СПОСОБ КОНТРОЛЯ СЛУЧАЙНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ПОДЗЕМНЫХ ИЛИ ПОГРУЖЕННЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01V3/11 

Изобретение касается способа и устройства для контроля случайных повреждений защитного покрытия подземных или погруженных металлоконструкций или трубопроводов и может быть использовано в промышленности, использующей металлоконструкции, например при эксплуатации заглубленных емкостей топливохранилищ, прибрежных сооружений, трубопроводных транспортных систем подачи, например воды, газа, нефти и других объектов промышленного, гражданского и военного назначения.

Трубопроводы для транспортировки жидкостей и газов, воды или нефти сооружаются путем сварки отдельных участков металлических труб, главным образом стальных, причем собранные таким образом плети труб укладываются в подготовленное место, обычно представляющее собой достаточно глубокую траншею, а затем закрываются с восстановлением первоначального ландшафта с возможностью последующего использования поверхности земли. Собранный участок трубопровода обеспечивается защитой против коррозии под воздействием влаги, т.к. окружающая среда, в которой находится подземный или погруженный трубопровод весьма агрессивна по отношению к материалам на основе железа.

Защита целостности и предохранения трубопровода на протяжении всего срока его службы весьма важны не только ввиду высоких финансовых затрат на сооружение, но также и в особенности в целях предотвращения утечек жидкости как из экономических соображений, так и вследствие потенциальной опасности таких утечек, загрязнения окружающей среды и других серьезных последствий. Обычно применяющаяся защита представляет два различных типа мероприятий, взаимно дополняющих друг друга, а именно так называемой "пассивной" защиты, заключающейся в создании покрытия изолирующего трубопровода от окружающей среды, и "катодной" защиты, заключающейся в приложении электрического потенциала для приостановления возможных электромеханических реакций, которые могли бы идти с металлом трубопровода вплоть до образования сквозных отверстий.

"Пассивная" защита обычно достигается созданием непрерывного покрытия надлежащим образом очищенного трубопровода. Это покрытие бывает двух основных типов, во-первых, с нанесением углеводородных материалов, таких как асфальт, битум, жировые соединения в разогретом состоянии в несколько слоев в комбинации с упрочняющими волокнистыми материалами и, во-вторых, с применением покрытий из синтетических полимеров, таких как полиэтилен, поливинилхлорид и эпоксидные смолы, в виде оборачиваемых спирально вокруг трубы лент с заделываемыми или завариваемыми концами. При этом для защиты и упрочнения покрытия используются сетка, войлок, шнур, изготовленные из стекловолокна, асбеста или других стойких к разложению волокнистых материалов.

Эта защита не вполне достаточная для предохранения в течение необходимого времени подземных и погруженных в воду трубопроводов. В этом отношении целесообразно остановиться на следующих замечаниях:
- ни один из материалов не свободен полностью от пористости и проницаемости, даже при его тщательном наложении, а следовательно химические компоненты, обуславливающие коррозию, способны пусть даже и в малой степени проникать через защитный слой изоляции;
- технологическая цепь операций, включающая подготовку, покрытие, подъем, укладку и закрытие трубопровода, может привести к небольшим случайным повреждениям или некачественному выполнению покрытия, которые могут инициировать процесс коррозии;
- углеводородные или полимерные материалы как и упрочняющие материалы обладают высокой химической стабильностью, которая будучи высокой, тем не менее абсолютна, особенно в условиях с изменением влажности и температуры;
- естественные процессы, такие как землетрясения, оползни и наводнения, исключительные обстоятельства могут вызвать повреждения пассивной защиты трубопровода.

"Катодная" защита предохраняет трубопровод в местах, в которых пористость, повреждение или брак покрытия делают поверхность металла открытой к коррозийному воздействию.

Изменения в состоянии пассивного защитного покрытия трубопровода могут контролироваться способом, описанным в заявке европейского патента N 0411689, поданной автором данной заявки.

