Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 75 УДК 620.197.3:620.05 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД МОНИТОРИНГА КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ Архипов А.Г., Любимова-Зинченко О.В., Ковалев Д.А. Технологический институт Восточноукраинского национального университета им. В. Даля, г. Северодонецк, Украина Предложен электрохимический импульсный метод мониторинга коррозионно-механиче- ских повреждений технологического оборудования, эксплуатируемого в среде жидких электролитов. Разработанный метод дает возможность оценивать состояние техно- логического оборудования как по интенсивности появления импульсов разрушения, ко- торые фиксируются за определенный интервал времени, так и по изменению во времени потенциала металла оборудования. (E-mail: kovalovdanyil@gmail.com) Ключевые слова: импульс разрушения, мониторинг, текущее состояние, коррозия, измерение, датчик. Введение Актуальной проблемой современного хи- мического и нефтеперерабатывающего произ- водства является стремление продлить ресурс работы технологического оборудования, сохра- няя надлежащую безопасность его эксплуата- ции. Диагностика и мониторинг технического состояния оборудования является одним из эффективных способов решения данной задачи. В химической и нефтеперерабатывающей от- раслях промышленности большинство техно- логических процессов протекают в среде жид- ких электролитов, что часто приводит к разви- тию электрохимической коррозии металлов. Это обуславливает использование электрохи- мических методов мониторинга состояния обо- рудования. На современном этапе известны следую- щие электрохимические методы мониторинга: измерение поляризационного сопротивления, определение электродного потенциала корро- зии, измерение переменнотокового импеданса, измерение электрохимического шума. С их по- мощью можно определить общую коррозион- ную стойкость металла, коррозионную актив- ность веществ [1], диагностировать техниче- ское состояние металлоконструкций и опреде- лить эффективности различных способов за- щиты металлов от коррозии. Указанные электрохимические методы имеют практическое применение непосред- ственно для определения текущего состояния трубопроводного транспорта, резервуаров и оборудования [2, 3]. Недостатки приведенных методов: – потребность в высококвалифицирован- ной оценке повреждений и глубоком изучении свойств конкретной конструкции; – сложность реализации автоматического контроля состояния оборудования в режиме реального времени; – необходимость автоматического кон- троля одновременно с введением оборудования в эксплуатацию; – необходимость учета предыдущей «исто- рии» эксплуатации оборудования. Целью работы являлась разработка нового электрохимического импульсного метода мо- ниторинга для оценки степени коррозионно- механического повреждения технологического оборудования, позволяющего оценивать теку- щее состояние оборудования как по интенсив- ности появления импульсов разрушения, кото- рые фиксируются за определенный интервал времени, так и по изменению во времени по- тенциала металла оборудования, которое под- вергается воздействию агрессивной среды и циклических нагрузок. Путем построения из- мерительной схемы импульсного метода реали- зован автоматический контроль, что обеспечи- вает своевременное выявление коррозионно- механических повреждений технологического оборудования. Методы измерений, контроля, диагностики 76 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 Импульсный метод мониторинга и его аппа- ратная реализация Мониторинг подразумевает наличие си- стемы диагностирования состояния оборудова- ния, предназначенной для контроля и преду- преждения возможных негативных послед- ствий, связанных с эксплуатацией и разруши- тельным действием коррозии [4, 5]. Для обеспечения стабильного мониторинга состояния оборудования, разработана логиче- ская блок-схема импульсного метода измере- ния, сигнализации и постоянного контроля коррозионно-механических повреждений обо- рудования в режиме реального времени (рису- нок 1). Алгоритм работы блок-схемы следующий. Электрические импульсы, генерируемые при росте трещины в металле, снимаются с объекта контроля датчиком разрушений ДР [6, 7]. По- стоянный сигнал фиксируется и усиливается усилителем постоянного сигнала УП (серии INA 128) и поступает на 1-й канал регистратора РЭ МТМ-160. Рисунок 1 – Блок-схема импульсного метода мониторинга коррозионно-механических повреждений техно- логического оборудования: ДР – датчик разрушения; ИИР – имитатор импульсов разрушения; УП – усилитель постоянного сигнала (потенциала); УИ – усилитель переменного сигнала (импульсов разрушения); ФСС – фор- мирователь сигнала стандартного уровня; «+», «-» – сигналы положительной и отрицательной полярности; СИ – счетчик импульсов разрушения с индикацией; ФДС – формирователь длительности сигнала; ГР – галь- ваническая развязка; РЭ МТМ-160 – регистратор электронный; УСО – устройство связи с объектом; RS-485 – последовательный интерфейс; ЭВМ – электронно-вычислительная машина (компьютер) Блок ИИР – имитатор импульсов разруше- ния – предназначен для имитации искусствен- ных импульсов с целью проверки рабочего со- стояния системы контроля. Импульсы разрушения, которые являются переменными сигналами, также фиксируются датчиком ДР и усиливаются отдельным буфер- ным усилителем УИ (серии INA 128) для ис- ключения влияний внешних сигналов, которые генерирует регистратор РЭ МТМ-160 на си- стему контроля. Усиленные импульсы поступают на фор- мирователь сигналов стандартного уровня ФСС, который формирует импульс положи- тельной полярности с разнополярных входных импульсов. Сформированные импульсы посту- пают на формирователь длительности сигнала ФДС, далее при необходимости импульсы поступают на визуальный счетчик импульсов разрушения с индикацией СИ. Импульсы разрушения из ФДС поступают на оптическую развязку ГР, которая является Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 77 переключателем в гальванически развязанных электрических цепях; в это же время открыва- ется канал пропускания импульсов. После при- нятия каждого импульса разрушения вход оп- тической развязки закрывается, и сигнал пере- дается на 2-й канал регистратора РЭ МТМ-160. В приборе РЭ МТМ-160 при достижении определенно заданной интенсивности появления импульсов разрушения за выбранный период времени срабатывает аварийная сигнализация (коэффициент пропорциональности задается величиной определенной вставки). Далее через последовательный интерфейс RS-485 полученные результаты передаются на ЭВМ. Таким образом, импульсный метод позво- ляет оценивать состояние технологического оборудования как по интенсивности появления импульсов разрушения, которые фиксируются за определенный интервал времени, так и по изменению во времени абсолютного значения потенциала металла оборудования. Существенно, что данный метод позволяет начать автоматический контроль состояния оборудования в любой момент его эксплуата- ции. Благодаря такому принципу оценки сте- пени повреждений, исчезает необходимость учета предыдущей «истории» эксплуатации оборудования. Для мониторинга коррозионно-механиче- ских повреждений оборудования, эксплуатиру- емого в среде жидких электролитов, согласно предложенной методике была изготовлена ла- бораторная установка. Исследования проводились на вибро- стенде, при частоте циклических нагрузок 5 Гц и амплитудой колебаний 12 мм. В ходе экспе- риментов использовалась труба из нержавею- щей стали 0Х23Н18, диаметром 32 мм, толщи- ной стенки 2 мм и длиной 0,78 м, которая со- держала 5%-й водный раствор NaCl, рабочая температура 20 °С. Для ускорения процесса раз- рушения внутри трубы был нанесен острый концентратор напряжений треугольного профиля вблизи консольного крепления (рисунок 2). В торцевую часть трубы установлен одно- электродный электрохимический датчик, со- стоящий из корпуса и вспомогательного элек- трода, которые изолированы друг от друга и изготовлены из того же металла, что и корпус оборудования [8]. Конструкция одноэлектродного электро- химического датчика приведена на рисунке 3. 1 3 4 А f 2 65 Рисунок 2 – Схема проведения эксперимента: А – размах циклических колебаний; f – амплитуда цик- лических колебаний: 1 – нержавеющая труба; 2 – водный 5%-й раствор NaCl; 3 – острый концентр- атор напряжений; 4 – одноэлектродный электро- химический датчик; 5 – прибор регистрации, уси- ления, формирования импульсов разрушения; 6 – компьютер Рисунок 3 – Одноэлектродный электрохимический датчик: 1 – контакт электрода; 2, 9 – гайки; 3 – токо- отвод; 4 – корпус датчика; 5, 8 – изолирующие шай- бы; 6 – рабочая поверхность электрода; 7 – изоли- рующая втулка Путем измерения величины потенциала металла отслеживалась динамика коррозионно- механического разрушения. В процессе работы за определенный период времени сравнивалась интенсивность появления импульсов, которые свидетельствуют о стадийности коррозионно- механического разрушения. Методы измерений, контроля, диагностики 78 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 Результаты исследования и их обсуждение В результате исследований установлена зависимость изменения во времени потенциала и интенсивности появления импульсов разрушения. На рисунке 4 показано изменение потен- циала металла во времени при циклической нагрузке трубы. Как видно, чем ближе к мо- менту разрушения, тем интенсивнее происхо- дит увеличение потенциала по абсолютному значению. Значения потенциала на момент раз- рушения возрастает приблизительно в 3 раза по сравнению со значением на момент начала нагружений. Кривая, представленная на рисунке 5, по- строена в координатах «количество импульсов разрушения (n) – время разрушения (t, мин)», показывает интенсивность нарастания импуль- сов разрушения и стадии разрушения при им- пульсной форме регистрации сигнала. Построение данного графика происходило путем фиксации скачков потенциала металла. Каждый скачек регистрировался в виде корот- кого во времени импульса, величиной от 4 до 200 мВ, который образовывался в момент развития коррозионно-механической трещины. Величина