Способ контроля скорости коррозии металлических объектов

 

Изобретение относится к коррозионным исследованиям материалов, а именно к определению скорости коррозии металлических конструкций в условиях подземной, атмосферной или морской коррозии, и может быть использовано в газовой промышленности при эксплуатации магистральных газопроводов. Способ контроля скорости коррозии заключается в том, что размещают в коррозионной среде контролируемый объект, возбуждают поверхностную электромагнитную волну и судят о скорости коррозии. При этом размещают около по меньшей мере одного из участков контролируемого объекта со стороны, соприкасающейся с коррозионной средой, чувствительный элемент. Возбуждают в этом элементе замедленную электромагнитную волну со смещением энергии магнитного поля в область между чувствительным элементом и поверхностью контролируемого объекта. Измеряют изменение замедления электромагнитной волны, по которому судят о скорости коррозии контролируемого объекта. Кроме того, расстояние между чувствительным элементом и поверхностью контролируемого объекта выбирают меньшим 1/6 длины замедленной электромагнитной волны, возбуждаемой в чувствительном элементе. Причем конфигурацию чувствительного элемента выбирают аналогичной конфигурации контролируемого участка объекта, 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к контролю поверхности металлических сооружений и объектов, и может быть использовано для контроля скорости коррозии этих сооружений и объектов в средах различной степени агрессивности в условиях подземного, атмосферного, морского или речного воздействия.

Известен способ контроля скорости коррозии металлических объектов, заключающийся в том, что из металла, аналогичного тому, из которого выполнен контролируемый объект, изготавливают образец с дискретно изменяющимся сечением и плоской рабочей поверхностью и измеряют сопротивление образца в процессе коррозии, шунтируя каждый из дискретных участков образца элементами с разными сопротивлениями [1].

Недостатками этого способа являются низкая чувствительность и малая точность измерения скорости коррозии металлических объектов.

Известен также способ обнаружения коррозионных разрушений, включающий возбуждение замедленной электромагнитной волны, в поле которой помещают контролируемый объект и измеряют величину затухания замедленной волны, по которому судят о толщине прокорродировавшего слоя металла [2].

Недостатками этого способа являются относительно низкая точность измерений вследствие существенного влияния агрессивной среды на величину затухания поверхностной волны, а также низкая чувствительность измерений из-за больших электродинамических потерь при возбуждении и съеме замедленной волны в контролируемом объекте.

Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля скорости коррозии металлического сооружения, заключающийся в том, что образец из материала сооружения помещают в коррозионную среду, окружающую сооружение, электрически соединяют образец с контролируемым сооружением и изменяют электросопротивление образца, по которому судят о толщине прокорродировавшего слоя материала сооружения [3].

Недостатками этого способа являются низкая чувствительность и точность измерений скорости коррозии вследствие малого измерения величины электросопротивления контролируемого образца и большого влияния на измеряемую величину состояния коррозионной окружающей среды, в частности, ее электропроводности, наличие значительных паразитных токов утечки, а также большие невозвратные затраты на изготовление образцов-свидетелей.

Задачей настоящего изобретения является создание способа контроля скорости коррозии металлических объектов, позволяющего увеличить чувствительность и точность контроля и уменьшить затраты на его осуществление.

Поставленную задачу решают следующим образом: в способе контроля скорости коррозии металлических объектов, заключающемся в том, что металлический контролируемый объект размещают в коррозионной среде, затем со стороны металлического объекта, соприкасающейся с коррозионной средой около по меньшей мере одного из участков контролируемого объекта, устанавливают чувствительный элемент в виде отрезка замедляющей системы, в котором возбуждают замедленную электромагнитную волну со смещением энергии магнитного поля в область между чувствительным элементом и поверхностью контролируемого объекта, измеряют изменение параметра замедления возбужденной электромагнитной волны, по которому судят о скорости коррозии контролируемого объекта. При этом выбирают расстояние между чувствительным элементом и поверхностью контролируемого объекта меньшим 1/6 длины замедленной электромагнитной волны, возбуждаемой в чувствительном элементе.

Кроме того, выбирают конфигурацию чувствительного элемента аналогичной конфигурации контролируемого участка объекта.

Кроме того, выбирают замедление n поверхностной электромагнитной волны из условия n²≥ 0,1(ε-jσ/ωε_o), где ε_o - диэлектрическая проницаемость вакуума; ω - круговая частота; σ - удельная электропроводность коррозионной среды; ε - относительное значение диэлектрической проницаемости коррозионной среды; j - мнимая единица.

