного элемента.
• Уменьшение в поперечном сечении чувствительного элемента, или металлическая потеря из-за коррозии, будет сопровождаться пропорциональным увеличением электрического сопротивления.

Практическое измерение коррозии достигнуто при использовании датчиков ЭС, имеющих свободные «открытые – незащищенные» чувствительные элементы, находящиеся в коррозийной жидкости, и “эталонные” элементы, герметизированные  в футляре. Измерение отношения сопротивления открытого – незащищенного чувствительного элемента к защищенному элементу сделано как показано в Рис 1.

Рис 1. Принципиальная электрическая схема датчика ЭС.

Rч – чувствительный элемент;  R2 – защищенный – эталонный элемент;  

R3 –  R4 – резисторы. ИЭ- измерительный элемент; ип- источник питания.

Изменение температуры окружающей среды действует на чувствительный и защищенный элемент,  поэтому сопротивление у обоих элементов изменяется  одинаково, таким образом, влияние изменения температуры окружающей среды к датчику сводится к минимуму. Как только температурное равновесие будет установлено, любое изменение сопротивления показывает потери металла открытого – чувствительного элемента.

Все датчики ЭС имеют элемент “сравнения”. Поскольку элемент сравнения также герметизирован в датчике, отношение его сопротивления  к эталонному элементу должно остаться неизменным. Любое существенное изменение в этом отношении указывает потерю целостности датчика.

Скорость изменения сопротивления датчика указывает на скорость коррозии. Непрерывно измеренные данные обычно передаются к компьютеру или регистратору данных.

Вычисление скорости коррозии

Когда датчик измеряет электрическое сопротивление, измерительная система вырабатывает линеаризованный сигнал (S), пропорциональный полной металлической потере чувствительного (незащищенного) элемента датчика (M).

Его истинное числовое значение является функцией изменения толщины элемента и формы.

При вычислении металлической потери (M) геометрические и размерные факторы включены в “Коэффициент датчика” (P), и металлическая потеря определяется формулой:

S и P являются безразмерными величинами. Металлическая потеря традиционно выражена в mils[1], как толщина элемента.

Скорость коррозии (C):

ΔT – промежуток времени в днях между показаниями прибора S1 и S2.

Толщина чувствительного элемента, форма и ожидаемая скорость коррозии являются определяющими факторами датчика. При выборе датчика, для получения оптимальных результатов, учитываются основные параметры (кроме рабочего диапазона температуры и давления среды) – быстродействие (время реагирования) и требуемая “полезная толщина чувствительного элемента”.

Время реагирования – это минимальное время, проходящее  с изменения факторов, действующих на коррозию оборудования, до получения сигнала на выходе датчика.

Полезная толщина чувствительного элемента датчика – это эффективная толщина чувствительного элемента, в котором металлическая потеря (изменение сопротивления) остается прямо пропорциональным к коррозии. Т.к. при коррозии чувствительный элемент датчика расходуется, после определенной потери его следует заменять.

 Чувствительный элемент, и другие компоненты датчика герметизированы и хорошо защищены  от внешних воздействий.

Самая простая конфигурация датчика – это тип датчика с неподвижным чувствительным элементом (Рис. 2.). Чувствительные элементы могут быть выполнены в различных модификациях. Они могут быть в виде петли проводника, ленты, полой трубы и т.д. (Рис. 3).  

Рис2. Общий вид датчика ЭС.

Чувствительные элементы, выполненные в разных модификациях, отличаются своими характеристиками.  Чувствительные элементы в виде петли проводника – многоиспользуемый вариант датчика.

У этого типа есть высокая чувствительность и низкая восприимчивость к шуму системы, и это делает его оптимальным для мониторинга.

Датчики с такими чувствительными элементами обычно оборудуются дефлектором потока, чтобы защитить элемент от блуждающих осколков инородных веществ в системе трубопровода.

Рис. 3. Варианты выполнения чувствительного элемента датчика ЭС.

чувствительный элемент в виде а) проводника; б) ленты;  в) трубы

Ленточная петля – плоский элемент, сформированный в форме петли. Ленточная петля – очень чувствительный элемент. Они очень хрупки и рассматриваются лишь в системах, где процессы происходят медленно.

