ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСХОДУЕМОГО ЗОНДА
MEASUREMENT OF CORROSION SPEED WITH THE USE OF A CONSUMABLE PROBE

Предпосылки создания изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к коррозии деталей в различных средах. Более конкретно, настоящее изобретение относится к измерению скорости коррозии в таких средах.
[0002] Коррозия представляет собой постепенное разрушение материалов в результате химической реакции или истирания с участием среды. Коррозия ухудшает полезные свойства материалов и конструкций, включая прочность, внешний вид и проницаемость для текучих сред. Многие конструкционные сплавы корродируют просто под воздействием влаги, содержащейся в воздухе. Этот процесс может ускоряться при воздействии определенных веществ. Может происходить локальное концентрирование коррозии с возникновением язвы или трещины, либо коррозия может развиваться на большой площади с равномерным корродированием поверхности.
[0003] Область измерения, контроля и предотвращения коррозии является затратной. При измерении коррозии применяется множество методов определения того, насколько коррозионно-активной является среда, и определения скорости потери материала. Некоторые методы измерения коррозии можно использовать в режиме реального времени, в условиях постоянного воздействия процесса, в то время как другие обеспечивают измерение в автономном режиме, с определением в ходе лабораторного анализа. Некоторые методы обеспечивают непосредственное измерение потери материала или скорости коррозии, в то время как другие используются для того, чтобы сделать вывод о возможном наличии коррозионно-активной среды.
[0004] Скорость коррозии определяет, насколько долго технологическая установка или деталь могут работать полезно и безопасно. Измерение коррозии и меры по защите от высоких скоростей коррозии позволяют обеспечить наиболее экономически эффективную работу установки при одновременном снижении затрат в течение срока службы, связанных с этой работой. Однако из-за их природы многие датчики коррозии требуют частого обслуживания и замены. Кроме того, локализованную коррозию одного типа, известного как "питтинговая коррозия", трудно измерить.
Краткое изложение изобретения
[0005] Система измерения скорости коррозии включает расходуемый зонд, выполненный с возможностью подвергания его воздействию коррозионно-активного материала. Для обнаружения физических изменений в расходуемом зонде вследствие его коррозии из-за коррозионно-активного материала предусмотрен датчик. С датчиком соединена измерительная электрическая схема, которая выдает выходной сигнал, указывающий на скорость коррозии расходуемого зонда из-за воздействия коррозионно-активного материала. Расходуемый зонд имеет физическую характеристику, которая вызывает коррозию расходуемого зонда с нелинейной скоростью.
[0006] Этот раздел «Краткое изложение изобретения» и реферат представлены для ознакомления в упрощенной форме с рядом принципов, которые дополнительно описаны ниже в разделе "Подробное описание". «Краткое изложение изобретения» и реферат не предназначены для указания ключевых особенностей или существенных признаков заявленного объекта изобретения, а также не предназначены для использования в качестве средства, помогающего определить объем заявленного изобретения.
Краткое описание чертежей
[0007] На Фиг.1 приведена упрощенная блок-схема системы измерения коррозии, включающей расходуемый зонд.
[0008] На Фиг.2 приведен вид в перспективе примерного варианта реализации расходуемого зонда по Фиг.1.
[0009] На Фиг.3 приведен вид в перспективе примерного варианта реализации расходуемого зонда по Фиг.1.
[0010] На Фиг.4 приведен вид в перспективе другого примерного варианта реализации расходуемого зонда по Фиг.1, выполненного с возможностью обнаружения локализованной питтинговой коррозии.
[0011] На Фиг.5 приведен вид в разрезе, показывающий передатчик давления, подсоединенный к расходуемому зонду.
Подробное описание иллюстративных вариантов реализации
[0012] Предлагается система измерения скорости коррозии, в которой расходуемый зонд выполнен с возможностью корродировать с разными скоростями с течением времени при воздействии на него коррозионно-активной текучей среды. Например, зонд может быть выполнен с возможностью корродировать с относительно высокой скоростью в течение первоначального периода, чтобы обеспечить высокую чувствительность при измерении коррозии. При этом зонд может быть выполнен с возможностью корродировать после продолжительного использования с другой скоростью, например, с более низкой. Это позволяет зонду продолжать работу и обеспечивать ограниченную функциональность без необходимости в его немедленной замене. Могут также быть предусмотрены конфигурации, которые повышают чувствительность зонда к конкретным типам коррозии, таким как, например, коррозия питтингового типа.
