CN204758457U

CN204758457U - 腐蚀速率测量系统

Info

Publication number: CN204758457U
Application number: CN201520148367.8U
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·C·海德克; 弗雷德·C·西特勒; 查尔斯·R·威勒克斯
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: JP6329639B2; US20150260633A1; CN104914033B; CN104914033A; AU2015229218B2; WO2015138843A1; CA2941012C; JP2017509885A; EP3117202B1; AU2015229218A1; CA2941012A1; EP3117202A1; US9891161B2; RU2636408C1

Abstract

一种腐蚀速率测量系统(130)包括：第一材料的第一膜(160)，所述第一膜被构造为暴露向腐蚀材料并且响应于腐蚀而偏转。第二膜(162)被构造为暴露向腐蚀材料并且响应于腐蚀而偏转。压力传感器(130)被可操作地联接到第一和第二膜(160、162)中的至少一个并且被构造为根据压力和第一和第二膜(160、162)中的至少一个的腐蚀量来测量第一和第二膜(160、162)中的至少一个的偏转。

Description

腐蚀速率测量系统

技术领域

本实用新型涉及各种环境中的部件的腐蚀。更具体地，本实用新型涉及此种腐蚀的监测。

背景技术

腐蚀是材料被化学物质或其他反应物和其周围环境逐渐毁坏。腐蚀降低材料和结构的有用特征，包括强度、外观和流体的可渗透性。很多结构合金仅在暴露向空气中的水分的时候才被腐蚀，但是该过程当暴露向特定物质时可被剧烈地影响。腐蚀可被局部集中以形成凹点或裂缝，或者该腐蚀可在大面积上延伸以均一地腐蚀表面。

腐蚀的测量、控制和防止领域是非常广泛的。腐蚀测量采用各种技术以确定环境的腐蚀程度如何以及正经历的金属损耗速率是多少。一些腐蚀测量技术可以在在线的且一直暴露向过程流的情况下被使用，然而其他的腐蚀测量技术提供在实验室分析中被确定的离线测量。一些技术直接给出金属损耗或腐蚀的测量结果，然而一些技术用于推测可能存在的腐蚀环境。

腐蚀速率指示任何一个过程工厂可以被有用地且安全地操作多长时间。对腐蚀的测量和对高速腐蚀速率的补救行动允许完成最经济有效的工厂操作，同时降低与操作有关的生命周期成本。

以下的列表详述了被用在工业应用中的最常用的腐蚀监测技术。腐蚀试样、电阻(ER)和线性极化电阻(LPR)形成了工业腐蚀监测系统的核心并且在下文中将更加详细地说明。

·腐蚀试样(重量损失测量)

·电阻(ER)

·线性极化电阻(LPR)

·电化学I电势(Galvanic(ZRA)IPotential)

·氢渗透

·微生物

·泥沙/腐蚀

重量损失技术是最有名的且最简单的腐蚀监测技术。该方法包括将材料样品(试样)向过程环境暴露给定时间段，然后取走样品以进行分析。由腐蚀试样所确定的基本测量结果是重量损失。通过腐蚀重量除以材料密度、试样表面积和暴露时间可以计算腐蚀速率。试样监测在腐蚀速率长时间不显著变化的环境中是最有用的。然而，它们可以提供与其他技术相关的有用相关性。

ER探针可以被当作“电子”腐蚀试样。ER探针提供金属损耗的基本测量结果，并且金属损耗的数值在探针处于现场时的任何时候都可以被测量。ER技术测量暴露向过程的正被腐蚀的金属元件的电阻的改变。元件的表面上的腐蚀行为导致了截面积的减小并且相应地导致了元件的电阻的增大。

LPR技术基于电化学理论。小电压被施加到溶剂中的电极。维持特定的电压偏移(典型地是10mV)而所需的电流直接与溶剂中的电极的表面上的腐蚀相关。通过测量电流，可以推测腐蚀速率。LPR技术的优点是瞬间地进行腐蚀速率的测量，然而对于试样或ER而言，需要一段时间的暴露以确定腐蚀速率。LPR技术可以只在清洁透明的电解环境中被执行并且不会在气体中工作。