Использование датчиков, имеющих чувствительные элементы в виде трубы, рекомендуются там, где необходима высокая чувствительность датчика и быстрое обнаружение низких скоростей коррозии.

У таких датчиков чувствительный элемент выполнен в виде маленькой просветленной, полой трубы.

Датчики с трубчатым элементом могут быть оборудованы дефлектором потока, чтобы защитить чувствительный элемент и минимизировать возможные искажения в измерении в быстротекучих системах.

1. Мониторинг коррозии, создаваемый применением датчиков коррозии на технологическом процессе, может дать следующие преимущества:
2. ● Автоматизированный контроль в режиме реального времени позволяет  непрерывно получать информацию с датчиков контроля о происходящих изменениях скорости коррозии.
3. ● Система измерений, основанных на датчиках ЭС, позволит своевременно реагировать на появление коррозии оборудования.

● Можно создать схему испытания ингибитора коррозии. Это позволит собрать данные для выявления закономерностей и динамики разрушения металлических оборудований под действием коррозии, а также проводить испытания с целью оценки экономической целесообразности и эффективности предлагаемых химических ингибиторов.

● При применении ингибиторов коррозии возможна коррекция подачи ингибитора от показаний датчика. Это приведет к точному расходу ингибиторов коррозии и получению наилучших антикоррозионных показателей в системе.

• ● Рациональная организация системы мониторинга коррозионной обстановки и управления подачей ингибитора обеспечит достижение высокого процентного уровня защиты системы и снижение аварийности.
• Таким образом, использование современных датчиков коррозии не только значительно облегчит работу операторов и обслуживающего персонала, но также позволит оперативно и качественно получать информацию о технологическом процессе, отслеживать состояние оборудования установки и контролировать значения регулируемых параметров.
• Литература:

1.      Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. / Под ред. И.В. Семеновой – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.

2.      http://www.alspi.com

[1] Mils- единица измерения длины равной 0,001 дюйма или »0,0254 мм

Коррозионно-диагностический мониторинг трубопроводных систем жилищно-коммунального городского хозяйства с автоматической системой контроля

В настоящее время достаточно сложной проблемой для коммунальных служб является поддержание эксплуатационных возможностей трубопроводных систем водоснабжения и канализации на должном уровне. На износ труб влияет окружающая среда, старение материала трубопровода, в том числе и коррозионный износ.

Независимо от рода причин эксплуатационного износа, необходимо наладить непрерывный контроль за состоянием объектов, а также мониторинг состава среды.

На сегодняшний день разрабатываются автоматизированные системы в области защиты от коррозии и предупреждения аварийных ситуаций на объектах водоснабжения и канализации.

Каждый человек понимает, что в его доме постоянно должны быть основные блага — вода и тепло. В современном мегаполисе эти блага были бы невозможными без существования трубопроводной системы.

Вместе с тем, что городские водопроводные сети являются наиболее функционально значимым элементом системы водоснабжения, они считаются и наиболее уязвимыми. По-прежнему острой остается проблема износа трубопроводной сети.

Проектирование водопроводов из стальных труб делается из расчета срока службы около 20–25 лет, тем не менее, как показывает опыт эксплуатации, уже примерно через 10 лет городские инженерные сети получают различные локальные разрушения, приводящие к потере прочности, а во многих случаях и к прорывам [1].

В результате этого возникают аварийные ситуации, для устранения которых необходимо проводить дорогостоящие ремонтные работы. По данным на 2010 г., было заменено 116,51 км ветхих водопроводных сетей на новые. Отмечено, что удельное количество повреждений на 1 км — 0,4 [2].

Причиной аварий на трубопроводах, как правило, является интенсивная коррозия труб, как с внутренней, так и с наружной стороны. Следует подчеркнуть, что возникновение течей обуславливается действием повышенных напряжений в местах утончения стенки трубы за счет протекания коррозионных процессов [3].

 Коррозия трубопроводов – явление, обусловленное самопроизвольным разрушением металлов труб вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней и внутренней средой. Вследствие этого металл постепенно видоизменяется на ионном уровне (окисляется) и, распадаясь, исчезает с поверхности трубы.

