Коррозионный водородный зонд
CORROSION HYDROGEN PROBE

Изобретение относится к испытательной контролирующей технике, а именно к коррозионным водородным зондам.
Из всех существующих средств коррозионного контроля (за исключением образцов-свидетелей) водородные зонды давления являются самыми недорогостоящими и наименее сложными. При работе они очень быстро, как правило, в течение 24 ч. отражают изменения скорости коррозионных процессов в системе (Митрофанов А.В., Киченко А.Б., Гафаров Н.А. Контроль коррозии на объектах нефтегазодобычи с помощью водородных зондов // Обз. информ. Сер.: Защита от коррозии оборудования в газовой промышленности. - ООО "ИРЦ Газпром". - 2003-113 с.).
Водородные зонды давления представляют собой устройства, имитирующие несплошность в металле, где происходит выделение продиффундировавшего через стенку зонда водорода, образующегося в результате коррозионного процесса на противоположной ее стороне (Гутман Э.М., Гетманский М.А., Клапчук О.В., Кригман Е.А. Защита нефтепромыслового оборудования от коррозии. - М.: Недра. 1988. - 200 с.). Их общей характеристикой является наличие искусственно созданной несплошности в металле, куда благодаря своей высокой диффузионной подвижности проникает атомарный водород. В несплошности такой водород переходит в молекулярную форму (молизуется), способную развивать огромные давления, регистрируемые манометром (Митрофанов А.В., Киченко А.Б., Гафаров Н.А. Контроль коррозии на объектах нефтегазодобычи с помощью водородных зондов // Обз. информ. Сер.: Защита от коррозии оборудования в газовой промышленности. - ООО "ИРЦ Газпром". - 2003. - 113 с.), и создавать тем самым высокие внутренние напряжения в металлической фазе, обусловливая ее водородную хрупкость.
Известен водородный зонд «труба в трубе» (Гутман Э.М., Гетманский М.А., Клапчук О.В., Кригман Е.А. Защита нефтепромыслового оборудования от коррозии. - М.: Недра. 1988. - 200 с.).
Подобные зонды монтируются на трубопровод, по которому подается агрессивная среда, в результате взаимодействия которой с материалом конструкции выделяется атомарный водород, диффундирующий в металл. Недостатком таких водородных зондов давления (далее водородных зондов (ВЗ)) является низкая чувствительность в связи с неизбежным наличием стенок большой толщины и сложностью контроля состояния металла в зоне установки ВЗ. В силу этих причин подобные водородные зонды не получили распространения в промышленности.
Известен накладной водородный зонд (Гутман Э.М., Гетманский М.Д., Клапчук О.В., Кригман Л.Е. Защита газопроводов нефтяных промыслов от сероводородной коррозии. - М.: Недра, 1988. - 200 с.). При очевидной простоте и надежности конструкции накладных зондов их большим недостатком является недостаточная чувствительность подобно водородным зондам типа «труба в трубе». Дополнительным серьезным недостатком является сложность, а подчас и невозможность осуществления надежного уплотнения между накладкой и контролируемой поверхностью конструкции. В результате эти зонды также мало используются.
Известны пальчиковые водородные зонды (Гутман Э.М., Гетманский М.Д., Клапчук О.В., Кригман Л.Е. Защита газопроводов нефтяных промыслов от сероводородной коррозии. - М.: Недра, 1988. - 200 с.). Недостатком этих ВЗ является необходимость в наличии штуцера, имеющего фланцевое или резьбовое соединение, позволяющее установить зонд на трубопровод. В силу этих причин, несмотря на высокую чувствительность, такие зонды нашли ограниченное распространение в условиях магистральных нефтепроводов, по которым перекачивается агрессивная среда.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому водородному зонду является водородный зонд типа «стакан» (АС СССР №1078285, кл. G 01 N17100, 13.12.82, опубл. 07.03.84. Бюл. №9. Коррозионный водородный зонд. Авторы: Э.М. Гутман, А.Ф. Светличкин, Н.В. Холзаков, Г.Ф. Райзман, В.П. Яковлев), в полости которого установлен и взаимодействует с дном подпружиненный поршень, вдоль оси которого имеется ступенчатый канал. В расширенной части канала установлен датчик количества продиффундировавшего через дно водорода, гибкая мембрана с тензометрическим датчиком. Кроме того, ВЗ снабжен предохранительным клапаном, расположенным в канале между дном зонда и мембраной.
Недостаток указанного зонда - сложность монтажа, трудности в достижении уплотнения соединений. Кроме того, он характеризуется более низкой чувствительностью в силу малой площади поверхности, через которую диффундирует в них водород.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности, тем самым обеспечивается надежность получения количественных показателей диффузии водорода внутри металла в условиях воздействия на него агрессивной наводороживающей среды, склонности материала конструкции к коррозионному растрескиванию и в итоге обеспечение безопасности эксплуатации объекта.
Указанная техническая задача достигается тем, что коррозионный водородный зонд содержит корпус, датчик водорода, поршни, манометры, тензодатчики и регистрирующий прибор, согласно изобретению датчик водорода выполнен в виде трубки, в которую вставлен трубчатый вкладыш с тензодатчиками, которые нагружаются растягивающей нагрузкой от давления агрессивной наводороживающей среды, воздействующей на связанный с ними поршень. При этом уровень напряжения регулируют изменением величины противодавления компенсирующего поршня через сжимаемую кремнийорганическую жидкость.
