Волоконно-оптические датчики контроля коррозии трубопроводов


PDF версия

Задача диагностики состояния газопроводов весьма актуальна для России. В статье на примере волоконно-оптических датчиков FOX-TEK, используемых для измерения толщины стенок трубопроводов, показан способ решения задачи контроля коррозии. Объединение датчиков в сеть с приборами для мониторинга позволяет осуществлять такой контроль дистанционно.


Введение

Правила безопасной эксплуатации газопровода требуют, чтобы скорость коррозии не превышала значения 0,05 мм/год. При ее превышении эксплуатирующая организация должна принять меры по снижению коррозии или провести ремонт. Несмотря на то, что для измерения скорости коррозии существует много проверенных технологий (например, коррозионные образцы и пробы электропроводности), большинство из них позволяет измерить коррозионную активность газа, а не изменения в стенках газопровода. Поскольку эти методы лишь косвенно определяют коррозию газопровода, точность измерений зависит от многих факторов. 
В статье рассматриваются методы, сочетающие использование сверхчувствительных неинтрузивных волоконно-оптических датчиков FT для измерения толщины стенок с сетевыми приборами контроля и со спутниковым или телефонным модемом. Такая система позволяет осуществлять непрерывный дистанционный контроль процесса коррозии в газопроводах на всем их протяжении.
В описываемой системе используются датчики FT, которые можно рассматривать как оптические тензодатчики, а также соответствующие приборы контроля для обнаружения малейших изменений толщины стенок, происходящих под воздействием коррозии. Система неинтрузивна и позволяет производить все измерения на внешней поверхности труб.
Деформация внешней поверхности труб или резервуаров, находящихся под давлением, обратно пропорциональна толщине их стенок. Сопоставление информации с датчиков, а также величины температуры и давления позволяет точно измерить, насколько истончились стенки трубы или резервуара.

Принцип работы

Принцип работы датчика основан на интерференции низкокогерентного света [1, 2]. Датчики изготовлены на основе стандартного одномодового оптического волокна. Небольшой диаметр гибкого волокна позволяет изготовить датчики требуемой конфигурации для отслеживания разных процессов, в т.ч. коррозии и изгиба труб.
В отличие от датчиков заказной конфигурации, датчики FT в виде катушки (см. рис. 1) подходят для большинства приложений. Минимальное измеряемое смещение — от 15 мкм. Это позволяет, при достаточной длине чувствительного элемента датчика, определять деформации ±1500 µε на 10 м измеряемой длины. Длина чувствительного элемента тензодатчика и его конфигурация выбираются на этапе планирования проекта с учетом выполняемых задач.

Рис. 1. Датчик FT

Обычно для вычисления степени коррозионного износа стенок трубы требуется информация от трех датчиков FT. Основной датчик, находящийся на исследуемом участке, передает данные о деформации, которые зависят от диаметра трубы, толщины ее стенок и температуры поверхности. Сигналы двух вспомогательных датчиков позволяют системе компенсировать составляющую, вызванную изменением температуры и давления в процессе работы, и выделить полезный сигнал. Измеренное значение деформации заданного участка с учетом компенсации обратно пропорционально толщине стенки в соответствии с уравнением (1):

ε = PD(1 – ν)/(Et),   (1)

 

где ε — деформация; P — внутреннее давление; D — диаметр трубы; ν — коэффициент Пуассона; E — модуль Юнга; t — толщина стенки.
В силу того, что внутренний процесс коррозии протекает очень медленно, иногда приходится собирать данные в течение месяца и более, чтобы отделить сигнал, указывающий на истончение стенок, от фоновых сигналов.
Сигналы оптических датчиков FT обрабатываются одним из двух приборов. Прибор FT 3405 предназначен в основном для непрерывного мониторинга и питается от сети переменного тока. Прибор FT 3410 питается от аккумулятора, более компактен и используется для периодического мониторинга в полевых условиях.
Функция программирования прибора FT 3405 позволяет составить расписание автоматического сканирования всех используемых датчиков FT. Собранные данные сохраняются в энергонезависимой памяти. Это позволяет уменьшить рабочее время, гарантирует непрерывный и последовательный поток надежных данных, а также обеспечивают сбор большего количества информации. 
Несколько приборов 3405 можно объединить в сеть и подключить к единой системе передачи данных, благодаря чему компания может ежедневно получать информацию прямо в офисы, что сводит к минимуму выезды на места.

