автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно-физических методов

На правах рукописи

Пастухов Юрий Викторович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОЙ КОРРОЗИИ С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 НАР 2014

005545603

Волгоград-2014

005545603

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» Министерства образования и науки РФ.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Муха Юрий Петрович.

Официальные оппоненты: Фомичев Валерий Тарасович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», кафедра «Общей и прикладной химии», заведующий;

Чернов Александр Викторович,

доктор технических наук, профессор, Волгодонский инженерно- технический институт - филиал ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»», и.о. проректора по координации и развитию деятельности филиалов НИЯУ МИФИ в г. Волгодонске.

Ведущая организация ФГАОУ ВПО «Волгоградский государственный

университет», г. Волгоград.

Защита состоится « 18 » апреля 2014 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.028.05, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, Волгоград, пр. им. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан: « » февраля 2014 г.

Учёный- секретарь диссертационного совета

Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Представленная работа является результатом многолетних исследований по недостаточно проработанной и важной с научной и прикладной точек зрения проблеме. Эту проблему можно охарактеризовать, как оценка коррозионных потерь, условий и возможностей их снижения. Коррозионные потери особенно значимы в процессе эксплуатации гидротехнических сооружений, объектов химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Определение параметров процесса промышленной коррозии усугубляется многообразием условий и механизма её протекания. Оперативное решение задач по сохранению ресурса оборудования, защите от разрушения промышленных объектов и уменьшения экологической нагрузки на среду обитания человека требует представительную и достоверную информацию о коррозионном процессе в реальном масштабе времени. Развитие и расширение научных знаний по проблеме измерения коррозии в промышленности имеет важное значение: для создания теоретической базы, построения различных измерительных преобразователей и создания вариантов информационно-измерительных систем на их основе.

Исходя из изложенного диссертационное исследование является актуальным.

Степень разработанности темы. Разработаны механические методы измерения коррозии, не зависящие от влияющих факторов и механизма её протекания. Эти методы позволяют проводить прямые измерения коррозионных потерь, но они не оперативны (не обнаруживают наличие процесса коррозии). Другие известные методы обладают быстродействием (электрохимические методы), но не отображают реальный коррозионный процесс. Их зависимость от других факторов не позволяет получать в промышленных условиях достоверную информацию о коррозии. Датчики коррозии не представительны, корреляция между коррозией материала оборудования и коррозией датчика не всегда корректна. Известные решения с применением радионуклидов (обеспечена представительность образцами-свидетелями из материала оборудования) из-за несовершенства изготовления датчиков (высокая погрешность, снижение чувствительности во времени, недостаточный ресурс и др.) также не нашли широкого применения в промышленности. Низкая точность измерений и недостаточная чувствительность обусловлены неравномерностью распределения, введённого радионуклида (несовершенство способа введения) в образце-свидетеле, или его малым периодом полураспада.

Известными авторами работ по определению коррозии (Константинов И. О., Малухин В. В., Дембровский М. А., Торопчинов А. Н., Тихонов Г. М., Schaschl Е, Litter R. L.) не ставилась задача исследовать механизм преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины, не выявлялись влияющие параметры.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка технологии, способов и устройств определения параметров процесса промышленной коррозии с заданными метрологическими характеристиками, и ресурсом

измерительного преобразователя, соизмеримым с ожидаемым пробегом химико-технологической системы.

Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:

1. Анализ методов и средств определения коррозии и выбор приемлемых решений1;

2. Разработка схемы преобразования значений измеряемого параметра -значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии - первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины;

3. Исследование механизма и разработка алгоритма преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины, проведение метрологических исследований измерительной системы;

4. Разработка технического решения по введению в материал образца-свидетеля долгоживущего радионуклида "Со;

5. Разработка технических решений для уменьшения погрешностей результатов преобразования значений измеряемого параметра: от изменений элементов измерительной системы, флуктуаций параметров коррозионной среды и геометрического фактора;

6. Разработка структурно-блочной схемы информационно-измерительной системы определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно-физических методов;

7. Изготовление образцов-свидетелей (первичных измерительных преобразователей) с радионуклидом 267°Со и проведение экспериментальной проверки определения коррозии в промышленных условиях.

Научная новизна работы.

