СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВ КОРРОЗИОННЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПАР В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДАХ Российский патент 2024 года по МПК G01N17/02 G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения протекающих в металлических трубопроводах подземного (подводного) исполнения постоянных токов, вызванных действием коррозионных гальванических пар электрохимической почвенной коррозии, коррозии в водных растворах (речная, морская вода).

Известна система и способ измерения электрического тока в трубопроводе, [Евразийский патент 009913, В1, C23F 13/04, G01N 17/02, G01M 3/00, 2008.04.28] имеющая два контакта с внутренней поверхностью трубы, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и устройство считывания напряжения между контактами (скребками) при перемещении транспортного средства внутри трубопровода за счет текучести транспортируемого продукта. Преимущество указанного внутритрубного способа заключается в том, что он позволяет осуществлять регулярный контроль измерения токов в металлических трубопроводах на всем протяжении обследуемого участка с высокой производительностью.

Однако, данный способ обладает рядом недостатков. Для реализации способа требуется дополнительная операция предварительного измерения продольного электрического сопротивления участка трубопровода. На точность данных, снимаемых с помощью трубопроводного скребка, могут неблагоприятно влиять моменты отсутствия контакта, связанные с повышением шероховатостей стенок труб в результате их внутренней коррозии, накоплением продуктов коррозии и механических примесей. Для детектирования моментов отсутствия контакта указанное изобретение должно дополнительно включать в себя пилотный сигнал переменного тока, который позволяет отмечать и исключать сигналы отсутствия контакта во время обработки данных, что в свою очередь значительно усложняет способ измерения. Кроме того, при движении системы и динамическом контакте с трубой часто сигнал получается неприемлемым из-за шумов и искажений, а также погрешностей, вызываемых воздействием тепла при значительном изменении температуры транспортируемого продукта и окружающей среды. Кроме указанных недостатков этого способа еще существуют технические ограничения, связанные со сложностью монтажа системы - это необходимость обустройства трубопровода стационарными узлами пуска и приема систем измерения электрического тока в трубопроводе с использованием транспортного средства, предназначенного для перемещения системы внутри трубы. Старые трубопроводы, не оборудованные камерами приема-запуска, сваренные с подкладными кольцами из труб разных диаметров, имеют отводы с малыми радиусами кривизны, с неравнопроходными кранами и т.д., не приспособлены к внутритрубной диагностике. Поэтому применение способа в требуемом объеме возможно только после проведения реконструкции, что значительно усложняет способ, снижает его эффективность.

Известен также способ бесконтактного измерения тока [RU 2052822 С1, G01R 19/00 20.01.1996].

Суть способа состоит в том, что напряженность магнитного поля, создаваемого электрическими токами в подземных и подводных линиях электропередач, измеряется в двух точках, удаленных друг от друга на фиксируемую величину, с помощью жесткой фиксации двух магниточувствительных преобразователей на штанге, расположенной в плоскости перпендикулярной оси проводника с током. С целью повышения точности измерения в каждой точке измеряются две ортогональные компоненты напряженности магнитного поля.

Существенным недостатком аналога является то, что для достижения, указанной цели, повышения точности измерений, необходима высокая точность установки угловых параметров отклонения осей чувствительности магниточувствительных преобразователей от ортогональных осей и их учета при дальнейшей обработке результатов измерений. Для этого требуется калибровка установки угловых параметров двух магниточувствительных преобразователей на штанге, по накопленным результатам измерений методом их итерационного варьирования, осуществлять последовательное приближение к истинным значениям малых угловых параметров с нахождением минимума функции цели. Что существенно увеличивает сложность применения способа. Недостатком способа является низкая точность измерения слабых постоянных токов из-за отсутствия экранирования преобразователей от магнитных помех, создаваемых окружающей средой, различного рода естественных магнитных аномалий, а также линий электропередач, электрифицированных железных дорог, металлических препятствий и др.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предложенного способа бесконтактного измерения токов коррозионных гальванических пар в металлических трубопроводах является способ, реализованный с помощью устройства бесконтактной индикации тока трубопровода [RU 2782679 C1, G01R 15/20, G01R 19/00, 31.10.2022].

