Устройство для мониторинга развивающейся подпленочной коррозии трубопроводов

Полезная модель относится к области обеспечения безопасности опасных производственных объектов и может быть использована для контроля скорости коррозии в системах транспорта углеводородов. Объем водорода, выделяющегося при развивающейся коррозии внешней поверхности трубопровода под отслаивающейся изоляцией, эквивалентен количеству растворяющегося в этой локальной зоне металла.
Из существующего уровня техники известно, что устройств для количественного определения содержания водорода над поверхностью грунта с целью выявления очагов развивающейся подпленочной коррозии (далее - ППК) трубопроводов в настоящее время нет.
Известный набор для анализа газообразного водорода (JP 2019045242 (А) - 2019-03-22 HYDROGEN GAS ANALYSIS KIT, HYDROGEN GAS ANALYSIS METHOD, AND METHOD FOR CONTROLLING QUALITY OF HYDROGEN GAS) включает в себя редуктор давления, который снижает давление газообразного водорода при высоком давлении от 1 МПа или более до менее 1 МПа. Данное изобретение предназначено для оценки содержания примесей в водороде высокого давления на станциях его получения.
В патенте US 2019383731 (A1) - APPARATUS AND METHOD FOR PERFORMING GAS ANALYSIS USING OPTICAL ABSORPTION SPECTROSCOPY, SUCH AS INFRARED (IR) AND/OR UV, AND USE THEREOF IN APPARATUS AND METHOD FOR PERFORMING DISSOLVED GAS ANALYSIS (DGA) ON A PIECE OF ELECTRICAL EQUIPMENT - описаны устройство и связанный с ним способ проведения газового анализа на газовой пробе. Способ основан на возбуждении газовой пробы одним или несколькими источниками электромагнитной энергии и получении сигналов оптического поглощения, связанных с газовой пробой, до, во время и/или после применения к ней каталитического процесса. Полученные сигналы оптического поглощения затем могут быть обработаны с использованием дифференциальных методов расчета для получения информации, связанной с пробой газа, которая может включать, например, информацию, передающую концентрации определенных специфических газов в пробе. Недостатком метода является возможность анализа потоков газа только с высокой концентрацией (от 1000 ppm и выше).
Недостатком перечисленных аналогов является то, что разработанные устройства не могут быть использованы для мониторинга очагов ППК магистральных трубопроводов непосредственно над поверхностью грунта, а также с учетом его основных параметров, значительно влияющих на данный процесс (кислотность, влажность и температура грунта).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является полупроводниковый датчик водорода (Пат. 181283 РФ, МПК G01N 27/12. Полупроводниковый датчик водорода, работающий при комнатной температуре / Ильин А.С., Форш П.А., Мартышов М.Н., Иким М.И., Трахтенберг Л.И., Кашкаров П.К. - №2017138959, заявл. 09.11.2017; опубл. 09.07.2018; Бюл. №19), принятый за прототип, включающий в себя чувствительный элемент, состоящий из тонкой наноструктурированной металлооксидной пленки на диэлектрической подложке с электродами для измерения проводимости, и источник света для возбуждения фотопроводимости чувствительного элемента. Техническим результатом полезной модели является возможность детектирования низких концентраций водорода (от 10 ppm и выше) с помощью полупроводникового датчика при комнатной температуре.
Недостатком указанного прототипа является то, что для качественного детектирования низкой концентрации водорода в атмосфере необходим дополнительный источник освещения с длиной волны излучения 515-530 нм. При этом возможность учета основных параметров грунта, значительно влияющих на коррозионный процесс (кислотность, влажность и температура грунта), также отсутствует.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является определение объема выделяющегося при ППК водорода и происходящего при этом изменения массы металла в коррозионном очаге, на основе определения концентрации водорода, эмитирующего с внешней поверхности трубопровода при развивающейся ППК, с учетом основных параметров грунта, значительно влияющих на данный процесс (кислотность, влажность и температура грунта).
Технический результат достигается тем, что устройство для мониторинга развивающейся ППК трубопроводов, включающее в себя электрохимический датчик водорода на основе твердого электролита, дополнительно содержит измерительные преобразователи кислотности, влажности и температуры грунта, а также температуры окружающего воздуха, микропроцессор для вычисления объема выделяющегося водорода, буфер хранения данных, микропроцессор для вычисления потери массы металла в коррозионном очаге, преобразователь интерфейса.
Сущность полезной модели поясняется фиг.
На фиг. изображена структурная схема устройства для мониторинга развивающейся ППК трубопроводов.
Устройство для мониторинга развивающейся ППК трубопроводов состоит из параллельно соединенных электрохимического датчика водорода 1, измерительных преобразователей: кислотности грунта 2, влажности грунта 3, температуры грунта 4 и температуры окружающего воздуха 5, цифровые выхода которых соединены с цифровым входом микропроцессора для вычисления объема выделяющегося водорода 6, группа управляющих выходов I, II, III, IV, V которого соединена соответственно со входами управления электрохимического датчика водорода 1 и измерительных преобразователей 2, 3, 4, 5, а его цифровой выход соединен с цифровым входом буфера хранения данных 7, цифровой выход и управляющий вход которого соединены соответственно с первым цифровым входом и управляющим выходом VI микропроцессора для вычисления потери массы металла в коррозионном очаге 8, второй цифровой вход которого соединен с первым цифровым выходом преобразователя интерфейса 9, цифровой вход которого соединен с цифровым выходом микропроцессора 8. Второй цифровой выход преобразователя интерфейса 9 является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом.
Электрические сигналы с электрохимического датчика водорода 1 и измерительных преобразователей 2, 3, 4, 5 поступают на вход микропроцессора 6, где выполняется их дискретная оценка, формируется выборка с наибольшими значениями избыточной концентрации водорода, превышающей фоновую на 10 и более ppm, по которым вычисляется изменение объема выделяющегося водорода ΔV. Также микропроцессор 6 осуществляет общую синхронизацию датчика 1 и измерительных преобразователей 2, 3, 4, 5. Далее, расчетные данные записываются в буфер хранения 7, а затем поступают в микропроцессор 8, который на их основе вычисляет потерю массы металла в коррозионном очаге Am по формуле
где  - атомная масса металла, г;
- атомная масса газа, г;
г
г
n - валентность газа (для водорода n=1);
Me
n - валентность корродирующего металла;
г
ρ - плотность газа, г/см;
2 - число атомов в молекуле водорода.
Полученное максимальное значение Δm, соответствующее центру очага ППК, через управляющий выход VI записывается в буфер хранения данных 7, а также через преобразователь интерфейса 9 транслируется микропроцессором 8 на выход устройства для последующей передачи в системы верхнего уровня.
Предлагаемое устройство для мониторинга развивающейся ППК успешно прошло опытно-промышленные испытания на линейных участках магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Казань».