Это несет за собой изменение химических, механических свойств металла, а также эксплуатационных свойств металлоконструкций. Окисление металла может зависеть от характера жидкости, протекающей по трубопроводу, или от свойств среды, в которой проложен трубопровод. Эти факторы необходимо учитывать при выборе способов защиты от коррозии.

В некоторых случаях целесообразно проводить усиленные меры по химической обработке воды, чтобы уменьшить ее коррозионные свойства, в других случаях – использовать защитные покрытия для внешней или внутренней поверхности труб, в третьих – применять специальные способы, например «катодную защиту».

Однако для начала необходимо тщательно подобрать материал для трубопровода. Как правило, для городских трубопроводных систем чаще используют стальные трубы [2], которые являются наиболее подверженными коррозионным разрушением.  

Зачастую, водопроводные трубы для удобства укладывают в землю. Коррозия с наружной стороны в первую очередь обусловлена агрессивностью и повышенной влажностью среды, в которой проложен трубопровод. Поэтому на практике большое внимание уделяется борьбе с коррозией внешней поверхности стенок труб, т. е.

с «почвенной» коррозией, которая характеризуется разрушающим действием на металл жидких электролитов (растворов солей), содержащихся в почве. Известно, что агрессивность среды зависит от многочисленных утечек в грунт стоков от изношенных канализационных систем [4]. Коррозионную агрессивность почвы оценивают посредством определения электрического сопротивления.

Чем ниже этот показатель, тем агрессивнее воздействует грунт на стенки водопровода, и наоборот. Помимо состава грунта, немаловажными факторами, влияющими на износ трубопроводов, являются климатические условия, особенности трассы, условия эксплуатации. Такого рода воздействия приводят к деформации трубопроводов, вертикальным смещениям и, как следствие, обрыву.

Наибольшую опасность представляют трубы больших размеров, так как при аварии на них произойдет значительная утечка, что приведет к загрязнению больших площадей.

Коррозия трубопровода с внутренней стороны обусловлена агрессивными свойствами протекающей по нему среды. Агрессивность среды (воды) зависит от той обработки, которой она подвергается на станции (коагуляция, флокуляция), а также от содержания в ней определенных компонентов (хлора, кислорода, карбонатов, бикарбонатов, фосфатов, сульфатов и др.).

Агрессивность увеличивается при содержании в воде растворенных газов – воздуха и углекислого газа, и уменьшается при возрастании и жесткости [5]. Металл, пораженный коррозией, может продолжать эксплуатироваться в течение некоторого времени только при тщательном контроле со стороны персонала.

Но даже в этом случае не исключено возникновение аварийных ситуаций.

Для предотвращения экономического, а также экологического ущерба от аварийности, необходимо комплексное применение средств противокоррозионной защиты и коррозионного мониторинга. Одна из основных задач коррозионного мониторинга – своевременное получение данных по коррозионному состоянию трубопроводов и эффективности ингибиторной защиты.

Для получения в режиме реального времени информации об изменении коррозионной ситуации и эффективности защиты необходимо отслеживать изменения скорости коррозии и агрессивности сред. На крупных энергетических объектах контроль коррозионного состояния оборудования, как правило, ведётся.

В противовес этому в коммунальной энергетике такой контроль практически не проводится, результатом чего и являются вышеупомянутые аварийные ситуации.

Выбор способов контроля или защитных мероприятий зависит в первую очередь от механизма развития коррозии, а также от характера ее проявления. При рассмотрении процесса коррозии определяют механизм химической реакции, лежащей в его основе. Если реакция идет в присутствии электролита, то такую коррозию принято называть электрохимической, или низкотемпературной, так как процесс протекает с заметной скоростью уже при температуре выше 00С. Именно этот вид коррозии, как правило, преобладает при рассмотрении городских трубопроводных систем.

Другим немаловажным фактором для разработки систем коррозионного контроля является характер поражения. По этому принципу различают общую и местную (локальную) коррозию (рис. 1) [6].