Способ, реализованный с помощью устройства бесконтактной индикации тока трубопровода заключается в том, что, по крайней мере, один бесконтактный индикатор тока, датчик Холла, закрепляется в точке приварки на поверхности трубы с охватывающей ее крепежной лентой из электротехнической стали без повреждения изоляционного покрытия и соединяется с блоком измерительных приборов и вспомогательным электродом и электродом сравнения, регистрирует ток трубопровода. Предложенное устройство предназначено для измерения направления и силы тока в трубопроводе, а при комплексном использовании в системах коррозионного мониторинга индикатор позволяет выявлять зоны блуждающих токов вблизи защищаемого трубопровода, определять анодные зоны на трубопроводе, проводить анализ токораспределения на участке катодной защиты и определять зоны повреждения изоляции трубопровода. Принцип работы устройства основан на эффекте Холла.

Существенным недостатком способа является недостаточная чувствительность для измерения магнитной индукции токов коррозионных гальванических пар для определения анодных зон на трубопроводе. Токи коррозионных гальванических пар, образующих анодные зоны на поверхности металлических трубопроводов при взаимодействии с окружающим трубопровод электролитом (грунтовым или водным) определяются при отключенном токе катодной защиты, контролируемого участка трубопровода, имеют небольшие значения - единицы миллиампер. Магнитное поле прямолинейного проводника с током (трубопровод с токами гальванических пар) вычисляется по формуле:

где: I - сила тока в проводнике в А;

d - расстояние в М от проводника до точки, где рассматривается значение магнитной индукции;

μ₀ - магнитная постоянная;

μ - относительная магнитная проницаемость среды;

Если принять I ≈ 0,005 А (примерный ток гальванической пары);

d ≈ 0,5 м (расстояние от центра трубопровода до поверхности, где установлен датчик);

μ₀=4π10^-7 Гн/м ≈ 125⋅10^-8 Гн/м;

μ=1;

и подставить указанные значения в (1) получим: В ≈ 2нТл;

Общеизвестно, что номинальная чувствительность датчиков Холла 60 мВ/мТл или 0,06 мкВ/нТл. Очевидно, что для эффективного измерения магнитной индукции В ≈ 2нТл токов коррозионных гальванических пар трубопровода чувствительности датчиков Холла недостаточно.

Предлагаемый способ бесконтактного измерения токов коррозионных гальванических пар в металлических трубопроводах заключается в использовании феррозондового преобразователя магнитного поля токов трубопровода с одноэлементным замкнутым вокруг трубопровода сердечником кольцевого типа, смонтированного в районе точки приварки на трубе, имеющего измерительную обмотку и обмотку возбуждения, выводы которых выведены на контактную панель в стандартном контрольно-измерительном пункте (КИП), измерении и регулировке тока катодной защиты, протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода, взаимодействующего с токами коррозионных гальванических пар, образующихся на поверхности металлических трубопроводов при контакте с окружающим трубопровод электролитом (грунтовым или водным). Перед установкой феррозондового преобразователя магнитного поля токов трубопровода с одноэлементным замкнутым вокруг трубопровода сердечником кольцевого типа, необходимо провести предварительную калибровку показаний значений феррозонда от тока, катодной защиты, протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода без взаимодействия с токами коррозионных гальванических пар для последующего сравнения со значениями с учетом взаимодействия. При уменьшении (увеличении) тока катодной защиты, протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода до значений сравнимых с токами коррозионных гальванических пар, если коррозионные гальванические пары имеются на контролируемом участке, значения измеряемого тока катодной защиты, взаимодействующего с токами коррозионных гальванических пар, значительно изменяются по сравнению с калибровочными. Если изменений измеряемого тока катодной защиты на контролируемом участке по сравнению с калибровочными значениями нет, то коррозионные гальванические пары на участке отсутствуют. Если коррозионные гальванические пары расположены на трубопроводе так, что их токи пересекают сердечник, установленного феррозондового преобразователя, с одного контролируемого участка трубопровода на смежный, то их активность определяется при выключенном токе катодной защиты, по величине измеренного значения тока.

