RU156021U1

RU156021U1 - CORROSION SPEED SENSOR OF CORROSION MONITORING SYSTEM

Info

Publication number: RU156021U1
Application number: RU2015123698/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Геннадьевич Кулаков; Анатолий Иванович Логвинов; Алексей Алексеевич Енин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Завод газовой аппаратуры "НС"
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2015-10-27

Abstract

Сенсор скорости коррозии системы коррозионного мониторинга, содержащий блок чувствительных элементов, состоящий из несущего корпуса и расположенных в нем параллельно и изолированно друг от друга одинаковых пластин, изготовленных из того же материала, что и металлическое сооружение, подсоединенных проводниками через печатную плату к одной из частей герметичного разъемного соединения, содержащего энергонезависимую микросхему памяти, отличающийся тем, что в блоке чувствительных элементов размещены всего две пластины, одна из которых изолирована от исследуемой среды защитной оболочкой и служит контрольной пластиной, а другая полностью или частично помещена в исследуемую среду и служит рабочей пластиной, причем защитная оболочка контрольной пластины создает в блоке чувствительных элементов герметичное диэлектрическое, химически инертное, но теплопроводное уплотнение.The corrosion rate sensor of the corrosion monitoring system, comprising a block of sensitive elements, consisting of a bearing body and identical plates located in parallel and isolated from each other, made of the same material as a metal structure, connected by conductors through a printed circuit board to one of the parts of the sealed a detachable connection containing a non-volatile memory chip, characterized in that in the block of sensitive elements there are only two plates, one of which it is gilded from the test medium with a protective shell and serves as a control plate, while the other is completely or partially placed in the test medium and serves as a working plate, and the protective shell of the control plate creates a tight dielectric, chemically inert, but heat-conducting seal in the block of sensitive elements.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model relates.

Полезная модель относится к сенсорам скорости коррозии и предназначена для систем коррозионного мониторинга и защиты металлических сооружений от коррозии.The invention relates to corrosion rate sensors and is intended for corrosion monitoring systems and protection of metal structures from corrosion.

Уровень техникиState of the art

Существует относительно широкий ассортимент устройств для коррозионного мониторинга. В основу их работы, как правило, положены методы неразрушающего контроля. Современная классификация этих методов включает около девяти видов: электрический (резистометрический), магнитный, вихревотоковый, радиоволновой, тепловой, визуально-измерительный, радиационный, акустический и с проникающими веществами. Однако количество средств для оперативного измерения скорости коррозии с быстрым откликом (в режиме реального времени) весьма ограничено.There is a relatively wide range of corrosion monitoring devices. Their work, as a rule, is based on non-destructive testing methods. The current classification of these methods includes about nine types: electrical (resistometric), magnetic, eddy current, radio wave, thermal, visual measurement, radiation, acoustic and with penetrating substances. However, the number of tools for the rapid measurement of the corrosion rate with a quick response (in real time) is very limited.

Известно устройство на основе микровесов из кристалла кварца, которое измеряет коррозионную скорость через изменения в резонансной частоте пьезоэлектрического кристалла кварца покрытого тонким металлическим слоем, т.к. резонансная частота является функцией массы кристалла [ASTM В 808-97, Standard test method for monitoring of atmospheric corrosion chambers by quartz crystal microbalances, ASTM International, WestConshohocken, USA 2003.]. Это устройство работает на основе оценки массового коэффициента изменения металлического покрытия и может применяться даже в «мягких» условиях коррозионной среды, например в атмосферном воздухе. Точные кварцевые весы могут быть использованы для почти безошибочного определения коррозионной убыли массы. Недостатком известного устройства является то, что оно одинаково чувствительно к любым массовым изменениям, т.е. как к образованию продуктов коррозии, так и к налипанию пыли, различных загрязняющих веществ, в том числе воды. Кроме того, количество воды адсорбированной на поверхности зависит от относительной влажности среды, шероховатости металлической пленки. Эти факторы ограничивают применение известного устройства.A device based on microbalances from a quartz crystal is known, which measures the corrosion rate through changes in the resonance frequency of a piezoelectric quartz crystal coated with a thin metal layer, because resonant frequency is a function of crystal mass [ASTM 808-97, Standard test method for monitoring of atmospheric corrosion chambers by quartz crystal microbalances, ASTM International, WestConshohocken, USA 2003.]. This device operates on the basis of estimating the mass coefficient of change of a metal coating and can be used even in “mild” conditions of a corrosive environment, for example, in atmospheric air. Accurate quartz scales can be used to determine the error-free corrosion loss in an almost error-free manner. A disadvantage of the known device is that it is equally sensitive to any mass changes, i.e. both to the formation of corrosion products, and to the adherence of dust, various pollutants, including water. In addition, the amount of water adsorbed on the surface depends on the relative humidity of the medium, the roughness of the metal film. These factors limit the use of the known device.

Известно устройство ультразвукового контроля коррозионного состояния металлических структур [Wireless network uses ultrasonic sensors to monitor for corrosion // Materials Performance NACE International, 2011, Vol. 50, No. 3, P. 14-15]. Устройство работает за счет создания акустической волны, которая распространяется в исследуемом материале и анализируется при отражении (возвращении). Точность в полевых условиях, как правило, ограничивается несколькими сотнями микрометров и может быть улучшена в лабораторных условиях [Т. Prosek, N. Le Bozec, D. Thierry, Application of automated corrosion sensors for monitoring the rate of corrosion during accelerated corrosion tests // Materials and Corrosion 2014, Vol. 65, No. 5. P. 448]. Недостатком известного устройства является то, что оно проявляет чувствительность к ультразвуковым свойствам конкретных продуктов коррозии.A device for ultrasonic monitoring of the corrosion state of metal structures is known [Wireless network uses ultrasonic sensors to monitor for corrosion // Materials Performance NACE International, 2011, Vol. 50, No. 3, P. 14-15]. The device works by creating an acoustic wave that propagates in the material being studied and is analyzed during reflection (return). Field accuracy is generally limited to a few hundred micrometers and can be improved in the laboratory [T. Prosek, N. Le Bozec, D. Thierry, Application of automated corrosion sensors for monitoring the rate of corrosion during accelerated corrosion tests // Materials and Corrosion 2014, Vol. 65, No. 5. P. 448]. A disadvantage of the known device is that it exhibits sensitivity to the ultrasonic properties of specific corrosion products.

В коррозионном мониторинге хорошо зарекомендовали себя системы на основе электрорезистивных датчиков в основном благодаря простоте конструкции и высокой точности, так как они обнаруживают даже самые малые изменения сопротивления, а, следовательно, и самые малые колебания скорости коррозии.Systems based on electroresistive sensors have proven themselves in corrosion monitoring mainly due to the simplicity of design and high accuracy, since they detect even the smallest changes in resistance, and, consequently, the smallest fluctuations in the corrosion rate.

Близкой по технической сути является система автоматического мониторинга коррозии «CorrSem» («Impact Technologies, a Sikorsky Innovations Company», USA) [http://www.impact-tek.com/Aerospace/Structures.html] содержащая подключаемый к резистивному сенсору коррозии и другим чувствительным элементам электронный блок-анализатор (ЭБА) для сбора, обработки, анализа и хранения данных в микросхеме памяти, которая содержится в этом блоке. Известная система «CorrSem» предназначена для работы в течение нескольких лет от двух АА-размера элементов аккумуляторной батареи за счет использования ЭБА с низким энергопотреблением и интеллектуальных режимов сна. В течении срока службы производятся непрерывные высокоточные измерения скорости коррозии методами зондирования электрического сопротивления, электрохимического шума и электрохимического импеданса, которые обрабатываются, фиксируются и выводятся на дисплей ЭБА. Недостаток устройства состоит в том что АЭБ должен быть подключен к сенсору либо непрерывно, либо если его необходимо отключить и подключить к другому сенсору в другом измерительном пункте, то все показания с предыдущего сенсора надо предварительно записывать на бумагу или другой носитель, что несет неудобства и снижение точности.Close in technical essence is the CorrSem automatic corrosion monitoring system (Impact Technologies, a Sikorsky Innovations Company, USA) [http://www.impact-tek.com/Aerospace/Structures.html] containing a corrosion sensor connected to a resistive sensor and other sensitive elements, an electronic block analyzer (EBA) for collecting, processing, analyzing and storing data in a memory microcircuit, which is contained in this block. The well-known CorrSem system is designed to operate for several years from two AA-sized battery cells through the use of low-power electronic devices and intelligent sleep modes. During the service life, continuous high-precision measurements of the corrosion rate are made by sensing electrical resistance, electrochemical noise and electrochemical impedance, which are processed, recorded and displayed on the electronic display. The disadvantage of this device is that the AEB must be connected to the sensor either continuously, or if it must be disconnected and connected to another sensor in another measuring point, then all readings from the previous sensor must be pre-recorded on paper or other media, which inconvenience and decrease accuracy.