在很多系统中，腐蚀是一种浪费。腐蚀的影响包括生产率的损失、系统中断、系统故障以及修复时间和花费。防止和监测腐蚀是一种重要的需求。

实用新型内容

为了满足本领域中监测和防止腐蚀的需求，本实用新型提出了一种腐蚀速率测量系统。

腐蚀速率测量系统包括第一材料的第一膜，该第一膜被构造为暴露向腐蚀材料并且响应于腐蚀而偏转。第二膜被构造为暴露向腐蚀材料并且响应于腐蚀而偏转。压力传感器被可操作地联接到第一和第二膜的至少一个并且被构造为根据压力和第一和第二膜的至少一个的腐蚀量来测量第一和第二膜的至少一个的偏转。

通过该腐蚀速率测量系统，能够对腐蚀速率进行测量，从而监测和防止腐蚀。

附图说明

图1是用于测量腐蚀的包括牺牲涂层的压力传感器的侧视图。

图2是被联接到远程密封件以用于测量腐蚀的压差变送器的简化剖视图。

图3是基于压差传感器的电容的放大剖视图。

图4是被构造为测量腐蚀的压差变送器的侧视剖视图。

图5是被联接到细长管的且被构造为基于压力的变化而测量腐蚀的压力变送器的侧视剖视图。

图6A、6B和6C分别是形成在传感模块中的腐蚀传感系统的立体图、侧视剖视图和立体分解图。

图6D是用在图6A-6C的模块中的传感器的立体图。

图7是用于测量腐蚀的环插入件的侧视图。

图8是图7的环插入件的径向剖视图。

具体实施方式

精确地测量腐蚀率出于安全、可靠性和效率的考虑是重要的客户需求。将描述多个实施例。所有的实施例包括一些类型的压力传感器并且在多数情况下是压差传感器。基本概念大部分利用压差传感器技术进行工作。典型地，油填充的压差传感器系统是被低背压下的油填充，例如几psi(每平方英寸磅数)。本文描述的很多实施例使用压差传感器系统，该压差传感器系统被填充有位于例如500至1000psi的内部高背压下的油。高背压油填充的一个优点是允许较大程度地独立于过程压力而进行腐蚀测量，甚至在0过程压力下。另外，压差传感器的高侧膜和低侧膜在过程中总是被放置在相同的位置。因此，外部过程压差总是0。一些实施例基于在高背压下被密封的油填充的容差传感器。一侧上的牺牲隔离膜由于将改变其刚度的腐蚀将损失材料。在另一侧的较厚的基准隔离膜也将损失材料，但是它的刚度改变很少。该传感器系统通过将内部压力平衡到0而做出反应，继而基于压力传感器的而移动电容中心隔膜。测量传感器电容改变有效地测量腐蚀速率。另一实施例使用两个绝对压力传感器或表压力传感器，各个传感器监测两个独立的隔离膜之后的背压。例如一个膜可以是牺牲膜，而另一个膜用作具有与牺牲膜不同的腐蚀特性的基准膜。通过跟踪两侧之间的背压改变，可以确定牺牲膜的腐蚀率。

很多操作者现今以固定的或未计划的间隔在计划修复和维修期间检查腐蚀。芯的技术使得可以使用工厂控制和自动化系统实时地监测腐蚀。这允许在短时间内估测腐蚀，从而能够控制和减轻损坏率。

通过将腐蚀测量包含到自动化系统之中，腐蚀监测更加容易利用其他的过程变量而执行、自动化和观察。该方法比传统的单机系统更加经济有效，需要更少的手动劳动，提供了与系统的更大程度的融合度以记录、控制和优化。

工作操作员期望即使很小量的增大效率和生产率。然而，腐蚀成本是工作操作的几个领域中的一个，其中该腐蚀成本的大改进可能导致相关的成本降低。腐蚀测量可以被认为是初始变量，该变量受过程中的控制和优化的限制。