Задача, которая решатся в предложенном способе - это повышение эффективности измерения тока коррозионных гальванических пар, образующихся на поверхности металлических трубопроводов при контакте с окружающим трубопровод электролитом (грунтовым или водным), взаимодействующих с током катодной защиты, протекающим вдоль контролируемого участка трубопровода. Требуемый технический результат заключается в необходимости высокой чувствительности преобразователя магнитного поля для измерений результирующего тока катодной защиты, взаимодействующего с токами коррозионных гальванических пар, образующихся на поверхности металлических трубопроводов при контакте с окружающим трубопровод электролитом (грунтовым или водным). Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается за счет того, что в способе бесконтактного измерения токов коррозионных гальванических пар в металлических трубопроводах, согласно изобретению, используется феррозондовый преобразователь магнитного поля токов трубопровода с одноэлементным замкнутым вокруг трубопровода сердечником кольцевого типа, смонтированным в районе точки приварки на трубе, имеющим измерительную обмотку и обмотку возбуждения, выводы которых выведены на контактную панель в стандартном контрольно-измерительном пункте (КИП) и регулируется ток катодной защиты, для измерения результирующих значений его взаимодействия с токами коррозионных гальванических пар. При этом перед установкой феррозондового преобразователя необходимо провести предварительную калибровку показаний значений феррозондового преобразователя от тока, катодной защиты, протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода без взаимодействия с токами коррозионных гальванических пар для последующего сравнения с результирующими значениями с учетом взаимодействия. Если изменений измеряемого тока катодной защиты на контролируемом участке нет, то коррозионные гальванические пары на участке отсутствуют. Если коррозионные гальванические пары расположены на трубопроводе так, что их токи пересекают сердечник, установленного феррозондового преобразователя, с контролируемого участка трубопровода на смежный участок, то их активность определяется при выключенном токе катодной защиты, по величине измеренного значения тока.

Изобретение поясняется фиг.1, где показаны контролируемый участок трубопровода 1 - начало, 2 - конец контролируемого участка с током катодной защиты вдоль трубопровода - Iк.з.у., формируемым устройством катодной защиты - 3, 4 - точка дренажа, Iк - ток коррозионной гальванической пары на участке, совпадающий по направлению с катодным током, где А - электрод анод гальванической пары, К - электрод катод гальванической пары, 5 - силовые линии тока защиты, замыкающие цепь катодной защиты трубопровода - 6 через грунт, 7 - сердечник феррозондового преобразователя, 8 - катушка возбуждения, 9 - катушка измерительная, 10 - точка приварки, 11 - контрольно-измерительный пункт, смежный с контролируемым участок - 12. Взаимодействие регулируемого тока катодной защиты вдоль трубопровода - Iк.з.у. с приводит значительному изменению значений измеряемого тока катодной защиты, взаимодействующего с токами коррозионных гальванических пар по сравнению с калибровочными значениями измеряемой электродвижущей силы (ЭДС) на выводах катушки - 9 в контрольно-измерительном пункте - 11. Если коррозионные гальванические пары расположены на трубопроводе так, что их токи Ik₁ и Iк₂, соответственно, с электродами A₁, К₁ и А₂, К₂ пересекают сердечник, установленного феррозондового преобразователя, с контролируемого участка трубопровода на смежный участок - 12, то их активность определяется при выключенном токе катодной защиты, по величине значения ЭДС на выводах измерительной катушки.

Фиг. 1 и фиг. 2 отличаются противоположной направленностью токов коррозионных гальванических пар на контролируемом участке и между смежными участками по отношению к направлению катодного тока вдоль трубопровода. Следует понимать, что Фиг. 1 и Фиг. 2 - это частный случай расположения электродов коррозионных гальванических пар, векторы направлений токов которых могут изменяться на 360° по отношению к направлению катодного тока вдоль участка трубопровода.

На фиг. 3 - представлен графики характерных зависимостей измеряемой электродвижущей силы (ЭДС) на измерительной катушке феррозондового преобразователя магнитного поля токов трубопровода с одноэлементным замкнутым вокруг трубопровода сердечником кольцевого типа, смонтированным в районе точки приварки на трубе, от тока катодной защиты Iк.з.у., протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода, взаимодействующего с сонаправленными току Iк.з.у коррозионными токами гальванических пар Iк, где красная кривая - зависимость ЭДС при Iк=0 (калибровочная кривая), серая кривая - зависимость ЭДС при Iк=5 мА, желтая кривая - зависимость ЭДС при Iк=10 мА.