Этот способ основан на пропускании через металлоконструкцию тока катодной защиты I, измерении изменения потенциала ΔV^*, наведенного в металлоконструкции модулируемым током катодной защиты I*, а также определении сопротивления R покрытия, исходя из соотношения R = ΔV^*/I^*.
Изменение омического сопротивления подземного трубопровода вследствие прогрессивного старения покрытия под воздействием микрокоррозии и изменений проводимости почвы простирается от полной изоляции до низких значений.

Эффект, производимый оползнем, имеет аналогичный характер.

Этот способ предназначен для контроля состояния покрытия без его ремонта, которое может быть осуществлено за счет повышения катодной защиты, благодаря увеличению тока для компенсации снижения сопротивления.

Однако возможны случайные повреждения трубопровода или его покрытия, например при воздействии на него землеройного оборудования, которое вызывает сосредоточенное повреждение на отдельном участке трубопровода.

В случае трубопровода, погруженного в воду, такая ситуация может возникнуть под воздействием якоря или якорной цепи, рыболовной снасти, перемещаемой в воде, судна, пересекающего воду на мелководье, драги и т.д.

В отличие от нормального разрушения покрытия это резкое сосредоточенное повреждение требует выполнения неотложных работ по местному ремонту, ибо, в противном случае, может произойти быстрое разрушение всей магистрали.

Поэтому контроль случайных повреждений приобретает особое значение.

В основу изобретения положена задача создать такой способ и устройство для его осуществления которые бы обеспечивали контроль случайных повреждений защитного покрытия подземных или погруженных металлоконструкций.

Поставленная задача решается благодаря тому, что способ контроля случайных повреждений защитного покрытия подземных или погруженных металлоконструкций, оборудованных катодной защитой, основан на том, что повреждение защитного покрытия фиксируют благодаря падению с последующим возрастанием величины параметра RI с выдачей сигнала при увеличении указанной величины.

Согласно варианту исполнения изобретения целесообразно осуществлять контроль непрерывно с постоянной модуляцией катодного тока, подводимого к конструкции.

В соответствии с другой модификацией выгодно модуляцию тока проводить симметрично и с прямоугольной формой импульсов с глубиной до 10%, предпочтительно 0,5 - 5%.

Заявленное устройство контроля случайных повреждений защитного покрытия подземных или погруженных металлоконструкций, оборудованных катодной защитой, содержащей генератор для приложения модулированного тока катодной защиты с импульсами прямоугольной формы, включает в себя цепь для приема сигналов с прямоугольной формой импульсов, содержащую преобразователь напряжение/ток, формирующий сигнал, содержащий импульсы напряжения прямоугольной формы,
дифференциатор-выпрямитель, дифференцирующий преобразованный сигнал с выдачей положительных и отрицательных импульсов на фронтах преобразованного сигнала, причем отрицательные импульсы отсекаются, а положительные проходят, обеспечивая формирование синхронизирующего сигнала;
моностабильный мультивибратор, управляемый синхронизирующим сигналом и обеспечивающий генерацию синхронизированного сигнала прямоугольной формы;
электронный переключатель, обеспечивающий передачу сигнала падения напряжения между трубопроводом и базовым электродом, вставленным в заземление, только при наличии пиков синхронизированного сигнала прямоугольной формы и формирующий выходной сигнал в амплитудой, непосредственно связанной с омическим сопротивлением трубопровода;
датчик для выявления увеличения или уменьшения электрического сопротивления защитного покрытия, содержащий
вольтметр пиковых значений для измерения экстремальных значений напряжения;
электронный фильтр нижних частот, осуществляющий осреднение сигнала экстремальных значений напряжения по времени, сглаживающий крутые фронты сигнала экстремальных значений напряжения в соответствии с синхронизирующим сигналом;
дифференциатор, определяющий увеличение омического сопротивления защитного покрытия, обусловленное сигналом, и генерирующий дифференцированный сигнал, и
устройство сигнализации и соединенный с ним блокирующий триггер Шмидта, включаемый изменением дифференцированного сигнала и тем самым приводящий в действие устройство сигнализации для выявления повреждения защитного покрытия.

