Применение датчиков на поверхностных электромагнитных волнах, для контроля коррозии металлических конструкций газотранспортных систем.

Надежность газотранспортных систем наряду с эффективной катодной защитой определяется и наличием системы диагностики процессов коррозии и параметров средств катодной защиты.

Результаты многолетних исследований газотранспортных систем с использованием оборудования Лайналог (США), фирмы Хагенук (Германия), Сервейер (Англия) и других фирм, показали, что для диагностики, прогнозирования коррозии и защиты газопроводов требуется оснащение трубопроводов оборудованием, способным охватить весь спектр контролируемых параметров, создать систему мониторинга и систему телеконтроля средств катодной защиты, оснащенную датчиками контроля тока, напряжения, поляризационного потенциала, скорости коррозии, образование трещин, состояния изоляционного покрытия, температуры тела трубы, удельное сопротивление грунта и т. д.

Для изучения и бесконтактного контроля электрохимической коррозии элементов подземных металлических конструкций разработаны датчики на поверхностных электромагнитных волнах, которые позволяют непрерывно наблюдать за процессом коррозии стенки трубы, за развитием трещин при прохождении процесса стресс-коррозии, а также использовать датчики со «свидетелями» для непрерывного контроля процесса коррозии внутри сосуда высокого давления.

Рассмотрим принципы действия разрабатываемых датчиков на поверхностных волнах в зависимости от состояния контролируемой поверхности или расположения элемента металлической конструкции.

Функциональная схема датчика представлена на рис.1

Рис.1 Функциональная схема датчика

1 - Стабилизированный источник питания
2 – Генератор
3 – Буферный каскад
4 – Выходной каскад
5 – Формирователь электромагнитного поля
6 – Фильтр низкой частоты
7 – Режекторный фильтр
8 – Измеряемый слой
9 – d – Зазор между формирователем поля и контролируемой поверхностью

Физическая сущность разработанного способа заключается в следующем. Возбуждаемая в формирователе 4 датчика, поверхностная электромагнитная волна , со смещенной в область изолирующего покрытия 3, контролируемого объекта 1 энергией магнитного поля, практически нечувствительна к диэлектрической проницаемости и электромагнитным потерям материала изолирующего покрытия 3, а также к его проводимости. Смещение энергии магнитного поля достигается при противофазном возбуждении образующих формирователь 4 (рис. 2) импедансных проводников 2 и 3 (рис 3), имеющие идентичные размеры и конфигурации в виде повернутых на 180^o зеркальных отображений друг друга. (рис. 4)

Рис.2

1 – Объект
2 – Коррозионная среда
3 – Диэлектрическое покрытие
4 – Формирователь (датчик)
5 – Металлическая поверхность контролируемого объекта
6 – Преобразователь

Рис.3

Рис.4

2,3 – Импедансные проводники арифметически связанных спиралей

Рис.5

Рис.5 Контроль развития трещины
1- Контролируемый объект (труба)
3 – Изоляционное покрытие
5 – Металлическая поверхность объекта

Замедление поверхностной электромагнитной волны, возбуждаемой в формирователе электромагнитного поля, выражено в соответствии с условием:

где: n - замедление поверхностной волны
e₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума
w - угловая частота
s - удельная проводимость изолирующего покрытия
e - относительное значение диэлектрической проницаемости изолирующего покрытия
j - мнимая единица

Зазор между формирователем переменного электромагнитного поля и контролируемой поверхности объекта выбрано из условия:

где:d – зазор между формирователем и объектом
l₃ - длина волны магнитного поля.

Длина замедленной волны и допустимая величина зазора связана условием

Наличие металлической поверхности (например, тела трубы) контролируемого объекта сопровождается уменьшением фазовой постоянной b, вызванное возбуждением на металлической поверхности электрического тока, амплитуда которого приблизительно пропорциональна

а его направление противоположно направлению основной составляющей токов в импедансных проводниках формирователя электромагнитного поля, выполненного на связанных арифметических спиралях (рис2). Длина замедленной волны l₃ определяется как отношение длины волны l в свободном пространстве к величине замедления n.

Возбужденный на поверхности контролируемого объекта током поток магнитного поля H вычитается из магнитного потока H', создаваемого импедансными проводниками, что приводит к уменьшению эквивалентной индуктивности формирователя. Тогда фазовая постоянная b будет равна

Экспоненциальный характер распределения поля замедленной волны вблизи поверхности формирователя оказывает существенное влияние на чувствительность измерений.