На фиг. 1 показана схема взаимного расположения чувствительного элемента (ЧЭ) и контролируемого объекта; на фиг. 2 - электрическая схема одного из вариантов первичного преобразования; на фиг. 3 - схема распределения электрического и магнитного полей при противофазном возбуждении связанных замедляющих систем (ЗС); на фиг. 4 - вариант выполнения плоских связанных замедляющих систем на арифметических спиралях.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Контролируемый металлический объект 1 (фиг. 1) размещают в коррозионной среде 2, например в грунте, и устанавливают около поверхности выбранного участка 3 объекта 1 ЧЭ 4, в котором возбуждают замедленную электромагнитную волну со смещением энергии магнитного поля в область между ЧЭ 4 и контролируемым участком 3. Смещение энергии достигают за счет применения плоских связанных 3C. Измеряя изменение во времени замедления n возбуждаемой волны, вызванное удалением в процессе коррозии проводящей, неподвергающейся коррозии поверхности 5 участка 3, т.е. увеличением расстояния d от поверхности 5 до ЧЭ 4, определяют толщину δ корродирующего слоя 6 и, следовательно, скорость коррозии. Изменение замедления n является информативным параметром, который в зависимости от выбранной схемы первичного преобразования [4] преобразуют либо в изменение резонансной частоты f_p ЧЭ 4, измеряемой, например, с помощью свип-генератора 7, либо преобразуют в частоту f_r генератора 8 (фиг. 2), в цепь обратной связи 9 которого включен ЧЭ 4, представляющий собой отрезок связанных ЗС 10.

При необходимости число контролируемых участков 3 и ЧЭ 4 может быть больше одного. Электронный преобразователь замедления возбуждаемой электромагнитной волны в частоту или другой информационный сигнал может быть установлен либо снаружи, как это показано на фиг. 1, либо вместе с ЧЭ 4 (на чертежах не показано).

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Возбуждаемая в ЗС 10 замедленная электромагнитная волна со смещенной в область между участком 3 контролируемого объекта 1 и ЧЭ 4 энергией магнитного поля практически нечувствительна к диэлектрической проницаемости и электропроводности коррозионной среды 2. Вызвано это указанным выше смещением энергии магнитного поля, которое, в частности, достигается при противофазном возбуждении связанных ЗС 10, оба проводника 11, 12 которой (фиг. 3) являются импедансными и имеют идентичные конфигурации, являющиеся повернутыми на 180^o зеркальными отображениями друг друга [5]. При таком смещении магнитного поля энергия электрического поля концентрируется, в основном, между импедансными проводниками 11, 12 и практически не попадает в находящуюся снаружи от проводников 11, 12 коррозионную среду 2, электропроводность и диэлектрическая проницаемость которой благодаря этому не влияют на величину замедления n возбужденной в 3С 10 электромагнитной волны.

Наличие металлической поверхности 5 контролируемого объекта 1 сопровождается уменьшением замедления n, вызванным наведенным возбуждением на металлической поверхности 5 тока, амплитуда которого приблизительно пропорциональна epx (-2πdn/λ) , а направление противоположно направлению основной составляющей токов в импедансных проводниках 11, 12. Здесь λ - длина волны в свободном пространстве. Возбуждаемый наведенным на поверхности 5 током поток магнитного поля вычитается из магнитного потока, создаваемый самой ЗС 10 и, как показывает расчет [6], подтверждаемый результатами измерений [7] , замедление n уменьшается. Уменьшение заземления n, вызванное уменьшением эквивалентной индуктивности ЗС 10, приблизительно пропорционально . Указанная зависимость вызвана экспоненциальным характером распределения поля около поверхности ЗС 10 и оказывает существенное влияние на чувствительность измерений. Действительно, если зазор d превышает ширину области сосредоточения поверхности волны, определяемую как λ/2πn, то, естественно, чувствительность измерений становится слишком малой.