根据一个实施例，图1是基于两个纯蓝宝石电容压力传感器102、104的腐蚀测量传感器或系统100的侧视图。传感器102被构造为基准传感器。该传感器被设计成基本上不受感兴趣的特定腐蚀剂的影响。该传感器可以是无保护的蓝宝石传感器或带涂层的传感器。传感器104被构造为牺牲传感器。传感器104自身不被腐蚀但是传感器覆盖有牺牲涂层108，该牺牲涂层108易于受特定腐蚀剂的影响。传感器102、104可以具有任何适当构造。一个示例性构造在由弗里克等人于2000年6月27日提出的US6,079,276专利中示出。

涂层108用作膜并且是较硬的构件。例如，如果过程压力是500psi(每平方英寸磅数)，基准传感器102可以指示500psi，而牺牲涂层108可以只指示10psi。随着牺牲涂层108腐蚀并且变得较薄，牺牲传感器104将指示增大的压力。少油的系统100被示出，该系统可使得所有材料经受腐蚀过程，该材料包括用于将传感器102、104安装到壳体(在图1中未示出)的混合金属钎焊。蓝宝石是极度坚硬的，所以牺牲涂层108应该非常厚。系统100也可从基准传感器中提供过程压力，但是感兴趣的信号是两个被测量压力之间的作为腐蚀的测量结果的差值。系统100需要过程压力以产生信号。

图1也示出了测量电路112，该测量电路112被电联接到传感器102、104。测量电路112被构造为确定来自两个传感器102、104的输出之间的差值。例如，传感器102、104的电容之间的差值。该差值与由每一个传感器102、104所感测到的压力之间的差值相关。该压差可与如上所述的牺牲涂层108的腐蚀量相关。输出114被提供为与被测量的腐蚀相关。该输出可以被本地地使用，或者使用已知技术传送到远程位置。此种技术包括在包含无线过程控制回路的过程控制回路上进行传送。过程控制回路的特定类型的示例包括双线4-20mA回路，根据通信协议、现场总线协议而进行通信的回路，以及诸如根据包括IEC62591标准在内的无线通信协议等的无线技术。

根据另一实施例，图2是被构造为腐蚀传感器或测量系统130的压力变送器132的侧视剖视图。变送器132包括压差传感器134，该压差传感器134具有被联接到测量电路136的电输出。在图2中示出的压差传感器134包括隔膜159(在图2中未示出)，该隔膜根据平衡其两侧之间的内部压力而相应地偏转。压力传感器134经由毛细管142和144联接到第一远程密封件140。管142和144可以被填充有例如处于背压下的隔离填充流体。变送器132包括联接到不锈钢法兰148的隔离隔膜146。第二远程密封件150经由毛细管152、154和隔离隔膜156被流体地联接到压力传感器134。毛细管142、152在焊接点157被焊接到法兰148。远程密封件140、150分别包括暴露向腐蚀过程流体的各自的压力敏感膜160、162。膜160、162被构造为响应于施加的外部或内部压力而偏转。膜160、162的偏转量经由它们各自的毛细管142、144、152、154作为压力的改变被流体地传送到压差传感器134。压差传感器134具有诸如电容的电特征，该电容根据所施压的压力的任何不平衡而进行改变。

膜160、162被构造为使得：受向腐蚀流体暴露的影响，膜中的一个(例如牺牲隔膜160)的偏转量响应于所施加的外部或内部压力将以如下的方式发生改变：该偏转量比“基准”膜162的偏转量大。这可以通过任何适当的技术实现。例如，膜160可以是由以比膜162的腐蚀速率快的速率被腐蚀的材料制成的。在另一示例性构造中，膜162大致比膜160厚，但是由相同的材料制成。另一物理特性可以被采用，以实现在腐蚀和传感器对基于平衡内部压力的偏转的响应之间的期望的关系。例如，膜的表面积或直径可以按照需要进行改变。