[0013] Для отслеживания коррозии можно использовать различные интрузивные и неинтрузивные способы (с вмешательством в процесс и без вмешательства в него), включая потерю материала, электрохимические измерения и аналитические измерения. Методы включают измерение сопротивления, вихревых токов, проводимости, ультразвуковые и акустические. Наиболее распространенными методами в перерабатывающей промышленности являются образцы-свидетели коррозии, измерение электрического сопротивления (ЭС) и измерение линейного поляризационного сопротивления (LPR).
[0014] Метод определения потери веса представляет собой наиболее известный и простейший метод отслеживания коррозии. Этот способ включает подвергание образца материала (называемого "образцом-свидетелем") воздействию рабочей среды в течение заданного периода времени с последующим изъятием образца для анализа. Основным измерением, выполняемым у образцов-свидетелей коррозии, является измерение потери веса. Скорость коррозии представляет собой потерю веса, деленную на произведение плотности, площади поверхности образца-свидетеля и времени воздействия. Мониторинг с помощью образцов-свидетелей наиболее полезен в тех средах, где скорости коррозии не меняются значительным образом в течение длительных периодов времени. Однако они могут обеспечивать полезную корреляцию с другими методами.
[0015] Зонды ЭС можно считать "электронными" образцами-свидетелями коррозии. Зонды ЭС обеспечивают базовое измерение потери металла, и величина потери металла может быть определена в любое время, когда зонд находится на месте. В методе ЭС измеряют изменение электрического сопротивления корродирующего металлического элемента (зонда), подвергаемого воздействию процесса. Под действием коррозии на поверхность зонда уменьшается площадь его поперечного сечения с соответствующим увеличением его электрического сопротивления.
[0016] В основе метода LPR лежит электрохимическая теория. К находящемуся в растворе электроду (зонду) прикладывают небольшое электрическое напряжение. Ток, необходимый для сохранения конкретного сдвига напряжения (как правило, 10 мВ) в зонде, напрямую связан с коррозией на поверхности находящегося в растворе электрода. Измерив этот ток, можно вывести скорость коррозии. Преимуществом метода LPR является то, что измерение скорости коррозии выполняется мгновенно, в то время как в случае образцов-свидетелей или ЭС для определения скорости коррозии требуется определенный период воздействия. Метод LPR может осуществляться только в чистых водных электролитических средах и не будет работать в газах.
[0017] Другим методом, который может быть использован для измерения скорости коррозии, является отслеживание изменения формы мембраны. Например, более тонкая мембрана при данном приложенном давлении будет прогибаться в большей степени, чем более толстая мембрана.
[0018] Как указано выше, системы мониторинга коррозии, как правило, включают расходуемый элемент определенного типа, называемый здесь "расходуемым зондом". Этот расходуемый элемент корродирует с течением времени и должен заменяться. Например, срок службы одной типичной системы мониторинга коррозии составляет всего лишь шесть - девять месяцев. Одним конкретным недостатком зондов ЭС типа является высокая стоимость обслуживания при замене зонда. В некоторых системах используется убираемый зонд. Однако эта конфигурация является дорогой и просто уменьшает время, требуемое для замены зонда.
