СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТРАССЫ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ IN SITU Российский патент 1999 года по МПК E02D1/00 G01N33/24 E02D29/00 

Изобретение относится к биотехнологии, экологической безопасности нефте- и газопроводов, в частности, к диагностике состояния подземных сооружений - металлических трубопроводов и т.п. Это важно для выявления риска коррозионного отказа (разрыва) подземных сооружений вследствие биокоррозии, представляющего опасность для населения, приводящего к значительным экономическим потерям и загрязнению объектов окружающей среды: почв, грунтов, вод.

Известен способ неразрушающей диагностики трассы подземных сооружений путем определения микробиологической анаэробной коррозионной активности почв и грунтов по интенсивности биогенной сульфатрадукции (ИБС) с применением радионуклидного индикатора Na³⁵ ₂SO₄, включающий отбор проб, внесение индикатора, фиксацию проб in situ обработку проб в лаборатории и расчет ИБС. Это определение заключается в расчете соотношения восстановленных соединений серы и серы в составе сульфатов, установившееся в пробе грунта за 1 сутки инкубации (1).

На основе определения ИБС и сопоставления с ранее определенным критическим значением делают заключение о биокоррозионной активности грунта и проводят диагностику гнутов вокруг подземных магистральных трубопроводов для выявления участков повышенной биокоррозионной агрессивности. На этих участках возрастает риск локальных коррозионных поражений (питтингов, язвенной коррозии, стресс-коррозионных трещин), что приводит к увеличению частоты коррозионных отказов. Однако применение данного способа длительно, трудоемко, не позволяет проводить интенсивные инструментальные экспресс-измерения, коррозионный мониторинг, невозможен неповреждающий контроль (без вскрытия трубопровода, т.е. шурфования).

Задачей данного изобретения является разработка способа диагностики трассы металлического подземного сооружения in situ для выявления, в частности, участков трассы с повышенным риском локальной коррозии и стресс-коррозии магистральных трубопроводов.

Технический результат предлагаемого изобретения - возможность выделения опасных и неопасных участков трассы без повреждения грунтов трассы и, соответственно, снижение трудоемкости процесса.

Полученный результат может быть использован для последующих операций инструментального уточнения параметров коррозионных дефектов (при шурфовании) и оценки остаточного ресурса.

Таким образом, предлагается новый экспресс-метод диагностики опасности микробиологически индуцированной коррозии ("Microbial Induced Corrosion" или "MIC"; "биокоррозии" - в русскоязычной литературе) и, следовательно, выявления участков трассы подземного сооружения с повышенным риском локальных коррозионных разрушений металла для последующих операций контроля технического состояния и выбора адекватных средств защиты.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что отбирают газовую фазу грунта с помощью пробоотборника, проводит суммарное определение газов, характеризующих опасность локальной коррозии (сероводорода, фосфина, летучих органических соединений, аммиака) и индикацию метана, характеризующего опасность стресс-коррозии, статистический дискриминантный анализ для установления зависимости опасности локальной или стресс-коррозии в зависимости от концентрации агрессивных газов, расчет величины дискриминантной функции F и сравнение ее величины с предварительной определенными критериальными величинами, характеризующими опасность локальной и стресс-коррозии, заключение об опасности локальной или стресс-коррозии делают по результату сравнения места расположения рассчитанной дискриминантной функции F на шкалах с ранее установленными критериальными величинами - "центроид благополучия", "центроид локальной коррозии", "центроид стресс-коррозии", относящимися к области "участок с риском общей коррозии", "участок с риском стресс-коррозии", "участок с риском локальной коррозии".

Установление критериальных величин опасности F1 и F2.

Опасность локальной коррозии F1.

Критериальную величину F1 опасности локальной коррозии установили при лабораторном моделировании процесса локальной почвенной коррозии. Для уточнения пороговой концентрации агрессивных газов в газовой фазе грунта в лабораторных коррозионных ячейках с разными уровнями биогенной сульфатредукции, значимой для коррозионных процессов, определили содержание углекислого газа и сероводорода в атмосфере над герметично закрытыми сосудами. Для выявления основных значимых факторов провели эксперимент методом математического многофазного планирования. Определили скорость локальной коррозии при равных уровнях содержания органического вещества, сульфатов, температуры и влажности почвы. Матрица планирования эксперимента приведена в таблице 1 (табл. 1-4 см. в конце описания).