1. Синтезирована схема и алгоритм преобразования значений измеряемого параметра-значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии - первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины;

2. Исследован механизм преобразования значений измеряемой величины (в радиационной части измерительной системы) и выявлены влияющие параметры: период полураспада радионуклида, толщина образца-свидетеля и стенки оборудования, плотность коррозионной среды и толщина её слоя, геометрический фактор (расстояние от образца-свидетеля до детектора) отрицательно влияющие на метрологические характеристики (точность, чувствительность и ресурс) первичного измерительного преобразователя и измерительной системы;

3. Разработано оригинальное техническое решение-получение радионуклида 27 Со в материале образца-свидетеля из изотопа "Ре, входящего в естественную смесь изотопов железа, составляющих основу материала образцов-свидетелей;

1

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Сидельниковой О. П. за творческое руководство (в радиационной части работы) и всестороннюю поддержку в процессе сбора материалов, написании диссертации и подготовке ев к защите.

4. Разработано решение, снижающее влияние, на результаты преобразования значений измеряемого параметра, от уменьшения толщины образца-свидетеля, стенки оборудования и от флуктуации плотности коррозионной среды, и толщины её слоя;

5. Разработано техническое решение, снижающее влияние на результаты преобразования значений измеряемого параметра, от флуктуации геометрического

фактора (расстояние от образца-свидетеля до детектора);

В результатах экспериментов определения коррозии в промышленных условиях по образцам-свидетелям с радионуклидной меткой:

• выявлены «залповые» скорости коррозии в технологических установках первичной переработки нефти;

•сформулировано новое понятие «Спектр значений скоростей коррозии» и предложен подход к его анализу и обработке.

Теоретическая и практическая значимость работы. Выявлена «тонкая структура» (радиационной части измерительной системы) механизма преобразования значений измеряемого параметра-значений массы образца-свидетеля через радионуклидную метку в значения выходной величины-интенсивность электрических импульсов. Полученные знания позволили разработать подробную схему преобразования значений измеряемого параметра, сформировать алгоритм и структуру информационно-измерительной системы, выявить и исследовать влияющие параметры.

Разработан способ получения образцов-свидетелей (измерительных преобразователей) с радионуклидом "Со, генетически связанным с равномерно распределённым (естественным образом в материале образца-свидетеля) ЦРе, входящем в естественную смесь изотопов железа, составляющих основу материала образцов-свидетелей.

Предложено решение (выбор диапазона амплитудного спектра) для уменьшения погрешности (от флуктуации параметров коррозионной среды) результатов преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины.

Найдено решение по выбору оптимальной геометрии измерения для минимизации суммарной погрешности от флуктуации геометрического фактора (расстояние от образца-свидетеля до детектора) и статистического разброса числа зарегистрированных импульсов. Изготовлены образцы-свидетели с радионуклидом ¡°Со (полученным из изотопа ЦРе), проведена экспериментальная проверка определения коррозии на установке первичной переработки нефти АВТ-4, снижена скорость коррозии более чем в 40 раз. Непрерывный контроль позволил в течение 900 суток поддерживать значение скорости коррозии в технологической установке на уровне 0,06 мм в год. В процессе проведения экспериментов в промышленности выявлены и измерены «залповые» значения скоростей коррозии, сформулировано понятие «Спектр значений скоростей коррозии» и предложен подход к его анализу и обработке.

Методология и методы исследования. Для разработки и развития схемы преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины -значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии) через радионуклидную метку в

5

значения интенсивности электрических импульсов применялись методы структурного и системного анализа. Для разработки технических решений применялись методы: идеализации, АРИЗ, ТРИЗ, формализации, экспериментальные и метод моделирования. Для линейной аппроксимации выбранных участков (экспериментальных точек) и оценки параметров зависимости значений выходной величины от времени, и получения значений скоростей коррозии применяли метод наименьших квадратов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Схема, механизм и алгоритм преобразования значений измеряемого параметра - массы образца-свидетеля (датчика коррозии - первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины;

2. Получение в материале образца-свидетеля (первичном измерительном преобразователе) долгоживущего радионуклида "Со из изотопа Цре;

3. Выбор измеряемого диапазона энергетического (амплитудного) спектра гамма-квантов для уменьшения погрешности, результатов преобразования значений измеряемого параметра, от уменьшения толщины образца-свидетеля, стенки оборудования и флуктуации плотности и толщины слоя коррозионной среды;

4. Решение по выбору оптимальной геометрии измерения для минимизации суммарной погрешности результатов преобразования значений измеряемого параметра от флуктуации геометрического фактора и статистического разброса числа зарегистрированных импульсов выходной величины;