[0019] На Фиг.1 приведена упрощенная блок-схема, на которой показана система 100 измерения скорости коррозии, соединенная с технологической емкостью 102. В технологической емкости 102 переносится коррозионно-активная текучая среда 104. Система 100 включает в себя расходуемый зонд 106, который подвергается воздействию технологической (рабочей) текучей среды 104. Ниже работа расходуемого зонда 106 рассмотрена более подробно. Датчик 110 предназначен для измерения физической характеристики расходуемого зонда 106, которая связана с коррозией. Примерные физические характеристики включают массу, толщину, жесткость, плотность, электрический параметр, например, сопротивление, и т.д. Датчик 110 работает в соответствии с любой подходящей технологией, включая те, которые конкретно обсуждались здесь. Датчик 110 может быть непосредственно соединен с зондом 106 электрически и/или физически, либо может дистанционно контролировать зонд 106. В одной конфигурации зонд 106 может быть выведен из-под воздействия текучей среды 104 и затем измерен датчиком 110. Например, зонд 106 может быть удален из технологического процесса и взвешен с использованием весов 110. Датчик может также быть реализован с возможностью неинвазивного измерения коррозии. Например, расходуемый зонд 106 может быть установлен внутри коррозионно-активного материала и измеряться дистанционно. В одном примерном методе дистанционного измерения применяются ультразвуковые измерения коррозии. Датчик 110 соединен с измерительной электрической схемой 120, которая выполнена с возможностью измерения характеристики датчика 110. Примерные характеристики включают сопротивление, электрическую емкость, электрическое напряжение и т.д. С измерительной электрической схемой 120 соединяется контроллер 122, который выполнен с возможностью работы в соответствии с инструкциями, хранящимися в памяти 124. Однако контроллер может представлять собой простую цепь, например, простой компаратор, либо может содержать более сложную электрическую схему, такую как, например, микропроцессор. На основании выходного сигнала от измерительной электрической схемы 120 контроллер может обмениваться информацией через электрическую схему 126 ввода/вывода (I/O) и выдавать выходной сигнал, относящийся к скорости коррозии, воспринятой зондом 106.
[0020] На Фиг.2 приведен вид в перспективе одной примерной конфигурации расходуемого зонда 106. На Фиг.2 зонд 106 выполнен в виде мембраны, состоящей из множества слоев из материала разных типов. Конкретнее, конфигурация на Фиг.2 иллюстрирует шесть разных слоев 150А, 150В, 150С, 150D, 150Е и 150F. В конкретной конфигурации слой 150А непосредственно подвергается воздействию коррозионно-активного материала 104. Каждый последующий слой до 150F оказывает все более увеличивающееся сопротивление коррозии. Например, слой 150А может содержать углеродистую сталь, за ним следуют материалы различных типов, такие как, например, 304SS, 316SS, 316LSS, Haftelloy C276 и титан. Эта конфигурация обеспечивает компоновку, при которой зонд 106 имеет первоначально высокую чувствительность к коррозии, и эта чувствительность уменьшается по мере корродирования различных слоев. Это увеличивает срок службы зонда и позволяет зонду продолжать работу с уменьшенной чувствительностью перед его заменой. Также могут использоваться и другие конфигурации, и чувствительность различных слоев к коррозии требуемым образом либо увеличивается, либо уменьшается. В дополнение к использованию разных материалов в разных слоях, также могут применяться различающиеся толщины и/или формы.
[0021] На Фиг.3 показан другой примерный вариант реализации расходуемого зонда 106. На Фиг.3 предусмотрены усиливающие конструкции 160 для увеличения прочности и уменьшения гибкости зонда 106. Так как усиливающие конструкции 160 имеют относительно большую площадь поверхности по отношению к своему объему, они будут корродировать с увеличенной скоростью по сравнению с массивной частью зонда 106 и основанием 162. Эта конфигурация в общем называется здесь "экзоконструкцией". Конфигурация по Фиг.3 является просто одним примерным вариантом реализации усиливающей конструкции, которая может быть использована для увеличения жесткости зонда 106. В другом примере конструкция 160 может быть выполнена из материала, имеющего электрическую характеристику, отличающуюся от остальной, массивной части 162 зонда 106. Например, конструкция 160 может быть выполнена из материала, который имеет более высокую удельную проводимость, чем основание 162 зонда 106. Могут быть реализованы и другие конструкции, включая элементы двутаврового сечения, сотовые структуры и т.д. Конструкции 160 значительно увеличивают жесткость зонда 106. Как рассмотрено ниже, жесткость можно измерить путем приложения давления к зонду 106 и отслеживания величины деформации. Так как конструкция 160 обеспечивает относительно большую площадь поверхности, контактирующей с коррозионно-активным материалом, и при этом конструкция 160 является относительно тонкой, она будет склонна корродировать с большей скоростью, чем остальные части зонда 106. Это обеспечивает высокую первоначальную чувствительность к коррозии, после чего следует долгий срок службы изделия. Другая примерная конфигурация представляет собой конструкцию, которая имеет в значительной степени открытую (несплошную) поверхность на той стороне зонда 106, которая подвергается воздействию коррозионно-активного материала и которая становится с глубиной все более сплошной внутрь зонда 106. Другие примерные модификации включают использование разных материалов, геометрий и толщин конструкции.