При этом варьируемыми факторами являлись X1 - содержание сульфатов в грунте (10 мг в 100 г грунта на уровне "-", 145 мг на уровне "0" и 300 мг на уровне "+"), Х2 - общее количество органического углерода Сорг. в форме гуминовых кислот (1,5% - "-" уровень; 3,0% - "0" уровень и 4,5% - "+" уровень); Х3 - влажность (10% от полной влагоемкости - ПВ на "-" уровне; 30% - "0" и 70% - на "+" уровне) и Х4 - температура (5^oC - на "-" уровне, 25^oC - на "0" уровне и 45^oC на "+" уровне).

Величины варьируемых факторов были подобраны таким образом, чтобы их разброс перекрывал все реальные изменения колебаний этих факторов в средних широтах.

Результаты определения концентрации газов в газовой фазе почвы с помощью газово-хроматографического анализа и скорости локальной почвенной коррозии представлены в таблице 2.

Результаты кластерного анализа и статистической обработки этих данных графически отражены на фиг. 1 и 2.

Как видно из приведенного графика (фиг. 1), при всех температурах в интервале от 5 до 45^oC имеется прямая взаимосвязь скорости коррозии и содержания сероводорода в газовой фазе грунта.

Графическое отражение полученной закономерности представлено на фиг. 2, где величина "скорость локальной коррозии" однозначно определяется температурой и количественным составом газовой фазы грунта для всего интервала условий, охваченных рамками эксперимента.

Критерий риска локальной коррозии рассчитан с применением метода дискриминантного анализа и описывает уровень дискриминантной функции 1 для опасности локальной коррозии в виде следующего дискриминантного уровня:
F1 = -2,279 + 0,010 • [CO₂] + 0,091 • [H₂C] + 0,001 • [SO^2- ₄] + 0,093 • [Cорг] - 0,012 [H₂O], (I)
где [CO₂] - парциальное содержание углекислого газа в газовой фазе грунта, %;
[H₂S] - парциальное содержание сероводорода в газовой фазе,%;
[SO^2- ₄] - содержание сульфат-ионов, мг в 1 кг грунта;
[Сорг] - содержание органического вещества, %;
[H₂O] - влажность, %.

Критериальные уровни локальной коррозии характеризуются величинами F1 = 1,638, выше этого значения лежит область "реальной опасности локальной коррозии", F1 = -0,701, ниже которого - область "несущественной локальной коррозии", между этими значениями находится область "возможной локальной коррозии". При расчете дискриминантной функции F1 основными и значимыми факторами являются содержание органического вещества, способного переходить в летучие соединения, содержание углекислого газа и сероводорода в газовой фазе (фиг. 4).

Опасность стресс-коррозии F2.

В силу сложности лабораторного моделирования процессов стресс-коррозии магистральных трубопроводов установление критериальных величин, характеризующих опасность стресс-коррозии, провели непосредственно на трассе, сопоставив показатели газовой среды, окружающей магистральный трубопровод, с фактом наличия или отсутствия отказа по причине стресс-коррозионного дефекта поверхности металла (взрыв трубопровода в процессе эксплуатации или при гидроиспытании). Данные приведены в таблице 3.

Особо следует остановиться на необходимости индикации метана для характеристики опасности развития грунтовых проессов, могущих вызвать стресс-коррозионное поражение восприимчивого металла. Ранее (2) установлено, что стресс-коррозионные поражения сопровождаются весьма характерной модификацией поверхности металла трубы за счет возникновения специфических продуктов коррозии. При этом ситуация стресс-коррозии обычно развивается при активной, но затем ограниченной, лимитированной биогенной сульфатредукции, когда в силу исчерпания основного субстрата (сульфат-ионов) сульфатредукция уступает место метаногенезу в силу субстратной конкуренции.

В этом случае в составе газовой фазе происходят характерные измерения - снижаются концентрации углекислого газа и сероводорода, появляется метар. Это видоизменение условий благоприятствует развитию стресс-коррозионных трещин.

В то же время при сильном нарушении адгезии пленочного изоляционного покрытия и доступе почвенного электролита условия вновь становится оптимальными для сульфатредукции, биокоррозионная активность среды возрастает, происходит коррозионное "растравливание" берегов волосовидных начальных стресс-коррозионных трещин с появлением характерной "полосчатой" структуры на дне плоских коррозионных пятен (характерный сопутствующий стресс-коррозии вид коррозионного поражения поверхности металла). В этом случае снижается риск развития стресс-коррозионных процессов (исчезает концентратор напряжений в виде микротрещины), но возрастает риск локального коррозионного язвенного поражения.