При зазоре d>l₃ /2p чувствительность становиться слишком малой.

Отсюда длина замедленной волны l₃ и допустимая величина зазора связаны условием

Рассмотрим применение способа возбуждения замедленной волны для контроля состояния поверхности трубы.
Дефект на поверхности металла трубы представляет собой следы коррозии (почвенные или блуждающими токами) механические, нарушение технологии изготовления трубной стали раковины, непровары швов, удары, стресс-коррозионные повреждения.
При расположении формирователя над зоной дефекта уменьшается ток на поверхности контролируемого объекта за счет увеличения пути возбуждаемого тока (рис.5) и при наличии дефектов глубиной, сравнимых с размерами сосредоточения поля поверхностной волны приводит к значительному увеличению фазовой постоянной b т.е. к увеличению замедления n. Фазовая постоянная b преобразованная в адекватное уменьшение резонансной частоты f_p формирователя позволяет контролировать изменения во времени f_p при контроле процесса развития дефекта. Увеличение глубины трещины каверн в процессе коррозии сопровождается уменьшением резонансной частоты f_p

Лабораторные измерения зазоров между формирователем и поверхностью исследуемых образцов трубной стали с помощью устройства на связанных арифметических спиралях проводился при внутреннем радиусе r₁=5мм и внешнем радиусе r₂=30мм. Зазор между формирователем и поверхностью металла d=10мм измерялся с точностью

. При этом наличие в измеряемой области диэлектрической или полупроводящей среды практически не влиял на результаты измерений. Объясняется это тем, что замедление n в связанных электромагнитных системах существенно превышает геометрическое замедление, определяемое отношением длины импедансных проводников к длине системы в направлении распространения поверхностной электромагнитной волны. При этом поперечная постоянная t, характеризующая распределение поля поверхностной волны практически равна фазовый постоянной b, определяемой соотношением

где k=2 p / l - волновое число свободного пространства.

А так как замедление n по определению равно отношению b/k, то из приведенного выражения для b видно, что при выполнении условия

параметры e и d коррозионной среды недостаточны, чтобы повлиять на величину фазовой постоянной b, т.е. повлиять на замедление n поверхностной электромагнитной волны. Сказанное относится и к электродинамическим параметрам прокорродировавшего слоя толщиной d, являющегося, фактически диэлектриком.

Выбор конфигурации формирователя (импедансных проводников) определяется конфигурацией исследуемого объекта.

Выбор диаметра спиралей замедляющей системы определяется в зависимости от локализации, что составляет 1/6 диаметра. При наличие трещин в теле стенки трубы устройство формирователя такой конфигурации и размеров спиралей способен различать дефекты до 11мм без зазора. (изоляционное покрытие трубы отсутствует). При наличие зазора (слой изоляции) глубина проникновения поля и чувствительность устройства снижается пропорционально величине зазора.

Экспериментальные измерения для обнаружения трещин производились на образцах труб размером 70х70 с толщиной стенки 15мм, изоляционное покрытие 1,5мм. Образцы поочередно устанавливали на измерительную платформу формирователя устройства и производили замеры рабочей частоты до и после установки образца. Затем на образцах производили пропилы глубиной 10мм и вновь устанавливали на платформу и производили контрольные измерения.
Результаты измерения на образцах с пропилами и трещинами представлены в таблице 1.

Стабильность частоты генератора 0,01 %.

Анализ результатов лабораторных и трассовых испытаний устройства на замедляющих системах показал, что математические модели формирователей в виде связанных спиралей обоснованы и могут быть положены в основу разработки средств обнаружения очагов коррозии под пленкой, обнаружения трещин и осуществления контроля за их развитием на действующих трубопроводах.

Список использованных источников:

1. В.В.Ремизов, А.Д.Седых, Э.Л.Вольский, Б.Б.Куликов, П.М.Ломако. Основные направления научно-технической политики РАО «Газпром» М. Газовая промышленность, №5, 1998г.
2. Ю.Н.Пчельников. Исследование замедляющих систем в устройствах народного хозяйствах. М. Электронная техника, СВЧ техника, №6, 1992г.
3. Патент № 2120121. Способ обнаружения и контроля развития дефектов на металлических поверхностях объектов.
4. Ю.Н.Пчельников, А.И.Гриценко, Р.М.Дымшиц, Г.М.Федичкин, А.Д.Сулимин, З.Т.Галиуллин, С.В.Карпов, В.Д.Сулимин.