Наиболее близким по технической сути является устройство контроля коррозионного состояния подземного металлического сооружения [Патент РФ на изобретение №2359251]. Устройство содержит блок чувствительных элементов (индикаторов скорости коррозии) с энергонезависимой микросхемой памяти (ЭМП). Блок чувствительных элементов включает расположенные параллельно прямоугольные пластины, изготовленные из тою же металла, что и контролируемое металлическое сооружение. Пластины заключены в герметизирующий корпус из токонепроводящего материала и изолированы друг от друга. Пластины электрически соединены с контрольными проводниками, выходящими на штырьевое разъемное соединение, в котором установлена плата с ЭМП. Выводы ЭМП соединены печатными проводниками со штырями разъемного соединения, для обмена данными с портативным ЭБА и подачи питания на микросхему. ЭМП содержит данные о толщине и количестве пластин блока чувствительных элементов и его идентификационный номер. При коррозионной перфорации внешней пластины, контактирующей с грунтом, через продукты коррозии образуется контакт с фунтом изначально изолированной от него следующей пластиной, которая также становится подвержена коррозионным процессам. Далее коррозионный процесс распространяется в глубину устройства до следующей пластины. Зная толщину и количество пластин, подвергающихся коррозионному разрушению, можно определить глубину коррозии, а если известен период времени, за который прямоугольные пластины были подвергнуты коррозионному разрушению, можно вычислить скорость коррозионного процесса. Портативный ЭБА каждый раз при подключении к блоку чувствительных элементов считывает данные с ЭМП, а затем подключается к пластинам и измеряет величину электрического сопротивления между каждой пластиной и грунтом. Затем он заносит результаты измерений в ЭМП, обрабатывает их и выводит на экран величину скорости коррозии. Таким образом, блок чувствительных элементов имеет простую конструкцию, служащую для эффективного мониторинга коррозии. Важной особенностью устройства, дающей ему преимущества перед аналогами, является наличие интегрированной непосредственно в блок чувствительных элементов микросхемы памяти, так как это дает возможность измерять скорость коррозии и просматривать все предыдущие показания каждого блока чувствительных элементов с помощью любого совместимого портативного ЭБА, который может быть подключен в любой момент времени, например при проведении плановой проверки контрольно-измерительных пунктов нефтегазопроводов. Недостатком известного устройства является его дискретность измерения и отсутствие возможности определения скорости коррозии до тех пор пока не скорродирует хотя бы одна пластина блока чувствительных элементов. В условиях сухих и низкокислотных грунтов процесс корродирования одной пластины может длится годами, что обуславливает невысокую информативность устройства. Кроме того, устройство не предназначено для применения в токонепроводящей среде, например в газообразной.The closest in technical essence is a device for monitoring the corrosion state of an underground metal structure [RF Patent for the invention No. 2359251]. The device contains a block of sensitive elements (indicators of corrosion rate) with a non-volatile memory chip (EMF). The block of sensitive elements includes parallel rectangular plates made of the same metal as the controlled metal structure. The plates are enclosed in a sealing case of non-conductive material and are isolated from each other. The plates are electrically connected to the control conductors leading to a detachable pin connection, in which a board with EMF is installed. The EMF leads are connected by printed conductors with pins of a detachable connection, for data exchange with a portable electronic control unit and for supplying power to the microcircuit. EMF contains data on the thickness and number of plates of the block of sensitive elements and its identification number. In case of corrosion perforation of the external plate in contact with the soil, through corrosion products, contact with a pound of the next plate, which is initially isolated from it, is formed, which also becomes susceptible to corrosion processes. Further, the corrosion process extends into the depth of the device to the next plate. Knowing the thickness and number of plates subjected to corrosion damage, it is possible to determine the depth of corrosion, and if the period of time for which the rectangular plates were subjected to corrosion damage is known, the speed of the corrosion process can be calculated. Each time, when connected to a block of sensing elements, a portable EBA reads data from an EMF, and then connects to the plates and measures the electrical resistance between each plate and the soil. Then he enters the measurement results in the EMF, processes them and displays the value of the corrosion rate. Thus, the sensor unit has a simple structure, which is used for effective corrosion monitoring. An important feature of the device, which gives it advantages over analogs, is the presence of a memory microcircuit integrated directly into the sensitive element block, since this makes it possible to measure the corrosion rate and view all previous readings of each sensitive element block using any compatible portable electronic control unit that can be connected to any moment in time, for example, during a scheduled inspection of control and measuring points of oil and gas pipelines. A disadvantage of the known device is its discreteness of measurement and the inability to determine the corrosion rate until at least one plate of the block of sensitive elements is corroded. In conditions of dry and low acid soils, the process of corroding one plate can last for years, which leads to low information content of the device. In addition, the device is not intended for use in a non-conductive medium, such as gaseous.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Техническим результатом полезной модели является повышение информативности измерений и универсальности применения устройства.The technical result of the utility model is to increase the information content of measurements and the versatility of the device.

Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом сенсоре скорости коррозии системы коррозионного мониторинга, содержащем блок чувствительных элементов, состоящий из несущего корпуса и расположенных в нем параллельно и изолированно друг от друга одинаковых пластин, изготовленных из того же материала, что и металлическое сооружение, подсоединенных проводниками через печатную плату к одной из частей разъемного соединения, содержащего энергонезависимую микросхему памяти, согласно полезной модели, в блоке чувствительных элементов размещены всего две пластины, одна из которых изолирована от исследуемой среды защитной оболочкой и служит контрольной пластиной, а другая полностью или частично помещена в исследуемую среду и служит рабочей пластиной, при чем защитная оболочка контрольной пластины создает в блоке чувствительных элементов герметичное, диэлектрическое, химически инертное, теплопроводное уплотнение.The technical result is achieved due to the fact that in the proposed corrosion rate sensor, a corrosion monitoring system containing a block of sensitive elements, consisting of a supporting body and identical plates made in parallel and isolated from each other, made of the same material as a metal structure, connected by conductors through a printed circuit board to one of the parts of a detachable connection containing a non-volatile memory chip, according to a utility model, in the block is sensitive x elements there are only two plates, one of which is isolated from the test medium by a protective sheath and serves as a control plate, and the other is completely or partially placed in the studied medium and serves as a work plate, and the protective sheath of the control plate creates a sealed, dielectric in the block of sensitive elements, chemically inert, heat-conducting seal.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Полезная модель поясняется чертежом на фиг., где дана принципиальная схема сенсора скорости коррозии системы коррозионного мониторинга: 1 - несущий корпус, 2 - исследуемая среда, 3 - рабочая пластина, 4 - разъемное соединение с энергонезависимой микросхемой памяти (микросхема на фиг. не показана), 5 - защитная оболочка, 6 -контрольная пластина, 7 - печатная плата, 8 - проводники.The utility model is illustrated by the drawing in Fig., Where a schematic diagram of the corrosion rate sensor of the corrosion monitoring system is given: 1 - load-bearing housing, 2 - test medium, 3 - working plate, 4 - detachable connection with a non-volatile memory microcircuit (the microcircuit in Fig. Is not shown) 5 - a protective shell, 6 - a control plate, 7 - a printed circuit board, 8 - conductors.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Принцип работы полезной модели состоит в следующем. Для проведения коррозионного мониторинга блок чувствительных элементов в несущем корпусе 1 помещается в исследуемую среду 2. При этом рабочая пластина 3 полностью или частично оказывается в непосредственном контакте с исследуемой средой 2. Разъемное соединение 4 может находится как в исследуемой среде 2, так и в любой другой комфортной для проведения измерений среде. За счет герметичной, диэлектрической и химически инертной защитной оболочки 5 контрольная пластина 6, в отличие от рабочей пластины 3 не подвержена коррозионным процессам и служит лишь эталоном для определения поправки на температуру β при расчетах. Через некоторое время с момента размещения блока чувствительных элементов в исследуемой среде 2, зависящее от теплопроводности защитной оболочки 5 контрольной пластины 6, между рабочей пластиной 3 и контрольной пластиной 6 устанавливается тепловое равновесие. После этого к разъемному соединению 4 подключается аналитическое устройство (на фиг. не показано), которое начинает работу по заложенной в него программе. Сначала аналитическое устройство производит инициализацию сенсора скорости коррозии системы коррозионного мониторинга и записывает дату и время инициализации t₀ в энергонезависимую микросхему памяти, расположенную в герметичном разъемном соединении 4. Далее аналитическое устройство независимо измеряет сопротивление рабочей пластины 3 и контрольной пластины 6 (соответственно R_раб и R_кон) за счет соединения обеспечиваемого печатной платой 7 и проводниками 8. Затем из микросхемы энергонезависимой памяти аналитическое устройство запрашивает другие исходные данные: начальное сопротивление пластин при нормальных условиях R₀, площадь сечения пластин S₀, удельное сопротивление материала ρ, из которого изготовлены пластины. Далее, согласно физико-математическому выражению, учитывающему данные как из микросхемы энергонезависимой памяти, так и полученные в ходе измерения, последовательно вычисляются: поправка на температуру рабочей среды β=f(R_кон,R₀), сечение S=f(R_раб,ρ,β) рабочей пластины 3, изменение сечения ΔS=S₀-S рабочей пластины 3, скорость коррозии υ=f(ΔS,t₀). Значение υ в единицах длины на единицу времени выводится на дисплей аналитического устройства. Полученные в ходе эксплуатации значения υ сохраняются в микросхеме энергонезависимой памяти, благодаря чему они остаются доступны для анализа и считывания все последующие циклы измерений.The principle of operation of the utility model is as follows. To carry out corrosion monitoring, the block of sensitive elements in the bearing housing 1 is placed in the test medium 2. In this case, the working plate 3 is fully or partially in direct contact with the test medium 2. The detachable connection 4 can be located either in the test medium 2 or in any other comfortable environment for measurements. Due to the tight, dielectric and chemically inert protective sheath 5, the control plate 6, in contrast to the working plate 3 is not susceptible to corrosion processes and serves only as a reference for determining the correction for temperature β in the calculations. After some time from the moment of placement of the block of sensitive elements in the test medium 2, depending on the thermal conductivity of the protective shell 5 of the control plate 6, thermal equilibrium is established between the working plate 3 and the control plate 6. After that, an analytical device (not shown) is connected to the plug-in connection 4, which starts working according to the program laid down in it. First, the analytical device initializes the corrosion rate sensor of the corrosion monitoring system and writes the initialization date and time t ₀ to a non-volatile memory chip located in a sealed detachable connection 4. Further, the analytical device independently measures the resistance of the working plate 3 and the control plate 6 (respectively R _slave and R _con ) due to the connection provided by the printed circuit board 7 and the conductors 8. Then, from the non-volatile memory chip, the analytical device is locked It sews other initial data: the initial resistance of the plates under normal conditions R ₀ , the cross-sectional area of the plates S ₀ , the specific resistance of the material ρ from which the plates are made. Further, according to a physical and mathematical expression that takes into account data from both a non-volatile memory microcircuit and obtained during the measurement, they are sequentially calculated: correction for the temperature of the working medium β = f (R _con , R ₀ ), section S = f (R _slave , ρ, β) of the working plate 3, the change in the section ΔS = S ₀ -S of the working plate 3, the corrosion rate υ = f (ΔS, t ₀ ). The value of υ in units of length per unit time is displayed on the analytical device. The υ values obtained during operation are stored in a non-volatile memory microcircuit, so that they remain available for analysis and reading all subsequent measurement cycles.