Как показывает практика измерений зазоров с помощью ЧЭ в виде ЗС на связанных арифметических спиралях (фиг. 4), при внутреннем радиусе r₁=5 мм и внешнем радиусе r₂=30 мм, зазор d порядка 10 мм измеряется с точностью, превышающей 1 мкм. При этом наличие в измеряемой области диэлектрической или полупроводящей среды практически не влияет на результаты измерений [8]. Объясняется это тем, что замедление n в связанных ЗС обычно существенно превышает геометрическое замедление, определяемое отношением длины проводников к длине системы в направлении распространения поверхностной электромагнитной волны [9]. При этом поперечная постоянная τ , характеризующая распределение поля поверхностной волны, практически равна фазовой постоянной β , определяемой соотношением β²= τ²+k²(ε-jσ/ωε_o) , где k = 2πλ - волновое число свободного пространства. Так как замедление n по определению равно отношению β/k , то из приведенного выражения для β видно, что при выполнении условия n² ≥ 0,1(ε-jσ/ωε_o) параметры ε и σ коррозионной среды 2 недостаточны, чтобы повлиять на величину фазовой постоянной β , т.е. повлиять на замедление n поверхностной электромагнитной волны. Сказанное относится и к электродинамическим параметрам прокорродировавшего слоя толщиной δ , являющегося, фактически диэлектриком или высокоомным полупроводником.

Так как конфигурация поверхности контролируемого объекта 1 может быть сложной (цилиндрической, сферической или другой), а зазор d должен выбираться относительно небольшим, то форма проводников ЗС 10 и ЧЭ 4 в целом может иметь конфигурацию, аналогичную конфигурации контролируемого объекта 1.

Возможность решения поставленной задачи подтверждается результатами измерений, приведенных с использованием разработанного лабораторного макета ЧЭ на связанных замедляющих системах.

Исследовалась зависимость частоты от величины зазора между ЧЭ и металлической поверхностью. С помощью микрометрического винта зазор регулировался с точностью ± 2 мкм. Результаты измерений показали, что увеличение зазора на 10 мкм сопровождается изменением частоты генератора на 50 кГц, что подтверждает высокую чувствительность предлагаемого способа. Установка между ЧЭ и металлической пластиной керамической платы с толщиной 0,5 мм и относительной диэлектрической проницаемостью ε =10 не вызывает изменения частоты первичного преобразователя, что свидетельствует об отсутствии влияния коррозионной среды и продуктов коррозии на точность измерений.

Источники информации, принятые во внимание 1. Авторское свидетельство СССР N 323613, кл. F 16 58/00, Би N 1, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР N 1822952, кл. C 01 22/01, В.И. Шаталов и др. Способ обнаружения коррозионных разрушений. Би N 23, 1993.

3. Авторское свидетельство СССР 1376008, кл. C 01 17/00. Н.П. Глазов и др. Способ контроля скорости коррозии металлического сооружения, Би N 7, 1988.

4. Пчельников Ю.Н., Анненков В.В., Елизаров А.А., Фадеев А.В. Первичные измерительные преобразователи на замедляющих системах. Измерительная техника.-1994, N 5, с. 22.

5. Пчельников Ю.Н. Исследование связанных замедляющих систем для повышения эффективности устройство СВЧ. Современные методы исследования и разработки приборов и устройств электронной техники. Межвузовский тематический сборник.-1984. М.: МЭИ, N 46, с. 40.

6. Пчельников Ю. Н. Сравнительная оценка затухания в СВЧ-элементах на спиральной замедляющей системе. Радиотехника и Электроника.-1987, т. 32, N 7, с. 1432.

7. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Радиоволновые методы измерений с использованием замедляющих систем. Метрология.-1994, N 8, с. 20.

8. Амельянец А.М. Первичные измерительные преобразователи линейных перемещений на основе электродинамических замедляющих структур. Автореферат диссер. на соиск. ученой степени канд. тех. наук. М., 1988.

9. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А., Миловская Л.А. Параметры радиальных резонаторов на связанных спиралях. Электронная техника.- Сер. 1 СВЧ-техника. -1992, N 8, с. 26.

Формула изобретения

1. Способ контроля скорости коррозии металлических объектов, заключающийся в том, что металлический объект размещают в коррозионной среде, со стороны металлического объекта, соприкасающейся с коррозионной средой, устанавливают чувствительный элемент и судят о скорости коррозии металлического объекта, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполняют в виде отрезка замедляющей системы и возбуждают в нем замедленную электромагнитную волну λ со смещением энергии магнитного поля в область между чувствительным элементом и поверхностью металлического объекта для возбуждения в ней тока, при этом чувствительный элемент устанавливают по меньшей мере около одного из участков металлического объекта на расстоянии 1/6λ от него и измеряют изменение замедления возбуждаемой электромагнитной волны, а о скорости коррозии металлического объекта судят по этому изменению замедления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что конфигурацию чувствительного элемента выбирают аналогичную конфигурации соответствующего участка металлического объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4