Ситуация графически иллюстрируется на фиг. 3.

Результат расчета дискриминантной функции "скорость стресс-коррозии" представлен следующим уравнением:
F2 = -2,04 + 0,51 • [CO^2- ₃] + 1,55 • [H₂S] + 0,69 [ИБС], (II)
где [CO^2- ₃] - содержание карбонатов в подпленочном электролите, прямо связанное с концентрацией биогенного углекислого газа в газовой фазе грунта, %;
[H₂S] - содержание сероводорода в газовой фазе грунта, pp,
[ИБС] - интенсивность биогенной сульфатредукции, мт.ат.S, кг^-1 в сутки.

Графически система критериальных величин дискриминантной функции F2 для стресс-коррозии представлена на фиг. 5. В этом случае отказы по причине стресс-коррозии установлены при значении F2 большем или равном 1,39, а отсутствие - при F2 меньшем, чем - 0,84.

Таким образом, определив сумму содержания агрессивных газов (сероводорода и окрупчивающих) и проведя расчет F для конкретной пробы почвенного газа, диагностируют грунт исследуемого участка трассы как безусловно коррозионно агрессивный (способный вызвать коррозионный отказ восприимчивого металла) или неагрессивный по отношению к подземному трубопроводу по расположению этой величины на графике с критериальными величинами (центроидами) для локальной коррозии и стресс-коррозии. При промежуточных значениях функций грунт участка трассы диагностируется как слабо агрессивный.

Способ осуществляют следующим образом: не вскрывая трубопровод, отбирают пробу газовой фазы грунта пробоотборником газовой фазы с уровня, примыкающего к верхней образующей трубопровода (от 0,5 м), определяют сумму агрессивных газов (сероводорода, аммиака, фосфин летучих органических соединений мышьяка, сурьмы и других охрупчивающих металл газов), проводят индикацию метана в газовой смеси, рассчитывают дискриминантную функцию для локальной подпленочной коррозии (в случае отсутствия метана) и для стресс-коррозии (в случае присутствия метана), полученные значения отражают на шкале с предварительно нанесенными значениями критериальных величин, установленных для случаев локального коррозионного поражения и стресс-коррозии ("центроидов"), делают заключение об опасности процессов локальной или стресс-коррозии по месту нахождения на шкале полученной функции относительно критериальных величины F1 и F2 на фиг. 4 и фиг. 5, соответственно.

Известны способы контроля загрязнения газовой фазы и определения предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных газообразных веществ (сероводорода, углекислоты, моноокиси углерода, закиси азота, фосфинов, аммиака, метана и других органических летучих соединений, метилированы ений соединений мышьяка, сурьмы и т.д.).

Известны способы контроля за процессами атмосферной коррозии по концентрации углекислого газа, сероводорода и летучих органических соединений. Однако для нужд коррозионного диагностики в грунтах подобные способы не применялись в силу следующих недостатков: не были подобраны способы отбора пробы газовой фазы грунта вокруг подземного сооружения, недостаточна информация по отдельным компонентам газовой фазы при ее неустановленном составе с точки зрения характеристики опасности биокоррозии, не определены пороговые (критериальные) величины содержания в газовой фазе суммы коррозионно-агрессивных газов для заключения об опасности данного участка грунта с точки зрения биокоррозии и локальной коррозии.

В грунте перечисленные газы являются биогенными компонентами газовой фазы и появляются в результате метаболической активности почвенной микрофлоры. Эти газы коррозионно агрессивны по отношению к металлу подземных сооружений, они способны вызывать неводороживание и охрупчивание металла и изопляционного покрытия.

Выбор способа защиты от коррозии (полимерными пленочными покрытиями, катодной электрохимзащитой) и контроль процессов биокоррозии не предполагает учет влияния газовой фазы, контактирующей с подземным сооружением. Однако анализ продуктов коррозии доказывает прямое участие биогенных газов в формировании слоя этих продуктов, изменяющего свойства поверхности металла, изолированного полимерным покрытием трубопровода и способствующего появлению локальных коррозионных повреждений, в частности, таких наиболее опасных и трудно диагностируемых обычными способами, как локальная подпленочная и стресс-коррозия магистральных трубопроводов (2).

Известен способ контроля загрязнения почвы нефтепроктами по концентрации летучих углеводородов и других газов (3), который включает следующие операции: отбор газовой фазы грунта, индикация отдельного загрязняющего компонента-летучего органического соединения, загрязняющего компонента.