5. Структурно-блочная схема информационно-измерительной системы определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно-физических методов;

6. Результаты коррозионных испытаний в промышленных условиях (продолжительностью более 3-х лет):

•выявлены и измерены «залповые» значения скоростей коррозии;

• сформулировано понятие «Спекгр значений скоростей коррозии» и предложен подход к его анализу и обработке.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», по п. 6 - «Исследование возможностей и путей совершенствования, существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов определяется сравнением получаемых данных с результатами измерений, полученных гравиметрическим методом измерения коррозии (многократно ранее апробированным) и с результатами, полученными другими авторами. Сопоставлением результатов экспериментов с результатами, полученными расчётным путём. Исследованные механизмы преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной

величины и механизмы возникновения погрешностей не противоречат физике рассматриваемых процессов. По разработанному техническому решению изготовлены образцы-свидетели с радионуклидом „Со и проведены промышленные испытания метода и устройств определения коррозии в технологических установках химических и нефтеперерабатывающих производств (на 11 промышленных предприятиях).

Подтверждены теоретические расчёты экспериментом. Для проверки гипотез и технических решений применялись экспериментальные методы, для исследования механизма преобразования метод моделирования. Результаты диссертационного исследования докладывались: на научных семинарах на кафедре «Вычислительная техника» ВолгГТУ; на областных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях; на семинарах и школах по обмену передовым опытом (Волгоград 1977г., 1978г., 1981г., 2007-2013г.г., Черкассы 1978 г., Киев 1988г., Ленинград 1988г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 авторских свидетельств СССР.

Личный вклад автора Автором разработано и исследовано: схема, механизм и алгоритм преобразования значений измеряемого параметра; структурно-блочная схема информационно-измерительной системы; технические решения: по введению в образец-свидетель долгоживущего радионуклида (5), [3]; для расширения возможностей информационно-измерительной системы [4]; по уменьшению погрешностей результатов преобразования: выбор оптимального порога интегральной дискриминации амплитудного (энергетического) спектра (Рисунок 4); выбор оптимальной геометрии измерения (10) интенсивности У -квантов (Рисунок 5).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы. Общий объем составляет 100 страниц, включая 26 рисунков и графиков. Список литературы содержит 100 наименований цитируемых работ отечественных и зарубежных авторов.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована её цель, перечислены основные задачи исследования, указывается метод и направление исследования, научная новизна, значимость полученных научных и практических результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассмотрены и проанализированы проблемы коррозии, известные методы и средства контроля и испытаний коррозии (механические, электрохимиические, электрические, электромагнитные, ультразвуковые, методы с применением радионуклидов и др.). Одни из указанных методов, хотя и обладают достоинством прямого измерения коррозионных потерь (механические методы), не оперативны. Другие известные методы обладают быстродействием (электрохимические методы), но их зависимость от других факторов не позволяет получать в промышленных условиях достоверную и представительную информацию о коррозии. Известные решения с применением радионуклидов из-за несовершенства применяемых

датчиков (разброс параметров, снижение чувствительности во времени, ограниченный ресурс) также не нашли широкого применения в промышленности.

Отсутствие эффективного способа определения коррозии, безотказно и с достаточной точностью, позволяющего проводить коррозионные измерения в промышленности, отслеживая как, короткие «залповые» (от нескольких минут до часа) значения скорости коррозии, так и продолжительные (от нескольких часов до суток), не создаёт условий, не только безаварийного использования возможностей технологического оборудования, но и сохранения его ресурса, особенно когда на переработку поступают высококоррозионные, токсичные и взрывопожароопасные технологические среды. Наиболее перспективным, отмечен метод с применением радионуклидов.

Во второй главе разработана схема преобразования значений измеряемого параметра - значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии - первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины. Проведён анализ последовательности преобразований значения измеряемого параметра в значение выходной величины.

Для определения коррозии материала оборудования в технологических средах, применяют образцы-свидетели, изготовленные из материала аппаратов или трубопроводов технологической установки, с предварительно введённым радионуклидом "Л.

Образцы-свидетели (после введения в них заданного количества радионуклида) известной массы т(обр.св.) помещают в коррозионную среду в выбранные места технологической установки (Рисунок 1).

Измерение текущего значения плотности потока У -квантов (интенсивности выходной величины /(/)), отображающего текущее значение (массы т(обр.св.)) измеряемого параметра образца-свидетеля 1 проводят радиометром, детектор 2, которого, установлен на наружной стенке 4 технологического аппарата или трубопровода.

Образец - свидетель 1 является первичным измерительным преобразователем, значение массы его материала преобразуется в значение активности радионуклидов, распределённых в нём.

Передача от образца-свидетеля 1, установленного в коррозионной среде (в аппарате или трубопроводе технологической установки) значений измеряемого параметра, отображённых в результате последовательных преобразований в нем, осуществляется дистанционно (потоком У -квантов) к сцин-тилляционному детектору 2.

держащего радионуклиды) в трубопровод через специальное шлюзовое устройство: 1-образец-свидетель содержащий радионуклиды; 2-детектор гамма-излучения; 3-шток для крепления образца-свидетеля; 4-технологический трубопровод; 5-задвижка; 6-уплотнение сальниковое.

т(обр.св.) т(Ге) т(Ре-58)

1 " 1 ' Т

щ (с1) т(0 6(0

tga=Aб/Дt, ^а~Ат/А(

Рисунок 2-Струкгурная схема преобразования измеряемого параметра в выходную величину

Рассмотрим последовательность преобразований значения измеряемого параметра в выходную величину (Рисунок 2).

1. Измеряемый параметр — значение массы образца-свидетеля из материала известного химического состава (например, сталь 20) преобразуется: через концентрацию (долю железа (!5'82"Л) в образце-свидетеле) в значение массы химического элемента "'™Ре - естественной смеси изотопов железа; через концентрацию К2 (долю изотопа "Ре в естественной смеси изотопов железа) в значение массы атомов изотопа £Ре; через число Авогадро в число атомов изотопа Цре.

2. Часть атомов изотопа \\Ре преобразуется, через эффект активации его ядер тепловыми нейтронами, в число ядер (атомов) радионуклида ЦРе.

3. Число ядер радионуклида Цре преобразуется: через постоянную распада, в значение активности образца-свидетеля; через квантовый выход в значение первичного потока У -квантов; в результате взаимодействия первичного потока У -квантов с веществом технологической среды, материалом образца-свидетеля и стенкой технологического оборудования (через фотоэффект, Комптон-эффект и эффект образования пар) преобразуется в значение вторичного потока У -квантов; через геометрический фактор (расстояние К от образца-свидетеля до детектора) преобразуется в значение плотности потока У -квантов.

4. Значение плотности потока У -квантов, в результате взаимодействия с веществом сцингиллятора преобразуется в значение последовательности световых импульсов (сцинтилляций). После (в фотоумножителе) через коэффициент передачи и коэффициент преобразования в значение последовательности фотоэлектронов (первичный электронный импульс). Значение последовательности фотоэлектронов(через коэффициент усиления фотоумножителя) преобразуется в значение последовательности потоков электронов. Далее в значение последовательности токовых импульсов и в значение последовательности импульсов напряжения (амплитудный спектр импульсов). Значение последовательности импульсов напряжения преобразуется в значение последовательности, выделенного диапазона амплитудного спектра. Значение последовательности, выделенного диапазона амплитудного спектра (через постоянную времени) преобразуется в значение её интенсивности.

5. Значение интенсивности импульсов напряжения преобразуется, через градуировочный коэффициент, в значение измеряемого параметра.

6. Текущие значения измеряемого параметра преобразуются (через линейную аппроксимацию выбранных участков экспериментальной зависимости измеряемого параметра от времени) в значения скорости коррозии.

7. Значения скорости коррозии и другие параметры процесса коррозии передаются на различные уровни.

В третьей главе исследован механизм и разработан алгоритм преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины, проведены

метрологические исследования информационно-измерительной системы и снижен эффект влияющих параметров на результаты преобразований.

Преобразование значения массы т(обр.св.) образца-свидетеля, через концентрацию Кх химического элемента "'"¡¡Ре и концентрацию К2 изотопа ¡¡Ре, в значение массы т изотопа ¡¡Ре,

[1т(обр.св.) ± Дт{обр.св.)] *К1*Кг= т(Цре) ± Ат{Цре) (1)

Ядерные преобразования значения массы т(ЦРе): через массовое число А, активируемого изотопа и число Авогадро через эффект активации ядер ¡'Ре (сечение активации а^акт.) и время активации ¡¿акт.)) тепловыми нейтронами (плотностью потока Ф, =1,2*1013н*см~2с~1), через радиоактивный распад (постоянная распада Л, и продолжительность распада г), в число N ядер радионуклида ¡¡Ре,