Как было сказано выше, современные трубопро-водные системы жилищно-коммунального городско-го хозяйства характеризуются низкой надежностьюи высоким эксплуатационным износом. В качестве при-чин низкой надежности трубопроводов городов России можно отметить:

• коррозионный износ поверхности трубопроводов;
• несоответствие качества труб требованиям нормативных документов;
• использование труб из материалов, не способных выдержать фактические внешние и внутренние нагрузки, воздействующие на трубопровод;
• технологические работы по укладке и монтажу трубопроводов, не соответствующие нормами правилам;
• отсутствие необходимых мер по защите трубопроводов от агрессивного воздействия внешней и внутренней среды;
• влияние окружающей среды;
• разрушающие внешние механические нагрузки.

Из этого следует вывод, что значительное количество трубопроводов сетей жилищно-коммунального городского хозяйства проложено из сравнительно дешевых стальных труб, без защиты их внутренней и внешней поверхности от коррозии.

Катастрофические последствия этого проявляются лишь через несколько лет эксплуатации. На сегодняшний день одной из важнейших задач инженерной мысли является увеличение эксплуатационного срока трубопровода.

Поэтому немаловажно развитие современных технологий, способствующих положительному разрешению вопроса.

Химическая обработка воды – немаловажный способ защиты внутненних стенок трубопроводов от коррозии. Основная цель – преобразовать потенциально агрессивную воду в слабокальцирующую.

Известно, что присутствующие на внутренней поверхности трубы отложения солей кальция, образуют покрытие, защищающее его от коррозийного воздействия. Образованию таких отложений способствует умеренная жесткость воды. Затормозить коррозионные процессы можно с помощью добавления в воду ингибирующих веществ.

В водопроводных сетях систем жилищно-коммунального городского хозяйства обработка воды сводится, как правило, к добавлению кальция [Ca(OH)2], соды (NaНСO3), и карбоната натрия (Na2CO3).

Эффективным способом антикоррозийной защиты считается обработка воды полифосфатами (а также фосфатами и силикатами), которые корректируют чрезмерную жесткость воды, которая приводит к образованию нежелательных очагов известковых отложений.

В стальных оцинкованных трубопроводах при добавлении в воду таких добавок на внутренней поверхности трубопровода образуется пленка, защищающая металл от коррозии.

Такие реагенты применяются на участках водопровода, обеспечивающих распределение воды по отдельным точкам водоразбора, однако их разрешено применять и в водопроводных сетях питьевого назначения при условии соблюдения требований, установленных действующим санитарно-эпидемиологическим регламентом. Для определения оптимальных дозировок реагентов необходимы лабораторные исследования состава среды, ее коррозионной агрессивности и склонности к выпадению солей, а также дальнейший непрерывный лабораторный контроль ситуации на объекте.

Надежность и эффективность любого способа защиты обеспечивается, в том числе, периодическим осмотром сети трубопровода, проверкой работоспособности используемого оборудования и своевременным устранением неисправностей.

Защита от коррозии, а также контроль состояния труб в водопроводной и канализационной системе – задача не только изготовителей или строителей, но и проектировщика сети и конечного пользователя.

Процесс коррозии зависит от недостаточно сбалансированного состава протекающей по трубам жидкости, некорректным сочетанием различных металлов или, наконец, недостаточным вниманием к защите трубопровода.

Трубопроводные системы жилищно-коммунального городского хозяйства для своего нормального функционирования нуждаются в высокоорганизованной и отлаженной работе всего технического персонала.

Этот персонал отвечает не только за проведение всех необходимых мероприятий по ремонту трубопровода, но и организацию предупредительных работ, направленных на модернизацию и реконструкцию трубопроводов. Только в своевременном выполнении этих работ, вероятность возникновения различных аварийных ситуаций будет сведена к минимуму.

Плановые мероприятия эксплуатационных служб включают не только ремонт трубопровода, но и различные работы по улучшению их состояния, а также наблюдение за правильной эксплуатацией водопроводных и канализационных систем.

Для качественного и своевременного ремонта водопровода в настоящее время недостаточно использования старых технологий. На смену им приходят новые малозатратные, экологически безвредные современные технологии, которые позволяют не только провести ремонт любой сложности за очень короткое время, но и идентифицировать дефект трубопровода сразу же после его появления. 

Места, подверженные интенсивному эксплуатационному износу оснащаются средствами электрохимической защиты и приборами контроля состояния материала трубопровода и потока рабочей среды.