Этот способ не применялся для контроля подземных сооружений путем оценки коррозионной агрессивности трассы.

Возможность осуществления предлагаемого способа подтверждается следующими примерами, но не исчерпывается ими.

Пример 1. Отбирают пробу грунта пробоотборником почвенных газов с уровня нижней или средней образующей магистрального трубопровода (1,3 м) путем завинчивания штыря-пробоотборника в грунт и ожидают в течение 30 минут установления равновесия с газовой фазой грунта. Переводят пробу в полевой прибор (при помощи компрессионного забора) по контролю агрессивных газов с термоионизационным детектором и в полевой метанометр, определяют сумму содержания агрессивных компонентов в газовой фазе, составившую для сероводорода и газов-загрязнителей - 520 ppm для метана - 140 ppm.

Расчет дискриминантной функции по формуле II дает значение F2 = 1,42, это значение на оси графика опасности стресс-коррозии (фиг. 5) расположено правее центроида стресс-коррозии, на основании чего делают вывод об опасности стресс-коррозии для данного участка тросса.

Пример 2. Отбирают газовую фазу из-под отслоившегося полимерного покрытия трубы при помощи медицинского шприца на 5 мл, переносят во флакон для транспортировки газовой фазы за счет вытеснения последней стерильного насыщенного раствора хлористого натрия, в лаборатории определяют состав газовой фазы.

Результаты определения представлены в таблице 4.

Наличие метана, а также величина рассчитанной дискриминантной функции позволяют сделать заключение для пробы N 11 - опасность стресс-коррозии, для пробы N 1 - опасность локальной подпленочной коррозии, об остальных участках трассы с номером отобранных проб N 3, 8, 10 делают заключение о том, что данные участки "неопасны" с точки зрения локальных видов коррозии.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает возможность проведения диагностики трассы подземных сооружений путем выделения опасных и неопасных участков трассы без повреждения грунтов трассы (без вскрытия трубопровода, т. е. шурфования) и, соответственно, снижение трудоемкости процесса, он позволяет проводить интенсивные инструментальные экспресс-измерения и коррозионный мониторинг.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1096582, G 01 N 33/24, 1980.

2. Самаркин В.А., Камаева С.С. Тезисы докладов. Международный симпозиум по биогеохимии окружающей среды. Италия, 1977 г.

3. Проспект фирмы "Drager", ФРГ, Soil Air Analysis with the Drager Air Probe Proffessional.

Изобретение относится к биотехнологии, экологической безопасности нефте- и газопроводов, в частности к диагностике состояния подземных сооружений - металлических трубопроводов и т.п. Сущность изобретения заключается в том, что отбирают газовую фазу грунта с его поверхности, проводят суммарное определение газов, характеризующих опасность локальной коррозии (сероводорода, фосфина, летучих органических соединений, аммиака) и индикацию метана, характеризующего опасность стресс-коррозии, статистический дискриминантный анализ для установления зависимости опасности локальной или стресс-коррозии в зависимости от концентрации агрессивных газов, расчет величины дискриминантной функции F и сравнение ее величины с предварительно определенными критериальными величинами, характеризующими опасность локальной и стресс-коррозии. Заключение об опасности локальной или стресс-коррозии делают по результату определения места расположения рассчитанной дискриминантной функции F на шкалах с ранее установленными критериальными величинами - центроид локальной коррозии, центроид стресс-коррозии, относящимися к участкам с риском локальной коррозии, риском стресс-коррозии. Способ позволяет выделять опасные и неопасные участки трассы без повреждения грунтов трассы, т.е. без вскрытия трубопровода. 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 5 ил.

1. Способ диагностики трассы подземных сооружений in situ, включающий отбор газовой фазы пробы грунта, отличающийся тем, что отбирают пробу газовой фазы грунта с помощью пробоотборника, проводят индикацию наличия метана, определение суммы концентраций коррозионно-активных газов, статистический дискриминатный анализ полученных значений, расчет величины дискриминантной функции F, затем осуществляют диагностику участка трассы по результатам сравнения значения полученной величины функции F с предварительно установленными критериальными показателями величины функции для коррозионно опасных и неопасных участков. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после расчета дискриминантной функции F строят ее графическое отображение, при этом сравнение значения полученной величины функции F с предварительно установленными критериальными показателями величины функции для коррозионно опасных и неопасных участков проводят путем определения мест относительного расположения их на графике.