Таким образом, если в устройстве-прототипе принцип измерения скорости коррозии основывался на постепенном проникновении сквозь блок чувствительных элементов вызывающих коррозию веществ и дискретном обновлении входных данных для расчета скорости коррозии, то в предлагаемом устройстве основной принцип является резистометрическим, вследствие чего соответствующим образом изменено и назначение пластин блока чувствительных элементов, при чем скорость коррозии в предлагаемом устройстве измеряется не дискретно, а непрерывно и в любой среде, за счет чего достигается заявленный технический результат.Thus, if in the prototype device the principle of measuring the corrosion rate was based on the gradual penetration of corrosive substances through the sensor block and discrete updating of the input data for calculating the corrosion rate, then in the proposed device the basic principle is resistometric, as a result the purpose of the plates is accordingly changed block of sensitive elements, and the corrosion rate in the proposed device is not measured discretely, but continuously and at any time de, thereby achieving the stated technical result.

Claims

The corrosion rate sensor of the corrosion monitoring system, comprising a block of sensitive elements, consisting of a bearing body and identical plates located in parallel and isolated from each other, made of the same material as a metal structure, connected by conductors through a printed circuit board to one of the parts of the sealed a detachable connection containing a non-volatile memory chip, characterized in that in the block of sensitive elements there are only two plates, one of which it is gilded from the test medium with a protective shell and serves as a control plate, while the other is completely or partially placed in the test medium and serves as a working plate, and the protective shell of the control plate creates a tight dielectric, chemically inert, but heat-conducting seal in the block of sensitive elements.