[т(обр.св.) ± Ат(обр.св.)] *К,*К2* ^ * [с, (акт.) * Ф, {1 - ехр(-\1х (яюя.))}] *

* ехр(-Л,/) = [ЩЦРе) - ДЛГЛ $ Л)] ± (» Ре). (2)

Уменьшение числа ядер ¡¡Ре (за счёт их распада с течением времени) приводит к снижению интенсивности выходной величины /(О, повышается её погрешность (3), снижается чувствительность (4) преобразования измеряемого параметра и снижается ресурс образца-свидетеля (Рисунок 3):

8 = . 1 5 =-!/(()=—ехр(-Л)

р(-Л/)г (3) От <1т , (4),

Период полураспада (Т1/2) радионуклида, входящий в постоянную распада А, совместно с фактором времени г определяют влияющий параметр, который приводит к снижению (во времени) метрологических характеристик первичного преобразователя и измерительной системы.

По причине радиоактивного распада "Ре чувствительность образца-свидетеля с радионуклидом "Ре за 154 дня снижается в 10 раз, а погрешность возрастает в 10 раз за 309 суток. Очевидно то, что недостаточный период полураспада радионуклида ¡¡Ре (ТУ1 = 46,5с>та) не позволяет иметь заданные метрологические параметры измерительной системы для определения коррозии в течение всего пробега технологической установки (от 1 до 3 лет).

Для введения в материал образца-свидетеля радионуклида с достаточным периодом полураспада и равномерно распределённым в нём разработано техническое решение и защищено Авт. св. СССР № 1603261, заключающееся в преобразовании ядер изотопа ¡¡Ре в ядра радионуклида ¡¡Со с периодом полураспада Тт =1924суш. и квантовым выходом п - 2 5

ЦРе(п, у)ЦРе -» ¡¡Ре(Т1П = 46,5сут) 1'Шэ8(5б%) -> ¡¡Со

26 Г 26 26 41/2 1,29А/эе(44%) 27 (5)

1,ЗЗА/эв(1 00%)

Значительный период полураспада радионуклида "Со и высокий квантовый выход позволят проводить измерения с заданной точностью, повышенными значениями чувствительности и ресурса (до 10 лет) образца-свидетеля.

Получаем радионуклид "Со в _=__

образце-свидетеле через активацию изото- ^«д««™«*» па в потоке

(Ф2 = 1,2 * 10" н * см'1 с-1) Рисун0К 3"3ависимость погрешности и чувствительности первичного измерительного тепловых нейтронов, радиоактивный преобразовании (с

радионуклидами

распад образовавшегося радионуклида Кобальт-60 и железо-59) от продолжи-ЦРе и повторную активацию, полученных тельности коррозионных испытаний в результате распада Цре, стабильных ядер изотопа "Со. С учетом распада "Со,

[т(обр.св.)± Ат(обр.св.)]*К1*К2 *—-^^-—*[ет1(акт.)*Ф2{ 1 -ехр(-^2(окот.))}]*

А(г-ат16Р)

* {1 - ехр(-Л,/(лр.))} * \а2 (акт.) *Ф2{ 1 - ехр(-Я211 (акт.)))] * ехр(-Л20 = (6)

= [^Со)-АЛГл(5СО)]±ДЛГ-(5СО).

За время 1 год выходная величина Щ) снижается всего лишь на 13%.

В результате радиационных преобразований: через постоянную распада , 0,693 „

Л = ——; квантовый выход п = 2; через взаимодействие первичного потока /-квантов

с материалом образца-свидетеля, с коррозионной средой и стенкой технологического оборудования (фотоэффект, Комптон-эффекг и эффект образования пар) получаем вторичный поток /-квантов ф2

[т(обр.св.)±Ат(обр.св.)]*К1 *К2 * *[сг,(акт.)*Фг{\-ехр(-Ц2(акт.))}]*

А(г-ат161<) (7)

* {1 - ехр (-^(пр.))} * [стг (акт.) *Ф2{ 1 - ехр(-^} (акт.))}] * ехр(-Л2Г) *Лг*п*

* В(Е, г, ц, (р ± Др), V ± А^)) * ехр(-м(р + Др)(Л ± М)) =

= [ф2-Аф2(Щ±Аф2" ±Аф2(Ар,Ас1).