С датчиков контроля (электроды сравнения, датчики расхода и АЭ), находящиеся непосредственно около трубопровода, параметрические сигналы поступают на оперативный модуль сбора и управления для дальнейшей передачи на пульт диспетчера в ЦДС, посредством сотовой связи GSM/GPRS, в режиме реального времени.

В качестве базы программного обеспечения центрального сервера используется SCADA-пакет, обеспечивающий поддержку технологий OPC XML. Automation Server и OPC-сервер, работающий под Windows.

Вся поступающая информация накапливается но жестком диске и выводится на информационный экран ПК диспетчера в виде основных параметров, влияющих на протекание коррозионных процессов и контроля целостности трубопровода.

В зависимости от показаний датчиков и установленных контрольных критериев, система в автоматическом режиме осуществляет управление катодными станциями.

На пульт диспетчера поступают следующие показания:

• величины напряжения и тока на выходе СКЗ, потенциала в точке дренажа;
• изменения напряжения питающей сети;
• суммарного времени наработки СКЗ под нагрузкой и потребления активной энергии за прошедший период;
• о несанкционированном доступе в шкаф катодных станций и модуль сбора и управления;
• данные расхода воды (рабочего продукта);
• скорости коррозии (по желанию заказчика);
• величины потенциала и тока в точке дренажа протекторных установок (если они установлены);
• данные с датчиков АЭ (если они установлены) о состоянии материала, на предмет наличия динамики трещинообразования

Система обладает визуальными и звуковыми ступенями предупреждения – тревога, опасность и норма, и в случае отклонения от нормы, не зависимо от человеческого фактора, срабатывает программа установленных допустимых значений. На основе сравнения непрерывно поступающих данных исключается фактор человеческой ошибки и повышается достоверность показаний.

Внедрение системы позволяет:

1. Обеспечить непрерывное получение информации о работе и параметрах системы.
2. В автоматическом режиме управлять коррозионной интенсивностью, вызванной как изменением свойств грунта, так и влиянием промышленных и гражданских объектов.
3. Контролировать расход воды, путем непрерывного сравнения поступающих данных и своевременно фиксировать образовавшиеся утечки на трубопроводе.
4. Экономить энергоресурсы от10 до20 %.
5. Снизить затраты на обслуживание трубопроводных систем.
6. Оперативно и своевременно ликвидировать аварии и аварийные ситуации, существенно снизить затраты, связанные с экологическими последствиями и восстановлением поврежденной территории города.

Таким образом, на сегодняшний день для обеспечения безопасной эксплуатации технологического оборудования систем водоснабжения и канализации необходимы постоянные лабораторные исследования агрессивности сред и подбор эффективных реагентов для защиты от коррозии и солеотложений, а также применение систем современного автоматизированного контроля ситуации для своевременного предотвращения экономических и экологических катастроф.

Системы мониторинга коррозии

ER принцип построен на методе измерения изменения электрического сопротивления чувствительного элемента зонда. Зонд вводится в исследуемую среду и на основании изменения сопротивления чувствительного элемента делается вывод о скорости процесса коррозии.

Данный метод схож с гравиметрическим методом (потеря массы чувствительного элемента), но не требует дополнительных лабораторных исследований и может контролировать состояние зондов в режиме реального времени.

На основании полученных в результате измерений данных производится расчёт скорости коррозии.

Физический принцип ER систем заключается в том, что в результате коррозионных процессов на поверхности чувствительного элемента измерительного зонда, происходит постепенное уменьшение площади поперечного сечения чувствительного элемента, а его длина остаётся неизменной.

• Известно, что сопротивление определяется формулой
• где
• ρ – удельное электрическое сопротивление материала проводника;
• ???? – площадь поперечного сечения проводника;
• ???? – длина проводника.

Из формулы видно, что сопротивление зонда обратно пропорционально площади поперечного сечения зонда. Именно это обстоятельство является основополагающим в математической модели системы.

Для компенсации влияния изменения температуры на сопротивление в корпусе зонда встроен опорный элемент, который принимает температуру среды и не подвержен коррозии.

Расчёт потери металла производится уже с учётом компенсации температуры, при этом нет необходимости измерять её отдельно, что увеличивает надёжность всей системы.