На фиг.1 показаны сравнительные диаграммы изменения сигнала напряжения и соответственно величины параметра RI трубопровода; на фиг.2 - электрическая цепь для съема сигнала прямоугольной формы и структурная схема с иллюстрацией изменения формы появляющегося сигнала во времени; на фиг.3 - электрическая цепь для измерения изменений параметра RI в соответствии с характеристиками согласно фиг.1; на фиг.4 - пример выполнения заявленного изобретения в виде участка трубопровода с имитированным повреждением.

Из представленных на фиг.1 изменений омических потерь RI трубопровода видно, что если катодный ток, пропускаемый через трубопровод, имеет постоянную модуляцию при заданном среднем значении (см. диаграмму А) с прямоугольной формой импульсов, то наведенный в цепи трубопровод-земля потенциал имеет форму со скругленными максимумами и минимумами вследствие наличия емкостной составляющей, при этом вертикальный перепад, обусловленный различием в омических составляющих RI, отражает состояние покрытия трубопровода.

В соответствии с упомянутой европейской заявкой на патент N 04411689 состояние покрытия контролируется с использованием тока катодной защиты с низкой степенью модуляции до 10% и предпочтительно в диапазоне от 0,5 до 5%. Частота модуляции меньше 100 Гц при предпочтительном диапазоне частот 0,05 - 1,0 Гц и соотношении амплитуд в диапазоне от 0,001 до 1000 при предпочтительном диапазоне соотношения от 0,1 до 10.

Сопротивление изоляции (R) в соответствии с упомянутой заявкой определяется по регистрирующему вольтметру, фиксирующему изменяющийся потенциал (ΔV^*) вследствие изменения омических потерь в соответствии с диаграммой В и в соответствии с величиной переменной тока (I*), где (I*) представляет из себя разницу между экстремальными значениями тока I_max и I_min. Тогда:
R = ΔV^*/I^*
Это позволяет определить сопротивление изоляции R покрытия трубопровода, а следовательно и ее целостность. Благодаря известному значению сопротивления R имеется возможность вычислить эффективное значение потенциала (Vp) с учетом общего потенциала (Va) и общего катодного тока (I) защиты с использование выражения
V_p = V_a - RI.

Из представленных на фиг.1 диаграмм видно изменение параметров, характеризующих явление, в левой части диаграмм показано "естественное" разрушение покрытия трубопровода контролируемого устройством в соответствии с европейской заявкой на патент N 0411689.

Если отсутствует случай внезапного повреждения покрытия, то естественно разрушение покрытия выражается в постоянном медленном снижении значения RI.

В центральной части диаграмм фиг.1 показан случай изменения параметров при случайном контакте металлического предмета и металла трубопровода. Как видно из фиг.1, значение параметра RI падает, в то время как характер чередования максимумов и минимумов, обусловленный емкостью цепи, не изменяется. Этот характер изменения параметров отражает то обстоятельство, что металлический предмет, который входит в контакт с трубопроводом, работает как проводник заземления.

В правой части диаграмм фиг. 1 представлено изменение параметров при исчезновении контакта между металлическим предметом и трубопроводом. Как видно из этой части диаграммы фиг.1 значение параметра RI возрастает, но при этом остается по значению меньше величины, которая имела место до контакта.

Это изменение отражает тот факт, что металлический предмет прекращает выполнение функций проводника, но им произведено повреждение покрытия в той или иной степени.

Этот случай отражает явление, которое нехарактерно для естественного разрушения покрытия, а именно падение омического сопротивления с последующим некоторым его увеличением в зависимости от площади поврежденной поверхности.

Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением предполагают измерение сигнала напряжения, проиллюстрированного на диаграмме С фиг.1 и конкретно падение и увеличение значения параметра RI.

Устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением описаны по форме изложения в виде примера, не ограничивающего объем изобретения со ссылкой на конкретный типичный пример осуществления, представленный на фиг. 2, на котором показана цепь для съема сигнала прямоугольной формы и на фиг. 3, на котором показана цепь для измерения изменений параметра RI в соответствии с характеристиками, проиллюстрированными на фиг.1.