在图2中示出的腐蚀测量系统130可以基于未受压的系统并且响应于由腐蚀过程流体自身所施加的压力而做出反应。如上所述，在另一示例性构造中，毛细管142、144、152和154在背压下被填充有油填充流体。在此种构造中，过程流体不受压的系统中的腐蚀可以被测量。具体地，膜160响应于所施加的背压而偏转的量将随着膜160被腐蚀而发生改变。

因为压差传感器134的极度敏感性，因此该构造是可行的。传感器的腔体深度(d)在图3中被示意性示出。该深度是范围相关的，但是大约是4蜜耳(0.004英寸)。假定中心隔膜159从0到URL(最大极限范围)的移动量是0.004英寸(约等于10^-4m)。特定传感器的精度规格可以是上述范围的1/10的0.025％。因此，系统可以分辨10^-5m的0.025％(＝0.00025*0.00001＝2.5nm＝中心隔膜159的移动量的25埃(angstrom))。

该计算示出了传感器的精度。然而，感兴趣的计算是与材料损失成比例的油的体积位移。由于偏转的圆形隔膜而发生的体积量改变可以近似于圆柱体的一半＝(1/2)πr²h，其中，r≈1cm＝10^-2m，并且h＝10^-5m。如上所述，该系统可以分辨该体积的0.025％。这等于4x10^-13m³＝4x10^-4mm³。然而，当进行诸如温度效应和长时期稳定性的长时间测量时，应当对其他的误差留出余量。

腐蚀速率经常表现为每年几蜜耳。每年一蜜耳在一个应用中可以被认为是非常优秀的，但是在不同的应用中可能认为是非常严重的。测量的两个关键元素是腐蚀敏感度(由分辨率和电容传感器的稳定性所限定的最小可测量腐蚀速率)和腐蚀范围(由电容传感器的中心隔膜的行程量所限定的可测量腐蚀的最大量)。总体上，一个属性的提高导致其他属性的损耗。

为该设计建模是复杂的，因为薄膜产生卷曲效应。如下示出的简化等式用于解释测量能力和设计权衡(trade-off)。对于一个传感器而言，中心隔膜刚度S_c远小于隔离件刚度S_I，探测到的压差为：

δP = - \frac{3}{2} P (\frac{S_{C}}{S_{I}}) \frac{δt}{t}

等式1

其中，P是背压(内部压力)，δt是由腐蚀所造成的隔离件厚度的改变，并且t是原始隔离件厚度。S_C的值可以由传感器的以往建模而确定并且是范围相关的。

用于夹紧边缘膜的隔离件刚度S_I是

S_{I} = - \frac{32}{3 π} \frac{E}{(1 - v^{2})} \frac{t^{3}}{r^{6}}

等式2

其中，E是具有半径r、厚度t和泊松常数v的隔离件的杨氏模量。

该模型显示了一些已知因数基于牺牲隔离件材料，并且一些变量基于设计权衡量，包括背压、传感器范围、隔离件直径和由于腐蚀而引起的可探测的厚度改变。

例如，对于1英寸直径、0.05英寸厚度、连接到典型传感器的并且被填充有6000psi的背压的碳钢牺牲隔离件而言，隔离件膜厚度的0.001英寸的损失会产生1.44psi的压差，或40英寸的水。这是范围2的250英寸的水的1/6。因此，对于该设计而言，腐蚀范围(可测量腐蚀的最大量)可以大约是0.006英寸。该传感器可以测量40英寸的水，精度为0.02英寸水的0.05％。因此，对于该设计而言，腐蚀敏感度(最小的可测量腐蚀速率)可以是大约0.05％*365天＝0.18天(大约4.4小时)以探测0.001英寸的年度速率。