При измерении зонда измерительный прибор выдаёт линеаризованный сигнал (????), который пропорционален суммарным потерям металла (????) на чувствительном элементе.

Реальное значение потери металла зависит от формы и геометрических размеров зонда. При расчёте форма и размер учитывается коэффициентом (????), содержащий реальный объём металла и срок службы зонда.

Коэффициент К является табличным значением и индивидуален для каждого типа зонда.

1. ????=????×????
2. где:
3. ???? – значение потери металла, мм;
4. ???? – сигнал с измерительного блока;
5. ???? – коэффициент зонда.
6. Скорость коррозии (????????????) рассчитывается по следующей формуле:

• где:
• ????1 и ????2 – значения потери металла зонда в начале и в конце исследуемого периода;
• Δ???? – продолжительность исследуемого периода в сутках.
• В конце каждого этапа испытаний рассчитывается среднее значение скорости коррозии каждого ER зонд на данном этапе.

Конструктивно различные геометрические конфигурации ER зондов имеют различные заводские толщины чувствительного элемента и минимально допустимую остаточную толщину использования элемента.

Данный конструктив автоматически учитывает стационарный измерительный блок СИБ при выборе номера чувствительного элемента в программном каталоге путем применения в расчетах константы Р, которая соответствует типу зонда, его геометрии и габаритным размерам.

Для проектного выбора типа чувствительного элемента необходимо учитывать две основные характеристики функционирования – это время отклика (ВО) и допустимая продолжительность использования элемента (ДПИЭ).

ДПИЭ элемента прямо пропорционально его толщине, в то время как ВО обратно-пропорциональна толщине элемента.

ВО равняется минимальному промежутку времени для получения существенного изменения электрического сопротивления элемента, которое может различить как изменение измерительным блоком при данной скорости коррозии для данного типа зонда.

В общем случае ВО это время, необходимое для изменения толщины чувствительного элемента на 0,4% от его первоначальной заводской толщины чувствительного элемента. Таким образом, при проектировании системы мониторинга коррозии необходимо найти верную комбинацию требуемой продолжительностью использования чувствительного элемента и временем отклика при выборе типа зонда-датчика.

Другой важной характеристикой функционирования, которая связана с геометрией элемента, является воспроизводимость измерения. При идеальных условиях воспроизводимость измерения будет соответствовать разрешению прибора, которое имеет значение +0.1% для большинства приборов.

Однако, элементы с низким сопротивлением в системах, которые проявляют частые (30-60 минутный цикл), или достаточно большие (±20-25°), колебания температур, могут достигать воспроизводимости только в +0.5%.

Элементов с такой низкой сопротивляемостью следует избегать, в тех случаях, когда возможна указанная температурная нестабильность, за исключением случаев, когда одновременно возможны высокие скорость коррозии (0,5 мм/год).

Последний вопрос, связанный с чувствительными элементами датчиков – это материал, из которого они изготовлены.

Как и в случае с гравиметрическим методом, его выбирают таким образом, чтобы он максимально соответствовал тому, из которого сделан трубопровод или оборудование, которое исследуется.

Почти любая геометрическая конфигурация и толщина элемента может изготовляться из любого имеющегося на рынке сплава.

Система коррозионного мониторинга трубопроводов СКМТ

• Система коррозионного мониторинга трубопроводов СКМТ(далее – СКМТ), предназначена для определения местповреждения изоляционного покрытия, измеренияпотенциалов (коррозионных, поляризационных, поперечногопродольного градиентов) трубопровода, коррозионнойактивности грунта (скорости коррозии металлатрубопровода на разных уровнях его залегания) и скоростиостаточной коррозии металла трубопровода в дефектахизоляционного покрытия
• СКМТ применяется при технической эксплуатации действующих трубопроводов и строительстве новых трубопроводов.
• СОСТАВ ПРИБОРА:
  • 1 Измерительный блок (СКМТ – ИБ)-
  • Прерыватели тока катодной защиты (ПТКЗ)-
  • Коррозионный зонд-датчик-
  • Устройство для углубления коррозионного зонда-
• • Блок питания с зарядным устройством

Система коррозионного мониторинга трубопроводов (СКМТ) предусматривает определение мест повреждения изоляционного покрытия трубопроводов. Результаты измерения отображаются на цифро–буквенном редкокристаллическом индикаторе СКМТ – ИБ и могут сохраняться в памяти СКМТ – ИБ на протяжении всего времени обследования трубопровода. Объем памяти СКМТ – ИБ рассчитан на сохранение результатов не меньше 2000 измерений.
У СКМТ – ИБ предусмотрена возможность перезаписи результатов измерений в ПЭВМ через стандартный порт.