[0022] Типичные устройства для измерения коррозии эффективны при измерении равномерной коррозии, но, как правило, не работают столь же хорошо при измерении локализованной коррозии. Локализованная коррозия имеет различные причины, и ее трудно обнаружить. Одним примером локализованной коррозии является питтинговая коррозия, при которой подвергается воздействию и корродирует относительно небольшая площадь поверхности. Питтинговая коррозия может начаться за несколько месяцев или лет до того, как она станет заметной. Однако в некоторых высококоррозионных средах серьезная питтинговая коррозия может происходить в нержавеющей стали всего лишь за несколько дней. Как только она началась, питтинговая коррозия распространяется со все более увеличивающейся скоростью, что приводит к разрушению поверхности по мере увеличения площади, пораженной язвами. Язвы обычно растут в направлении действия силы тяжести. Питтинговую коррозию, как правило, нелегко обнаружить с использованием сплошного расходуемого зонда. Например, если для распознавания питтинговой коррозии используется степень прогиба мембраны, зона, в которой из-за питтинговой коррозии исчезли механические напряжения, как правило, будет только в минимальной степени влиять на жесткость мембраны.
[0023] На Фиг.4 приведен вид в перспективе одной примерной конфигурации зонда 106, которая обеспечивает повышенную чувствительность при измерении локализованной коррозии. При этой конфигурации зонд 106 включает верхний расходуемый слой 170. Расходуемый слой 170 опирается на множество столбиков или других опор 172, проходящих от основания 174 зонда 106. Столбики 172 могут иметь такую форму и такой интервал, которые способствуют жесткости зонда 106. По мере воздействия питтинговой коррозии на верхний слой 170 эта жесткость не будет меняться в значительной степени. Однако в некоторый момент питтинговая коррозия проникнет насквозь через верхний расходуемый слой 170, что сделает возможным контакт коррозионно-активного материала со столбиками 172. Это вызовет быструю коррозию столбиков 172 и, тем самым, вызовет значительное ступенчатое изменение жесткости зонда 106. Можно также применять и другие примерные варианты, включающие разные материалы, разные слои, разные опорные конструкции, разные методы, делающие возможным сквозное проникновение питтинговой коррозии через слой, и т.д. Описанные выше столбики являются одним примером опорной конструкции, используемой для поддержки внешнего слоя.
[0024] Рассмотренные здесь примерные конфигурации применимы к любому коррозионному зонду, которым измеряется потеря материала, включая образец-свидетель, а также зонды типа ЭС. Такие зонды ЭС могут быть выполнены с множественными слоями материала. Быстрая потеря материала позволяет зонду иметь первоначально высокую чувствительность к коррозии, с последующей более медленной потерей материала для продления срока службы зонда. Зонд со столбиками, изображенный на Фиг.4, может быть использован для обнаружения питтинговой коррозии. При проникновении через наружный слой будет открываться для воздействия более подверженный коррозии внутренний слой, что приведет к резкому изменению электрического сопротивления. Возможно применить любое число модификаций в конфигурации и материалах, используемых для таких слоев, конструкциях, толщинах и т.д. Рассмотренные здесь различные конфигурации могут быть изготовлены с использованием любого подходящего метода. В одном примерном методе используются технологии аддитивного производства, например, реализуемые с применением трехмерной печати.
[0025] Как рассмотрено выше, конкретные метод и технология, реализованные в датчике 110, используемом для измерения коррозии расходуемого зонда 106, могут соответствовать любой подходящей технологии. Одним методом, который может использоваться для измерения коррозии расходуемого зонда, является измерение прогиба расходуемой мембраны в ответ на приложенное давление. На Фиг.5 приведен упрощенный вид в разрезе, показывающий передатчик 210 давления, используемый в системе 100 измерения коррозии. Конфигурация по Фиг.5 служит для целей иллюстрации и может не обеспечивать оптимальные характеристики. Передатчик 210 соединен с расходуемым зондом 106 и эталонным зондом 198, как описано ниже. Передатчик 210 включает корпус 212, фланец 213 и корпус 214 датчика. В корпусе 212 установлена электрическая схема 220 передатчика, которая выполняет функции контроллера и измерительной электрической схемы, изображенных на Фиг.1.