图4示出了使用压差变送器132的腐蚀测量系统130的另一示例性实施例。如图4所示的实施例的构造与如图2所示的构造类似。然而，在图4的构造中，腐蚀传感(牺牲)膜160和基准膜162被安装在变送器132的法兰170上。在图4的构造中，标准压力变送器132可以被修改为包括腐蚀感测膜160和基准膜162。另外，如果在过程流体流和膜160之间存在空间，那么这可以降低膜160所经历的腐蚀量。例如，如果连接管件被用于将牺牲膜160联接到过程流体流，那么连接件内的流动与过程自身中的过程流体的流动相比是较迟钝的。因此，牺牲膜160可以以较慢的速率被腐蚀，因为其暴露向比过程中的其他部件少的腐蚀过程流体。

图5示出了使用压差变送器132的腐蚀测量系统130的另一示例性实施例。在图5的构造中，细长管180、182被构造为延伸到过程流体中。管180是腐蚀感测管，并且管182是基准管。管180和182优选地分别被填充有插入件184、186。管180、182是中空的并且被填充有可流体地联接到毛细管144、154的过程流体。插入件184、186可以被构造为降低过程流体的量，因此降低由填充流体中的体积改变而引起的温度效应。管180、182可以是任意形状并且不限于圆柱形状。

管180、182的外壁用作一种类型的膜并且在压力的作用下偏转。腐蚀感测管180的壁的厚度比基准管182的厚度小。因此，如果管180、182由相同的材料制成，那么管180、182将以相同的速率被腐蚀。然而，腐蚀感测管180与管182相比随着腐蚀的进行响应于内部压力将更多地偏转。这造成了管180在给定的背压下将比管182对腐蚀更加敏感。管180、182可以由任何适当的材料形成，包括例如碳钢。用于插入件184、186的材料可以视情况而被选择，并且在一些构造中可以被构造为以补偿温度的变化的形式膨胀或收缩。管180、182在焊点190处可以被直接焊接到法兰170。管180、182中的填充流体可以分别直接联接毛细管144、154的填充流体。在另一示例性构造中，可以采用隔离件。

图6A、6B、6C和6D是腐蚀测量系统200的另一示例性构造的视图。图6A、6B、6C分别是系统200的立体图、剖视图和分解图。图6D是示例压力传感器的立体图。

腐蚀测量系统200包括具有变送器主体202的变送器。过程延伸件204被构造为在螺纹206处被安装到例如过程管的过程管道。腐蚀传感(牺牲)膜208和基准膜210被制造在延伸件204上。施加到膜208、210的压力可经由毛细管212和214被流体地联接到过程传感器216、218。从如图6D所示的实施例中可以看出，传感器216接收毛细管212和214之间的压差，然而传感器218只测量由通过毛细管214而传递的表压力或绝对压力。

传感器216、218可以是任何构造。在一个实施例中，传感器216、218包括应变测量仪，该应变测量仪具有根据所施加的压力而改变的电阻。测量电路220测量传感器216、218的与施加的压力相关的电特性。如上所述，该电特性可以与腐蚀感测膜208的腐蚀量相关。测量电路220提供与感测的压力、测量的腐蚀相关的电输出222。

单一的压差传感器216可以被采用或者两个独立的表压力传感器或绝对压力传感器可以被用来确定压差。在如图6A至6D所示的构造中，压力传感器208可以可选地被包含以测量系统的内部背压。传感器218可以被用于补偿温度和线性压力效应。

图6B和6C也示出了分别靠近膜208、210的石英盘230、232。石英(或其它低膨胀率的材料)盘230、232优选地可以被采用以提供由于在毛细管212和214中进行的过程流体(诸如油)的膨胀而引起的热膨胀补偿。

图7和图8示出了腐蚀测量系统240的另一示例性装置。图7是示出放置在过程管244和246之间的法兰环插入件242的侧视图。过程管244和246包括利用垫圈252而被密封到环插入件242的法兰250。这允许装置被插入到使用现存的法兰密封渗透件的过程中。这降低了成本并且需要更少的额外的测量点。此外，例如，通过将额外的压力和温度传感器添加到插入件242，也有效地增强了多变量测量和冗余测量。