2
На чертеже представлена схема предлагаемого коррозионного водородного зонда. Зонд содержит корпус 1, установленный на контролируемом оборудовании 2. Датчик водорода 3 погружен в агрессивную наводороживающую среду 4. Датчик водорода 3 изготовлен из материала испытуемого оборудования и совместно с находящимся в нем трубчатым вкладышем 5 нагружен растягивающим напряжением, создаваемым давлением агрессивной наводороживающей среды 4, действующей на поршень 6. Поршень 6, установленный в корпусе 1, соединен с датчиком водорода 3 и трубчатым вкладышем 5. Величина напряжения в датчике водорода 3 контролируется тензодатчиками 7, установленными внутри трубчатого вкладыша 5. Тензодатчики 7 через токопровод 8 соединяются с регистрирующим прибором 9. Проникающий сквозь стенку датчика 3 атомарный диффузионно-подвижный водород в канале 10 образует молекулярную форму водорода (Н) и по каналу 11 поступает к крану 12. В зависимости от положения затвора 13 водород направляется к манометру 14 для контроля давления водорода или к манометру 15 для контроля давления агрессивной наводороживающей среды 4 и определения момента разрушения датчика водорода 3. Для установки заданного уровня напряжений в сечении датчика водорода 3 используется компенсирующий поршень 16, при перемещении которого в направлении поршня 6 путем вращения регулирующей гайки 17 в объеме, заполненном сжимаемой кремнийорганической жидкостью 18, создается давление, которое передается на поршень 6. При этом изменяется уровень напряжения в сечении датчика водорода 3, величина которого определяется показаниями регистрирующего прибора 9.
Водородный зонд работает следующим образом. Первоначально определяется требуемый уровень напряжений в датчике водорода 3. Для этого рассчитывается распределение нагрузки между датчиком водорода 3 и трубчатым вкладышем 5 для установки соответствующих показаний регистрирующего прибора 9. После монтажа водородного зонда на контролируемое оборудование 2, до включения его в работу, путем закручивания гайки 17 перемещают компенсирующий поршень 16, передающий давление через сжимаемую кремнийорганическую жидкость 18 для перемещения поршня 6 в крайнее нижнее положение в корпусе 1 для того, чтобы датчик водорода 3 не находился под нагрузкой. После подачи в контролируемое оборудование 2 рабочего давления агрессивной наводороживающей среды 4 медленным вращением гайки 17 повышают уровень растягивающего напряжения в сечении датчика 3 до тех пор, пока на регистрирующем приборе 9 не будет достигнуто соответствующее показание, при котором датчик 3 будет нагружен до расчетного уровня напряжения. Во время выполнения этой операции кран 12 находится в положении, при котором канал 11 соединяется с манометром 15, рассчитанным на показание давления агрессивной наводороживающей среды 4. Затем затвор 13 крана 12 переводится в положение подключения канала 11 к манометру 14 для контроля давления водорода. Если при этом манометр 14 показывает избыточное давление, то его следует снизить, доведя до атмосферного давления. В процессе эксплуатации контролируемого оборудования 2 под давлением агрессивной наводороживающей среды 4 между установленными периодами измерения давления водорода затвор 13 крана 12 находится в положении, когда канал 11 соединен с манометром 15, что позволяет определить момент возможного разрушения датчика водорода 3. В процессе работы зонда необходимо периодически фиксировать показания регистрирующего прибора 9. Поскольку в результате коррозионных процессов уменьшается сечение датчика водорода 3, то при постоянной величине давления агрессивной наводороживающей среды 4 уровень растягивающего напряжения увеличивается. Регулировка величины напряжений в сечении датчика водорода 3 производится путем перемещения регулирующей гайки 17 до расчетной величины, определяемой по показанию регистрирующего прибора 9. В результате сопоставления изменений в показаниях регистрирующего прибора 9 вычисляется средняя скорость коррозии, а по анализу периодических показаний манометра 15 определяется изменение интенсивности наводороживания. Если в процессе воздействия агрессивной наводороживающей среды 4 произойдет разрыв механически нагруженного датчика 3, вся нагрузка воспримется вкладышем 5. В этом случае показания регистрирующего прибора 9 резко изменятся в направлении увеличения деформации. Также возможно, что манометр 15 покажет давление рабочей среды, но при этом показания регистрирующего прибора 9 изменятся незначительно, если в стенке датчика водорода 3 образуется минимальное сквозное отверстие, что, как правило, является следствием появления микропиттинга. Если при эксплуатации контролируемого оборудования 2 возникают импульсы давления, они гасятся за счет демпфирующего действия сжимаемой кремнийорганической жидкости 18. При отключении линии высокого давления от манометра 14 с помощью крана 12 и перед подключением этого манометра следует временно снижать уровень напряжения в сечении датчика водорода 3.
Таким образом, предлагаемый коррозионный водородный зонд может быть использован для контроля скорости коррозии оборудования, эксплуатируемого в агрессивной наводороживающей среде, в частности для определения эффективности и времени последействия ингибиторов коррозии, для контроля водородопроницаемости, что также может быть использовано для определения защитной эффективности ингибиторов коррозии и времени их последействия, для определения времени до сквозного питтингообразования в стенке датчика водорода, для фиксации времени до коррозионного растрескивания датчика водорода и обеспечения условий безопасной эксплуатации зонда.