Пример применения

Для проверки состояния труб эксплуатант газопровода использовал коррозионные образцы. Несмотря на вполне удовлетворительные результаты, было принято решение определить степень истончения труб с помощью точных измерений. Было вскрыто два участка и в нескольких местах проведено ультразвуковое сканирование.
Все данные, собранные с помощью датчиковой системы на газопроводе (см. рис. 2), были проанализированы программой компании DMAT (Database Management and Analysis Tool — средство анализа и управления базами данных). Эта программа работает с оборудованием FOX-TEK, моделируя реальные процессы, и выдает отчеты.

Рис. 2. Схема передачи данных

Давление в газопроводе меняется во время работы. Для того чтобы учесть эти флуктуации, поступающие данные усредняются за двухчасовой период. В дальнейшем, для исключения случайных отклонений, анализ отношения величины деформации стенок к эталонному значению деформации под давлением проводится за недельный интервал. Для упрощения задачи представления данных рассчитывается также их среднемесячное значение. 
Показания эталонных датчиков, с которых снимается сигнал о давлении, и датчиков, следящих за состоянием стенок, зависят также от механических деформаций, вызванных изменением температуры. Построенные программой DMAT модели позволяют скорректировать данные таким образом, что на графике отображаются только полезные сигналы, которые указывают на истончение стенок (см. рис. 3).
При исключении увязки между совокупной деформацией, давлением и температурой получается график текущих значений толщины стенок (см. рис. 4).

Рис. 3. График, на котором представлены необработанные данные и показания датчиков давления с температурной компенсацией
Рис. 4. Типичный график зависимости толщины стенок от времени, полученный с помощью одного датчика

На рисунке 5 показаны сводные ежемесячные данные, полученные с датчиков FT. В таблице 1 представлены краткосрочные (последние два месяца), среднесрочные (три месяца) и долгосрочные (с начала мониторинга) тенденции истончения труб. Значения, помеченные как xxx, не представляют статистической ценности.

Рис. 5. Усредненные показания толщины стенок
Таблица 1. Тенденции истончения стенок труб

 

 

Текущее значение (10–3)

Тенденции истончения стенок труб (10–3/год)

Датчик

Толщина

±

Краткосрочный период

±

3 мес.

±

Долгосрочный период

±

S7 (10-дюйм. линия)

494

4

5,5

0,1

2,7

0,0

2,1

0,0

S8 (10-дюйм. линия)

0,5

0,0

2,3

1,7

S15 (10-дюйм. линия)

490

3

3,0

XXX

XXX

За четыре месяца сбора данных наилучшее линейное приближение текущего показателя истончения стенок, усредненное по датчикам, составляет примерно 0,003 см/год. Это значение скорости коррозии меньше измеряемой чувствительности системы, равной 0,005 см.

Область применения и преимущества

Помимо технических достоинств, мониторинг коррозии с помощью системы датчиков FOX-TEK обладает следующими значительными ценовыми преимуществами:
– быстрый доступ к данным о коррозии на труднодоступных участках;
– более надежные данные на основе прямых измерений толщины стенок;
– более совершенная запись результатов осмотра благодаря поддержке надежной интерактивной базы данных;
– снижение трудовых затрат, связанных с проведением осмотра;
– более продолжительная эксплуатация благодаря точной оценке конца срока службы;
– повышение надежности эксплуатации и снижение риска аварии.
Система FOX-TEK широко применяется для мониторинга процесса коррозии на многих типах газопроводов и особенно хороша для отслеживания типичных процессов истончения стенок. Благодаря возможности подключения сотовой или спутниковой связи для передачи данных от приборов контроля датчиков, а также их способности работать от автономных источников питания система FOX-TEK помогает контролировать состояние газопроводов в отдаленных и труднодоступных местах. В результате экономятся средства, необходимые для сбора и отправки техперсонала в отдаленные регионы, и в то же время улучшается качество собранных данных о состоянии газопровода.

Литература
1. Morison, W. D., Cherpillod, T., Al-Taie, I., Mutairi, S., «Solving Common Corrosion Problems with Non-Intrusive Fiber Optic Corrosion Monitoring Sensors», Proceedings of the 11th Middle East Corrosion Conference & Exhibition, Bahrain, 2006.
2. Tennyson, R. C., Morison, W. D., Miesner, T., «Pipeline Integrity Assessment Using Fiber Optic Sensors», Proceedings of the ASCE Pipeline 2005 Conference, Houston, TX, Aug 2005, Paper #9149.
3. http://process.sensorsmag.com/sensorsprocess/Feature+Articles/Fiber-Optic-Sensors-for-Corrosion-Monitoring/ArticleStand­ard/Article/detail/466160?contextCategoryId=34852.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *