Превенция, избор на модел, методи и технически средства за измерване на вътрешната корозия в подземни тръбопроводи

Мониторинг в разглежданата инфраструктура е трудна задача поради големия брой непредвидими променливи, като бързо променящи се експлоатационни условия, промени в налягането на флуида, ерозия в резултат на остатъчни продукти от корозия, наличие на агресивна среда. С цел предвиждане вида на корозионните поражения е необходим модел на динамиката на химичните процеси на вътрешната корозия, който трябва да обхване следните аспекти:

(2) Химичните процеси по повърхността на метала, като натрупване на оксиди, които влияят върху електро­химичната активност и ускоряват или намаляват корозията. Възможно е подобни примеси да водят до ерозия или локални разрушения. Характерно за металните тръби е образуването на трислойни железни корозионни продукти: макропорест слой от черна ръжда (магнетит, Fe₃O₄) в контакт с метал, микропорест филм - смес от Fe₂+ и Fe₃₊, който покрива макрослоя, и най-горен слой на червената ръжда (главно гетит и хематит). Тези три слоя имат различно съпротивление помежду си и спрямо основния материал на тръбата. Въздействието на параметрите на средата като температура, рН на флуида, способност за обмен на катиони, повърхностни процеси също влияят на химичната активност. Например, смесването на нефт-вода с високо съдържание на соли води до развитието на локална корозия. Допълнително въздействие имат и различията на потенциала на вътрешната повърхност на подземната структура, които се индуцират от дефекти, възникнали при производството на стоманата, при свързване на тръбите, наличието въздух.

(3) Вида на движение на флуида, предизвикващ механична корозия. Освен химията на протичане на процесите, трябва да се вземе предвид и движението на флуида през тръбата. В зависимост от числото на Рейнолдс потокът на флуида може да е ламинарен, преходен или турбулентен. Режимът на движение се дефинира като ламинарен, ако критерият на Reynolds е по-малък 2100, турбулентен, ако Reynolds е по-голям от 4000 и когато критерият на Reynolds е между 2100 и 4000 говорим за преходен режим на движение. Числото на Reynolds расте с повишаване на диаметъра на тръбата структура, плътността и налягането на флуида.
При ламинарни потоци при повишаване на скоростта на протичане на флуида расте скоростта на корозия, но все пак тя е бавна и обща. Големи загуби могат да се очакват в долната част на обекта. Едновременно с това флуидът пренася кислород, който реагира с металната повърхност. При по-висока скорост на флуида потокът е турбулентен и се инициират процеси по целия диаметър. Постепенно се повишава грапавостта на стената и следователно расте скоростта на корозия, развиват се локална, обща корозия и едновременно с тях и ерозия. В началото тя е бавна, защото тръбите са гладки, но после скоростта се повишава поради грапавата корозирала повърхност. На този етап започват засилени процеси на развитие на интеркристална корозия [Juan Liang, 2013].
На базата на теоретични изследвания и от практиката е известно, че в магистралните тръбопроводи, които се изработват от стомана, потокът е турбулентен със скорост на флуида над 16 m/s, като може да достигне и 25 m/s. Въз основа на направения анализ е видно, че разрушения-та във вътрешната повърхност на подземните комуникации са разнообразни и има голям риск от поява на дълбоки пукнатини, което изисква различни методи за наблюдение.

Тенденции в методите и техническите средства за измерване на вътрешна корозия
За измерването на корозионните поражения се прилагат и методите, характерни за външна корозия, които според принципа на функциониране са резистивен, капацитивен, магнитен, ултразвуков, вихровотоков, оптичен, инфрачервен, пиезоелектричен [Христова, 2008]. Датчиците, приложими при измерване на вътрешна корозия според функциите, които изпълняват, могат да се класифицират по следния начин:
1. Устройства за определяне на загубата на материал – работят предимно на принципа на електромагнитната индукция, промяна на големината на тока, капацитета или с ултразвукови вълни, като определят дебелината на стената на тръбата. Недостатък на метода е необхо­димостта от предварително калибриране при ненаранена повърхност на инфраструктурата. Невъзможно е използ­ването на радиоактивен метод.

2. Устройства за установяване на пукнатини – ултразвукови, електромагнитни вълни, еластични вълни, вихрови токове. Неудобството при тези методи е нуждата от измерване под различни ъгли, за да се определи точно големината на дефекта.

3. Устройства, използващи геометрични средства - оценяват се промените на формата, здравината и т.н.; това могат да бъдат механични пръсти, които минават по повърхността - ултразвукови вълни, жироскопско изслед­ване, капацитивен, резистивен метод, оптични камери.

4. Устройства за измерване на течове чрез инфра­червен, оптичен или топлинен метод. Те се влияят от параметрите на околната среда и не са точни. Обикновено системата е положена под тръбопровода и се задейства при авария. Погледнато от екологична и енергийна гледна точка аварийно състояние за подземните структури, пренасящи нефт и газ, е недопустимо и за това тези методи няма да се разглеждат.

• 
  използване на радиални мембрани, които обхващат едновременно цялата вътрешна повърхност на структурата и позволяват регулиране на диаметъра на разположение на сензорите. Предимство на метода е възможността за радиално измерване в областта на завиване на тръбите и прилагане в роботизирана система. Недостатък е, че с времето се губи еластичността на мембраната, а точността зависи от скоростта на потока. При по-големи вдлъбнатини се раздалечават сензорите и точността на резултатите също намалява. Прилага се чрез резистивни, ултразвукови и капацитивни методи [AU2012203076 , WO03083357, US4807484, CN2793713].
  
• 
  радиално разположени електроди с цели обхващане на целия диаметър на обекта, откриване на локална корозия и повишаване на точността [CN102147384, Ru2139469, US3786684]. При тази система на свързване на сензорите също се намалява точността при наличие на големи вдлъбнатини, ето защо за постигане на многообхватност на работа при различни диаметри, чувствителните елементи са свързани с носещото тяло чрез пружини [US4457073].
  
• 
  използване на многомодов диск, чийто диаметър може да се променя според диаметъра на тръбопровода, чрез прибавяне на нови модове [CN202502074]. Подходящи методи за прилагане са резистивни, ултразвукови, капацитивни. Недостатък в случая е невъзможността за преминаване на роботизираната система през наклонени участъци и завои.
  
• 
  поставяне на монитор директно в обследвания обект, което позволява регистриране в реално време. За внедряването му има ограничение за диаметъра на тръбата, оскъпяване на технологията, необходимост от непрекъснато електро-захранване, неустойчивост на агресивни условия.
  
• 
  използване на пиезоефект, който да дава енергия за придвижване на сензора, което позволява изследване на по-голяма дължина [CN201107299].
  
• 
  придвижване от силата на компресирания въздух, като при висока скорост на флуида точността на измерването намалява [US4295092].
  
• 
  използване на ултразвукови и вихровотокови методи, които дават възможност за оценка на корозионното състояние на изолирани с асфалт, парафин и други материали повърхности [US5892162].
  
• 
  някои от методите позволяват едновременно мониторинг на корозия и картографиране на тръбо­проводите [US2008041173, US2003010125].
  
• 
  съвместяване на няколко датчика в едно устройство или използване на автоматична система с няколко функции – обследване, обработване на данните, дозиране на инхибитори или подаване на сигнал за ремонтни дейности в подземните структури, което понижава общите разходи за поддръжка [RU2304636, CN102644850 , CN2574001, EP0605085, US7104147].
  
• 
  почистване на главите на чувствителните елементи по време на работа за запазване на първоначалните характеристики [WO03083357].
  
• 
  внедряване на сателитно предаване на информация [JP2003323688] или GPS технологии [US2006203411, GB2370583, US6992594].
  
• 
  използване на материали със специфично действие за подобряване на точността. Например, при прилагане на магнитен метод анодът се изработва от нисколегирана или въглеводородна стомана. Катодът е от магнетик, който съответства по химическа природа с корозионната среда.
  