На фиг. 4 - представлен графики характерных зависимостей измеряемой электродвижущей силы (ЭДС) на измерительной катушке феррозондового преобразователя магнитного поля токов трубопровода с одноэлементным замкнутым вокруг трубопровода сердечником кольцевого типа, смонтированным в районе точки приварки на трубе, от тока катодной защиты Iк.з.у., протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода, взаимодействующего с противоположно направленными току Iк.з.у коррозионными токами гальванических пар Iк, где красная кривая - зависимость ЭДС при Iк=0 (калибровочная кривая), серая кривая - зависимость ЭДС при Iк=5 мА, желтая кривая - зависимость ЭДС при Iк=10 мА. Из графиков видно, что при регулировке тока катодной защиты Iк.з.у. вдоль контролируемого участка трубопровода до значений, сравнимых с токами коррозионных гальванических пар, измеряемая ЭДС значительно изменяется по сравнению с калибровочными значениями. При этом, по величине отклонения значений измеряемой ЭДС от значений ЭДС калибровочной кривой тока катодной защиты, протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода без взаимодействия с токами коррозионных гальванических пар, можно определить силовую характеристику коррозионной опасности, а по формированию изменения кривых (спадающие, нарастающие) на графиках фиг. 3 и фиг. 4 можно определить направление тока коррозионных гальванических пар, сонаправленное или противоположно направленное по отношению к направлению тока катодной защиты Iк.з.у. вдоль контролируемого участка трубопровода.

Таким образом, сущность изобретения заключается в повышении эффективности измерения силы и направления тока коррозионных гальванических пар, образующихся на поверхности металлических трубопроводов при контакте с окружающим трубопровод электролитом (грунтовым или водным), взаимодействующих с током катодной защиты, протекающим вдоль контролируемого участка трубопровода, за счет высокой чувствительности, используемого феррозондового преобразователя магнитного поля токов трубопровода с одноэлементным замкнутым вокруг трубопровода сердечником кольцевого типа, смонтированным в районе точки приварки на трубе, имеющим измерительную обмотку и обмотку возбуждения. При этом перед установкой феррозондового преобразователя необходимо провести предварительную калибровку показаний значений феррозондового преобразователя от тока, катодной защиты, протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода без взаимодействия с токами коррозионных гальванических пар для последующего сравнения с результирующими значениями с учетом взаимодействия.

Предложенный способ бесконтактного измерения токов коррозионных гальванических пар в металлических трубопроводах предназначен для контроля эффективности электрохимической защиты от коррозии подземного (подводного) трубопровода без воздействия на металл труб. Внедрение способа на трубопроводных транспортных системах позволит снизить аварийность при эксплуатации трубопроводов по причине коррозионных разрушений от почвенной электрохимической коррозии.

Литература:

1. Евразийский патент 009913, В1, C23F 13/04, G01N 17/02, G01M 3/00, 2008.04.28. Система и способ измерения электрического тока в трубопроводе.

2. Патент RU 2052822, С1, G01R 19/00 20.01.1996. Способ бесконтактного измерения тока.

3. Патент RU 2782679, С1, G01R 15/20, G01R 19/00, 31.10.2022. Устройство бесконтактной индикации тока трубопровода.

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Сущность изобретения заключается в том, что повышение эффективности измерения силы и направления тока коррозионных гальванических пар, образующихся на поверхности металлических трубопроводов при контакте с окружающим трубопровод электролитом, взаимодействующих с током катодной защиты, протекающим вдоль контролируемого участка трубопровода, достигается за счет высокой чувствительности используемого феррозондового преобразователя магнитного поля токов трубопровода с одноэлементным замкнутым вокруг трубопровода сердечником кольцевого типа, смонтированным в районе точки приварки на трубе, имеющим измерительную обмотку и обмотку возбуждения. При этом перед установкой феррозондового преобразователя проводится предварительная калибровка показаний значений феррозондового преобразователя от тока катодной защиты, протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода без взаимодействия с токами коррозионных гальванических пар. 4 ил.

Способ бесконтактного измерения токов коррозионных гальванических пар в металлических трубопроводах, включающий в себя установку бесконтактного индикатора тока, смонтированного в районе точки приварки на трубе, отличающийся тем, что в качестве датчика используется феррозондовый преобразователь магнитного поля токов трубопровода с одноэлементным замкнутым вокруг трубопровода сердечником кольцевого типа, имеющим измерительную обмотку и обмотку возбуждения, выводы которых выведены на контактную панель в стандартном контрольно-измерительном пункте, проводится предварительная калибровка показаний значений феррозондового преобразователя от тока катодной защиты, протекающего вдоль контролируемого участка трубопровода без взаимодействия с токами коррозионных гальванических пар, для последующего сравнения с результирующими значениями с учетом взаимодействия, регулируется ток катодной защиты для определения силовой характеристики коррозионной опасности и определения направления тока коррозионных гальванических пар.