图8是系统240的主视图，其示出了被用于执行腐蚀测量的管件。在图8中，环插入件242承载牺牲腐蚀感知管264和基准管266。这些管264、266以与在图5所示的连接中所讨论的方式类似的方式被联接到压力变送器。环插入件242如图7所示被保持在过程管的法兰之间。该构造允许测量经过管的内径的管道的平均腐蚀率。例如，管的底部可以以更快的速度被腐蚀，如果腐蚀流体比其他过程流体密度大的话。

虽然示出的实施例特定地被设计为过程工业，但是它们适用于测量其他工业中的腐蚀。例如，装置可用用于测量诸如桥梁、建筑或船等的任何钢超级结构的腐蚀速率。腐蚀材料可以覆盖在包括诸如喷漆的表面处理物的超级结构材料。

虽然已经参考优选实施例说明了本实用新型，但是本领域的技术人员将意识到在不脱离本实用新型的精神和范围的基础上可以在形式和细节上进行改变。如用在本文中，大量的不同实施例的膜示出为：多个膜中的一个由于以与其他膜的腐蚀速率不同的腐蚀速率进行腐蚀而改变刚度。膜响应于压强和/或腐蚀的偏转可被测量，并且因此可被用于测量腐蚀速率。在一些实施例中，膜的变形造成了腔体改变体积。该体积的改变表现为可由压力传感器而测量的压力的改变。示例的膜包括牺牲涂层、平坦元件、管状元件、囊状物或其他腔体，并且局部覆盖诸如过程管的侧壁等的其他部件的膜。应当注意，压差传感器可被两个绝对压力传感器或表压力传感器替代，诸如压阻传感器或蓝宝石传感器。通过将来自两个绝对压力传感器或表压力传感器进行相减可以确定压差。

Claims

1.一种腐蚀速率测量系统，包括：

第一材料的第一膜，所述第一膜被构造为暴露向腐蚀材料并且响应于腐蚀而偏转；

第二材料的第二膜，所述第二膜被构造为暴露向腐蚀材料并且响应于腐蚀而偏转；

压力传感器，所述压力传感器被可操作地联接到第一和第二膜中的至少一个，并且被构造为根据压力和第一和第二膜中的至少一个的腐蚀量来测量第一和第二膜中的至少一个的偏转。

2.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一和第二材料是相同的。

3.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一和第二材料是不同的。

4.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一和第二材料具有不同的厚度。

5.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一和第二材料具有不同的表面面积。

6.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，包括填充管道的并且联接第一膜与压力传感器的第一流体。

7.根据权利要求6所述的腐蚀速率测量系统，包括填充管道的并且联接第二膜与压力传感器的第二流体。

8.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中压力传感器包括联接到第一和第二膜的压差传感器。

9.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中压力传感器包括可操作地联接到第一膜的第一压力传感器和可操作地联接到第二膜的第二压力传感器。

10.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一膜或第二膜包括覆盖压力传感器的一部分的牺牲涂层。

11.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一膜包括细长的管道。

12.根据权利要求11所述的腐蚀速率测量系统，其中第二膜包括细长的管道。

13.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一和第二膜中的至少一个包括至少部分地包围一腔体的薄膜，其中该腔体的体积根据腐蚀而发生改变。

14.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一和第二膜至少部分地包围各自的第一和第二腔体，其中所述第一和第二腔体的体积根据施加的压力和第一膜的腐蚀中的至少一个而发生改变。

15.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中压力传感器提供与根据所施加的压力而改变的电容相关的输出。

16.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中，内部背压被施加到第一和第二膜中的至少一个。

17.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一膜被承载在与压力传感器间隔开的远程密封件上。

18.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，包括壳体，并且其中第一膜被承载在所述壳体中。

19.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中第一和第二膜被承载在环插入件上，该环插入件适于被安装在过程管道的法兰之间。

20.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，包括过程延伸件，该过程延伸件被构造为延伸到过程流体中，并且其中第一和第二膜被承载在过程延伸件上。

21.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中压力传感器包括应变测量传感器。

22.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其中压力传感器具有根据所施加的压力而改变的电阻。