Коррозионный водородный зонд

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.

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 (Н₂) 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.