У СКМТ – ИБ предусмотрено сохранение информации, записанной в памяти прибора, при включении электропитания.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СКМТ:
• Диапазон измерения потенциала должен быть от минус 10 В до 10 В.
• В режиме измерения “Градиент потенциалов” диапазон измерения градиента потенциалов должен быть от минус 1 В до 1 В.

• Электропитание измерительного блока СКМТ – автономное, от встроенных 8 аккумуляторных батарей типа ЦНК – 0,6 или 8 гальванических элементов АА, или внешнего источника постоянного тока напряжением от 8,8 В до 13 В.

• Час беспрерывной работы СКМТ – ИБ от аккумуляторов с момента их полной зарядки или одного комплекта батарей – не менее 16 часов.
• Прерыватели тока катодной защиты (ПТКЗ) предназначены для прерывания электрического тока катодной защиты силой до 30 А с заданным временным циклом (режим прерывания).

Предусмотрена возможность часовой синхронизации до четырех ПТКЗ, при этом каждый ПТКЗ может выступать в роли как синхронизирующего, так и синхронизованного. Временная нестабильность таймера ПТКЗ – не более 0,1 с за сутки.

1. Электропитание прерывателя тока катодной защиты осуществляется от встроенной аккумуляторной батареи напряжением (12 ) В типа PS–640 или от сети переменного тока (220 ) В, частотой (50 ± 0,5) Гц.
2. При включении в сеть переменного тока напряжением (220 ) В, частотой (50 ± 0,5) Гц осуществляется подзарядка аккумуляторной батареи ПТКЗ.
3. Время беспрерывной работы ПТКЗ от полностью заряженного аккумулятора составляет не менее 8 часов.
4. • СКМТ комплектуется зарядным устройством с электропитанием от сети переменного тока напряжением (220 ) В и частотой (50 ± 0,5) Гц, предназначенным для заряда вмонтированных аккумуляторов.
5. Требования безопасности составных частей СКМТ соответствуют:
   – измерительный блок класса защиты ІІІ в соответствии с ГОСТ 26104-
6. – прерыватель тока катодной защиты и зарядное устройство класса защиты 0І в соответствии с ГОСТ 26104.
7. Климатика: в условиях эксплуатации СКМТ соответствует группе 4 в соответствии с ГОСТ 22261 и (за исключением зарядного устройства) рассчитана на эксплуатацию на открытом воздухе при температуре от минус 10 °С до плюс 55 °С и при относительной влажности до 90 % при температуре плюс 30 °С.
8. Зарядное устройство рассчитано на эксплуатацию в закрытых помещениях при температуре от 10 °С до 35 °С и относительной влажности до 80 %.

Габаритные размеры, мм, не более:
измерительный блок прерыватель тока катоднойзащиты коррозионный зонд-датчикустройствоуглубления коррозионного зонда	248х237х190 226х125х230 25х15001500x400x50

 

Масса, кг, не более:

измерительный блок прерыватель тока катодной защиты коррозионный зонд-датчикустройство для углубления коррозионного зонда

В условиях эксплуатации зарядное устройство соответствует выполнению УХЛ 4.2 в соответствии с ГОСТ 15150.
По показателям надежности прибор относится к группе ИКН, вид І, обновленный в соответствии с ГОСТ 27.003.
Пример записи СКМТ для заказа:
“Система коррозионного мониторинга трубопроводов СКМТ
ТУ У 33.2-30019801-001:2006 (ЮИАЦ.411251.001 ТУ)”

• ТУ применимы для достижения целей сертификации в Системе сертификации УкрСЕПРО.
• Прибор СКМТ – ЗАРЕГИСТРИРОВАН В ГОСРЕЕСТРЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ под № У2308 -06