• 
  използване на специфични метали за изработка на сензори при наличие на покритие във вътрешността на тъбопровода [RU2085906].
  
• 
  изработване на системи за локално захранване, най-често чрез слънчеви панели [Gbenga Owojaiye, 2013].
  
• 
  изработване на системи за самостоятелно излизане на датчика при изразходване на батерията [Ted Tsung-Te Lai].
  

• 
  точност на сензора
  
• 
  обхват на уреда, което има особено значение при стационарни системи
  

• 
  предназначение – обща, локална корозия или двете
  
• 
  възможност да обследва в завоите и разклоненията на структурата
  
• 
  съвместимост с движението на потока
  
• 
  пасивна или активна система на предаване на данните до базата
  
• 
  измерване наличието на твърди частици и примеси във флуида
  
• 
  устойчивост в агресивна среда
  
• 
  ниво на автоматизация на робота, придвижващ датчика
  
• 
  възможност да диагностицира по диаметъра на тръбата
  
• 
  нисък разход на енергия
  
• 
  надеждност
  

Оценката на приложимостта на методите според цити­раните критерии е трудна задача поради многообразието от сензори и техните характеристики. Известно е, че контактните методи (резистивните, индуктивен или капацитивен) са подходящи и точни за измерване в агресивни почвени условия [Петров, Велев, 2011], но при наличие на примеси във флуида точността им намалява. Безконтактните методи (ултразвуков, оптичен, инфра­червен, вихровотоков) също се влияят от примесите във флуида, но в по-малка степен, което ги прави подходящи за мониторинг на вътрешна корозия.

Христова Т., 2008, Наблюдение на корозионното състояние на подземни тръбопроводи с помощта на сензорни устройства, МНС на МГУ, том 51;

Христова Т., 2013, Предимства и недостатъци на известните изолации. Критерии за избор на изолация. Класификация за избор на изолация според критериите и оценяване на риска за възникване на корозия, Годишник МГУ, т. 56, 128-132

Bickerstaff, R., Vaughn, M., Stoker, G., 2002, Review of sensor technologies for in-line inspection of natural gas pipelines, Sandia National Laboratories. Hassard, M. and Garrett M.;

D.Isa, R.Rajkumar, Ultrasonic Sensor Data Processing using Support Vector Machines;

Gbenga Owojaiye, Yichuang Sun, 2013, Focal design issues affecting the deployment of wireless sensor networks for pipeline monitoring, Ad Hoc Networks 11, 1237–1253;

Juan Liang, Anqi Den, Rongjing Xie, Mylene Gomez, Jiangyong Hu, Jufang Zhang, Choon Nam Ong, Avner Adin, 2013, Impact of flow rate on corrosion of cast iron and quality of re-mineralized seawater reverse osmosis (SWRO) membrane product water, Desalination, Vol. 322, 76–83;

Neil G. Thompson, 2003, Gas and liquid transmission pipelines. Summary Analysis of Results, Corrosion Control and Prevention, CC Technologies, Inc, Dublin, Ohio, www.corrosioncost.com/pdf/gasliquid.pdf;

Shamsuddoha, Mainul Islam, Thiru Aravinthan, Allan Manalo, Kin-tak Lau, 2013, Effectiveness of using fibre-reinforced polymer composites for underwater steel pipeline repairs, Composite Structures, Vol. 100, 40–54;

Ted Tsung-Te Lai, Wei-Ju Chen, Kuei-Han Li, Polly Huang, Hao-Hua Chu, TriopusNet: Automating Wireless Sensor Network Deployment and Replacement in Pipeline Monitoring, National Taiwan University, Taipei;

Z. M. Hafizi, C.K. E. Nizwan, M.F.A .Reza& M.A.A.Johari, High Frequency Acoustic Signal Analysis for Internal Surface Pipe Roughness Classification, Faculty of Mechanical Engineering, Universiti Malaysia Pahang, 26600 Pekan, Malaysia

Статията е препоръчана за публикуване от кат. „Електротехника“.