каждого импульса разрушения зави- села от степени раскрытия трещины в теле ме- талла. Далее каждый импульс аппаратно реги- стрировался как единичный сигнал и формиро- вался до стандартного уровня согласно блок- схеме, представленной на рисунке 1. Рисунок 4 – Изменение потенциала металла во времени при частоте циклических нагрузок 5 Гц Рисунок 5 – Изменение интенсивности импульсов разрушения во времени при частоте циклических нагрузок 5 Гц Кривая (рисунок 5) показывает, что интен- сивность появления импульсов, свидетель- ствующих о развитии коррозионно-механиче- ской трещины, возрастает приблизительно в 22 раза за все время испытаний – 2 ч. Каждый уча- сток кривой имеет свой определенный диапа- зон интенсивности появления импульсов, и она возрастает по мере приближения к моменту разрушения. На функциональную зависимость интен- сивности появления импульсов разрушения во времени существенно влияет система металл- среда, частота и амплитуда циклических нагрузок. Проведенные исследования показали, что при помощи предложенной методики можно оценивать степень коррозионно-механических повреждений оборудования и его текущее со- стояние как по изменению потенциала металла, так и по интенсивности появления импульсов разрушения. Заключение 1. Предложен электрохимический импуль- сный метод мониторинга коррозионно-механи- ческих повреждений технологического обору- дования, работающего в условиях химических и нефтеперерабатывающих производств. 2. Разработана логическая блок-схема им- пульсного метода контроля и сигнализации. 3. Предложенный метод позволяет оцени- вать состояние технологического оборудования как по интенсивности появления импульсов разрушения, которые фиксируются за опреде- Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 79 ленный интервал времени, так и по изменению во времени потенциала металла оборудования. 4. Проведенные исследования показали, что в процессе эксплуатации от начала нагруз- ки до момента разрушения значение потенциа- ла возрастает приблизительно в 3 раза, а интен- сивность импульсов, свидетельствующих о кор- розионно-механическом разрушении, прибли- зительно в 22 раза. 5. Установлено, что существенным отли- чием и преимуществом импульсного метод,а по сравнению с ранее известными, является воз- можность автоматического мониторинга на любом этапе эксплуатации оборудования. Разработка защищена патентами Украины. Список использованных источников 1. Чвірук, В.П., Академперіодика. Електрохі- мічний моніторинг техногенних середовищ / В.П. Чвірук, С.Г. Поляков, Ю.С. Гераси- менко. – К. : 2007. – 321 с. 2. Новицкий, В.С. Контроль коррозионного сос- тояния технологического оборудования по поте- нциалу коррозии / В.С. Новицкий, В.С. Кузуб // Физ.-хим. механика материалов. – 1985. – № 1. – С. 76–82. 3. Новицкий, В.С. Промышленный коррозионный контроль химической аппаратуры / В.С. Но- вицкий, Л.М. Писчик // Фіз.-хім. механіка ма- теріалів. – 2001. – Спец. випуск № 1. – С. 10– 15. 4. Pokhmurskii, V. New method development of electrochemical monitoring of the equipment su- bject to corrosion mechanical damage / V. Pokh- murskii, М. Khoma, А. Arkhypov // 1st Inter- national Conference: Corrosion and Material Protection.1st–4th October 2007. Prague. Czech Republic. – CD ROM. – P. 6. 5. Импульсный метод определения коррозионно- механических повреждений в среде электро- литов / В.И. Похмурский, М.С. Хома, А.Г. Ар- хипов [и др.] // Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии. – 2011. 6. Пат. 46156 Україна, МПК (2009) G01N 3/32, G01N 27/26. Імпульсно-динамічний спосіб оцінки ступеня корозійно-механічного по- шкодження / В.І. Похмурський, М.С. Хома, О.Г. Архипов та ін.; заявник і патентовласник Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України. – № u200906274, заяв. 16.06.2009, опубл. 10.12.2009, бюл. № 23. 7. Пат. 55489 Україна, МПК (2010) G01N 3/32, G01N 27/26. Імпульсний спосіб / В.І. Пох- мурський, М.С. Хома, П.О. Архипов та ін.; за- явник і патентовласник Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України. – № u201008556, заяв. 08.07.2010, опубл. 10.12.2010, бюл. № 23. 8. Пат. 16117 Україна, МПК G 01 N 27/26. Електродний вузол / А.М. Кузюков, В.І. Пох- мурський, В.А. Борисенко та ін.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. – № u200602108; заяв. 27.02.06; опубл. 17.07.06, бюл. № 7. Arkhypov A.G., Lyubimova-Zinchenko O.V., Kovalyov D.A. The electrochemical pulsewise method for monitoring of corrosion and mechanical damage The electrochemical pulsewise method for corrosion and mechanical damage monitoring the process equipment operated in liquid electrolyte agent is provided. The developed method makes it possible to inspect the equipment condition either according to the formation rate of disturb pulses which are recorded during a certain period of time or according to the equipment potential behave our in time. (E-mail: kovalovdanyil@gmail.com) Key words: impulse of destruction, monitoring, current condition, corrosion, measurement, sensor. Поступила в редакцию 30.01.2012.