Комплектующие этих электрических цепей могут быть в виде интегральных модулей.

Структурная схема в левой части фиг.2 с иллюстрацией справа изменений формы появляющегося сигнала по времени включает элементы:
- преобразователь (1) напряжение/ток, на вход которого подается сигнал (a), соответствующий подаваемому к трубопроводу току с прямоугольной формой волны для его катодной защиты, включающий сопротивление, обеспечивающее формирование сигнала (b),
- дифференциатор-выпрямитель (2), дифференцирующий преобразованный сигнал (b) с выдачей положительных и отрицательных импульсов сигнала (b), отсекающий отрицательные импульсы, сохраняя положительные составляющие сигнала (b), формирующий синхронизирующий сигнал (c),
- моностабильный мультивибратор (3), управляемый синхронизирующим сигналом (с), обеспечивающий генерацию прямоугольных импульсов (d) длительностью T, например, 200 мкс,
- базовый электрод, вставленный в заземление и соединенный с ним электронный переключатель (4), например, типа аналогового переключателя MOSFET, обеспечивающий передачу сигнала (e) падения напряжения от трубопровода и заземления только при пиковых значениях синхронизированного сигнала (d) с генерированием выходного сигнала (f) с амплитудой, прямо связанной с величиной омического сопротивления трубопровода, при исключении реактивной или поляризационной составляющих.

Структурная схема в левой части фиг.3 с показанными справа соответствующими формируемыми сигналами включает следующие элементы:
- вольтметр (5) пиковых значений, устанавливаемых синхронизирующими импульсами (C), для измерения экстремальных значений напряжения,
- электронный фильтр нижних частот (6) с соответствующей постоянной времени, осуществляющий осреднение сигнала (g) экстремальных значений напряжения по времени, сглаживающий крутые фронты сигнала экстремальных значений напряжения в соответствии с синхронизирующим сигналом (C) и генерирующий сигнал (h),
- дифференциатор (7) с соответствующей постоянной времени (порядка нескольких c), определяющий увеличение омического сопротивления защитного покрытия, обусловленное узкополосным сигналом (h), и генерирующий дифференцированный сигнал (i),
- устройство сигнализации и соединенным с ним блокирующий триггер Шмидта (Schmitt) (8), включаемый изменением дифференцируемого сигнала (i) в соответствии с положительной производной сигнала (h) для генерирования сигнала (1), тем самым приводящий в действие устройство сигнализации для выявления повреждения защитного покрытия; данный сигнал может быть звуковым, световым и существует до переключения триггера (8).

Пример. Испытуемый трубопровод был смоделирован 8-дюймовой стальной трубой длиной 10 м, заизолированной полиэтиленом с углеродным наполнителем, как это обычно имеет место при устройстве трубопроводов для перекачки метана. При этом осуществлялась имитация дефектов с введением в контакт металлических заземленных поверхностей через покрытие трубопровода.

Трубопровод был частично засыпан землей и к нему был подведен постоянный катодный защитный ток с напряжением от 0,1 до 1,5 В, питание постоянного тока (1,5 мА/м²) модулировалось в виде прямоугольного импульса с глубиной модуляции от 1 до 5% и частотой от 0,5 до 10 Гц в соответствии со схемой фиг. 4.

На фиг.4 схематично обозначен засыпанный трубопровод (10) со штырем заземления (11), базовым электродом (12), генератором катодного защитного тока (13) и генератором прямоугольного импульса (14).

Повреждение было сымитировано касанием трубопровода ковшом экскаватора, имеющим прямой контакт с землей, что позволило получить повреждение площадью в несколько кв.см.

Измеренные значения параметров приведены в таблице, где символом R обозначено сопротивление трубопровода, а RI падение напряжения между трубопроводом и землей, причем оба параметра даны для поверхности 1 м².

Падение омического сопротивления в момент разделения ковша и трубопровода во всех случаях вызывало включение фиксирующего устройства.

Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением не давали эффекта срабатывания при различных вариантах исполнения изоляции или изменения ее сопротивления под воздействием коррозии или другого вида нарушения под воздействием окружающей среды, и реагировали только на контакт с металлическими предметами, например, с мощным оборудованием.

Даже резкое изменение питающего напряжения на электрогенераторах катодной защитной системы, вызванное, например, нестабильным напряжением в сети, не оказывало влияния на работу сигнализирующего устройства в соответствии с настоящим изобретением, благодаря весьма большой емкости контактной поверхности между трубопроводом и землей, в этих случаях имело место медленное изменение потенциала.

Общие измерения и система сигнализации отвечали требованиям дистанционной передачи сигналов автоматического контроля системы трубопроводов, уложенных по всех площади участка территории.

Настоящее изобретение описано с сылкой на подземные трубопроводы, т.е. на один из наиболее трудных и интересных случаев применения, тем не менее не ограничивается этой конкретной областью применения.

Способ контроля дефектов в защитном покрытии погруженных в воду или подземных металлоконструкций, находящихся под катодной защитой, использует определение электрического сопротивления R указанного покрытия и включает применение модулирования защитного катодного тока I с измерением соответствующего изменения потенциала. Повреждение защитного покрытия фиксируют благодаря падению с последующим возрастанием величины параметра R1. Устройство выдает сигнал при увеличении указанной величины. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ контроля случайных повреждений защитного покрытия подземных или погруженных металлоконструкций, основанный на пропускании через металлоконструкцию тока I катодной защиты, измерении изменения потенциала ΔV^*, наведенного в металлоконструкции моделируемым током I^*, катодной защиты, а также определении сопротивления R покрытия, исходя из соотношения R=ΔV^*/I^*, отличающийся тем, что повреждение защитного покрытия фиксируют благодаря падению с последующим возрастанием величины параметра R1 с выдачей сигнала при увеличении указанной величины. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль осуществляют непрерывно с постоянной модуляцией катодного тока, подводимого к конструкции. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что модуляцию тока выполняют симметрично и предпочтительно с прямоугольной формой импульсов с глубиной до 10% и предпочтительно от 0,5 до 5%. 4. Устройство контроля случайных повреждений защитного покрытия подземных или погружных металлоконструкций, оборудованных катодной защитой, содержащей генератор для приложения модулированного тока катодной защиты с импульсами прямоугольной формы, включающее в себя цепь для приема сигналов с прямоугольной формой импульсов, отличающееся тем, что указанная цепь далее содержит преобразователь напряжение/ток, формирующий сигнал, содержащий импульсы напряжения прямоугольной формы, дифференциатор-выпрямитель, дифференцирующий преобразованный сигнал с выдачей положительных и отрицательных импульсов на фронтах преобразованного сигнала, причем отрицательные импульсы отсекаются, а положительные проходят, обеспечивая формирование синхронизирующего сигнала, моностабильный мультивибратор, управляемый синхронизирующим сигналом и обеспечивающий генерацию синхронизированного сигнала прямоугольной формы, электронный переключатель, обеспечивающий передачу сигнала падения напряжения между трубопроводом и базовым электродом, вставленным в заземление, только при наличии пиков синхронизированного сигнала прямоугольной формы и формирующий выходной сигнал с амплитудой, непосредственно связанной с омическим сопротивлением трубопровода, датчик для выявления увеличения и уменьшения электрического сопротивления покрытия, содержащий вольтметр пиковых значений для измерения экстремальных значений напряжения, электронный фильтр нижних частот, осуществляющий осреднение сигнала экстремальных значений напряжения по времени, сглаживающий крутые фронты сигнала экстремальных значений напряжения в соответствии с синхронизирующим сигналом, дифференциатор, определяющий увеличение омического сопротивления покрытия, обусловленное сигналом, и генерирующий дифференцированный сигнал, и устройство сигнализации и соединенный с ним блокирующий триггер Шмидта, включаемый изменением дифференцированного сигнала и тем самым приводящий в действие устройство сигнализации для выявления повреждения покрытия.