[0026] Как изображено на Фиг.5, канал 190, наполненный заполняющей текучей средой 224, соединяет расходуемый зонд с изолирующей диафрагмой 248. Аналогичным образом, эталонный зонд 198 соединен с изолирующей диафрагмой 252 через изоляционную текучую среду 226, содержащуюся в канале 188. Эталонный зонд 198 может быть изготовлен из материала, который практически не корродирует в ответ на воздействие на него коррозионно-активного материала 104. При прогибе мембран, образованных зондами 106, 198, к изолирующим диафрагмам 248 и 252 соответственно прикладывается давление. Это создает разность давлений, действующую на датчик 216 разности давлений через каналы 180 и 182, в которых также находится изоляционная заполняющая текучая среда. По мере того как степень прогиба зонда 106 изменяется из-за коррозии, изменение давления относительно давления, приложенного через эталонный зонд 198, можно соотнести с толщиной зонда 106. Это изменение давления указывает на степень коррозии, которой подвергся зонд 106, относительно зонда 198. Зонд 106 может быть изготовлен в соответствии с рассмотренными выше методами с целью обнаружения общей и/или локализованной коррозии. Электрическая схема 218 датчика используется для измерения разности давлений и выдачи выходного сигнала 222 в электрическую схему 220 передатчика. Электрическая схема 220 передатчика может выдавать местный выходной сигнал, характеризующий коррозию, либо может передавать информацию о коррозии в другое место, например, по двухпроводному контуру управления процессом, через беспроводное соединение и т.д.
[0027] Изложенные здесь конфигурации позволяют пользователю иметь разрабатываемые по заказу коррозионные зонды, которые могут быть основаны на конкретных применениях. Это обеспечивает возможность увеличить срок службы зонда и/или измерять питтинговую коррозию. Компромиссом между точностью зонда и сроком его эксплуатации можно управлять в течение срока службы зонда. Кроме того, датчик будет выдавать относительное ступенчатое изменение коррозии зонда по мере того, как коррозия будет переходить из одной области в другую. Это позволяет проводить определение того, насколько сильно корродирован зонд. Эту информацию можно использовать для калибровки датчика коррозии. Кроме того, при переходе коррозии зонда из одного материала в другой следует обновлять калибровку скорости коррозии, чтобы точность измерения оставалась неизменной. Такая информация по калибровке, связанная со скоростью коррозии, может храниться в памяти 124, показанной на Фиг.1.
[0028] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты его реализации, специалисты в данной области техники поймут, что в форму и детали реализации могут быть внесены изменения, не выходящие за пределы сути и объема изобретения. Расходуемый зонд может быть выполнен из любых подходящих материалов, слоев, с любым подходящим физическим строением слоев и т.д., по отдельности или в сочетании, как это требуется. При рассмотрении выше приведены примеры зондов из нескольких материалов, зондов с экзоконструкцией, расходуемых зондов со столбиками и их сочетаний. Коррозия расходуемого зонда может быть измерена с использованием любого подходящего метода, включая изменения жесткости зонда, изменения электрического параметра, такого как электрическое сопротивление зонда, веса зонда, или другого метода. Хотя конкретно проиллюстрирован датчик давления, в одной конфигурации датчик 110 содержит датчик ЭС или некоторый другой датчик, измеряющий физическую характеристику зонда, которая может быть взаимосвязана с коррозией. Расходуемый зонд может быть изготовлен в соответствии с любым подходящим методом, включая аддитивные технологии, например, трехмерную печать. Другой примерный зонд расходуемого строения может быть с резонансной структурой, например, как у камертона. В такой конфигурации резонансная частота зонда изменяется по мере того, как корродирует материал зонда. В одной конфигурации расходуемый зонд представляет собой в общем плоскую конструкцию, которая работает как мембрана. В приведенных выше примерах зонд изготовлен таким образом, что скорость его коррозии является нелинейной при подвергании его воздействию коррозионно-активного материала. Хотя используется термин "нелинейная", применимы также и другие термины, которые указывают, что та скорость, с которой зонд корродирует при воздействии на него данного коррозионно-активного материала, изменяется по мере развития коррозии. Это изменение может представлять собой переход от высокой скорости коррозии к более низкой скорости коррозии, от низкой скорости коррозии к более высокой скорости коррозии, а также может включать промежуточные этапы, например, множественные изменения скорости.