Применение акустико-эмиссионных систем для мониторинга коррозионной активности стального оборудования
Увеличение межремонтного периода оборудования на объектах нефтегазовой отрасли сегодня является одной из важнейших задач. Одним из методов в данном направлении является внедрение систем мониторинга состояния коррозионной активности. Современное оборудование, применяемое для мониторинга, обладает рядом существенных недостатков. Например, кассеты с образцами-свидетелями позволяют получать ценную информацию о коррозионных процессах, происходящих с оборудованием, только по истечении длительного времени. Коррозиметры, помимо того, что нередко предоставляют некорректную информацию, не позволяют охватывать все проблемное оборудование.
Сегодня наибольший интерес вызывают так называемые датчики акустической эмиссии (ДАЭ, — ред.). Их применение в данный момент времени ограничено контролем дефектов. Установку этих недорогих устройств производят без каких-либо врезок – непосредственно на наружную поверхность, подвергающегося мониторингу оборудования. Их преимущество также заключается в моментальном реагировании на изменения в структуре металла. Такой подход предполагает своевременное принятие соответствующих мер без нежелательных остановов технологических процессов.
Имеющиеся сейчас данные об эффективности ДАЭ основаны на чисто теоретических исследованиях, при которых рассматриваемые поражения развивались со скоростью, превышающей реальные показатели в несколько раз. Рассмотренный ниже пример касается оборудования установок переработки нефти. Скорость коррозии у них составляет от 0,05 до 0,1 г/м2.
В эксперименте в качестве реактивов использовали хлорид, гидрофталат, борат, гидроксид натрия, хлороводородную, борную и лимонную кислоты. Для испытания применяли особые емкости, исключающие взаимный контакт испытуемых образцов. Известно, что основным материалом испытуемого оборудования является сталь 20, поэтому эксперимент ставился именно на этой марке стали. На испытуемые образцы устанавливались ДАЭ, которые передавали сигнал в преобразователь, а тот в свою очередь – на регистрирующую многоканальную систему.
Спровоцировать сигнал с ДАЭ могут следующие процессы:
- растворение металла, а точнее – разрушение его кристаллической решетки под этим воздействием;
- выделение пузырьков водорода под воздействием катодного процесса;
- отслоение от основного металла продуктов коррозии.
Условия, при которых происходят технологические процессы на установках переработки нефти, определяют вещества, отличающиеся коррозионной активностью: растворы солей и хлороводород, конденсирующийся с водой и образующий соляную кислоту.
Для того, чтобы определить основной источник акустической эмиссии, следовало выбрать испытательные среды. Необходимо также, чтобы при получении сигнала с датчика можно было определиться с источником акустической эмиссии.
Исследования показали, что кислотность при значениях от 1 до 4 лучше всего поддерживается буферными растворами, содержащими 30 г/л хлорида натрия. При больших значениях кислотности лучше всего себя показывают боратные растворы.
Проанализировав зависимости, исследователи определили, что удалось получить такую среду, коррозионная активность которой находится в пределах показателей коррозионной активности оборудования. Кроме того, замечено, что значительно снижается коррозия стали в цитратном растворе, которая ниже скорости корродирования в боратном растворе. Скорее всего, такая тенденция зависит от вторичных продуктов, которые образуются данными растворами: аква-комплексы, выделяющиеся из боратных растворов, более подвижны, чем цитратные.
Применив различные среды, исследователям удалось добиться одинаковой скорости коррозионных процессов. Это значительно облегчает задачу по определению источника акустических сигналов. Если сравнивать взаимосвязь кислотности среды и скорость коррозии, то можно выявить ряд закономерностей. В том случае, если скорость коррозии одинакова, а кислотность различна, количество сигналов акустической эмиссии значительно различается. Более четкая зависимость наблюдается между кислотностью и количеством импульсов. Кислотность, в свою очередь, пропорциональна количеству водорода, который выделился при катодной реакции. Данный факт позволяет называть водород главным источником сигналов.
Для окончательного закрепления версии об этом были проведены дополнительные испытания. Образцы с принудительной поляризацией были помещены в раствор 30 г/л хлорида натрия. Анодная поляризация выявила скорость коррозии более 40 мм/год, на поверхности образцов наблюдался внушительный слой продуктов коррозии, периодически покидавших поверхность. При этом удалось зарегистрировать редкие сигналы, активность которых составила менее восьми импульсов в секунду. Катодная поляризация позволила практически полностью подавить коррозионный процесс. При этом отсутствовали продукты коррозии, а выделение водорода активизировалось. Активность импульсов при этом достигла значения в 20 тыс. в секунду. Эти данные полностью подтвердили предположение о том, что водород является основным источников акустических сигналов. Кроме того, можно говорить о том, что реакция ДАЭ на процессы коррозии может нормально протекать в средах, где коррозионный процесс идет совместно с водородной деполяризацией. Такой подход удалось успешно реализовать на линии головного погона атмосферной колонны.
Выходит, что метод акустической эмиссии вполне жизнеспособен для применения его в качестве способа мониторинга коррозионного состояния оборудования.