Уменьшение толщины образца-свидетеля и стенки технологического оборудования, флуктуации плотности и толщины (±Др и ±Ай) коррозионной среды вызывают изменения значений выходной величины /(г), не отображающие изменения значений измеряемого параметра.

Для уменьшения погрешности, вызванной (в основном) изменением плотности р и (или) толщины ¿1 коррозионной среды (через изменения поглощения и рассеяния

первичных у-квантов) необходимо, уменьшение (в результате поглощения) числа регистрируемых /-квантов (последовательности электрических импульсов области полного поглощения) первичного потока ф] компенсировать увеличением числа регистрируемых рассеянных /-квантов (последовательности электрических импульсов области рассеяния) вторичного потока ф2. Это достигается подбором порога й интегральной дискриминации амплитудного (энергетического) спектра (Рисунок 4),

позволяющего выделить (для регистрации интенсивности /(/)) стабильную площадь диапазона спектра (диапазон «сообщающихся сосудов»), тем самым стабилизировать измеряемую интенсивность 1(1) при допустимых изменениях параметров (+Др и ±Дс/)

м, в™ технологической среды.

Рисунок 4-Амплитудный (энергетический)

спектр потока У -квантов В реальных условиях возможна регистрация (от образца-свидетеля) некоторой доли потока /-квантов и зависит от объёма детектора, его эффективности е и геометрического фактора (расстояния Я от образца-свидетеля до детектора).

В условиях эксплуатации технологической установки расстояние Я может изменяться в некоторых пределах ± А К (вибрации и перемещения за счёт темпе-ратурных расширений элементов конструкций технологического оборудования) определяя влияющий параметр, тогда

[,т{обр.св.) ± Ат(обр.св.)] * К,* Кг* — 58 - * [с, (акт) *Ф2{1 - ехр(-Ц2 (ш.))}] *

А(г-ат^Г)

* {1 - ехр(-А,/(ир.))} * [а2 (акт.) *Ф2{1- ехр(-Л2Г3 (акт.))}] * ехр(-Л2() *Л2*п*

1

*

В(Е, г, ц, (р ± Ар), (с! ± М)) * ехр(-р(р ± Др)(с1 ± М)) * -

(В)

4яг(Я ± ДЯ)2 = [<р- А<р(Щ ± Дсрт ± А<р(Ар, М) + Ар(Я,АЯ). Погрешность определения значений измеряемого параметра от флуктуации геометрического фактора,

_(9)

(К + АХ)2

Анализ выражения (9) показывает, что при постоянном значении АЯ, погрешность Ат(Я,±АЯ) снижается с увеличением Я . В то же время, с увеличением Я

'"О Г г 1 1 ч

Д т. = — —(—г—-т)'

' — л _ 4 п2 / п \ п\2 '

I 1С

снижается в точке детектирования интенсивность I у-квантов (I = ) и приводит

Я

к увеличению погрешности —==.

V/ т

Очевидно, что для совокупности начальных условий (10,1^,±АК), существует значение К0„„ (расстояние от детектора до образца-свидетеля) для которого Дтя + Ат, = (Рисунок 5),

(Ю)

* ЧшишштМ \--------------

"■¡¡И

I

Рисунок 5 - Погрешность измерения текущего значения массы (толщины) образца-свидетеля (в процессе В коррозионных испытаний), вызванная нестабильностью геометрии измерения

расстояние к от образца-свидетеля до детектора, с

В объём детектора вместе с потоком срЛИ (с1 -диаметр и А -высота детектора) /-квантов, отображающим значение массы образца-свидетеля, попадает поток <РФ„№ /-квантов фонового излучения (не отображающий значение измеряемо-го параметра), В результате взаимодействия суммарного потока (<рЛк + (рфтЛ?1) с

веществом сцинтиллятора (через его эффективность е) возникает последовательность Ис{х,т,г) световых импульсов (сцинтилляций), тогда

[{[т(обр.св.) ± Ат(обр.св.)]*К1*К2*- 5- * [а, {акт) * Ф2 {1 - ехр(-Л1!2 (акт.))}}*

л{г-ат26Р)

* {1 - ехр(-А/(яр.))} * [о-2(акт.) *Ф2{ 1 - ехр(-Х21ъ{акт.))}]* ехр(-Я2/) * А, * п* (1 1}

* В(Е, 1,м,(р± АР), (Л + АЛ)) * ехр{~р(р ± Ар)(Л ± АЛ)) * --I--} + <рфС11]*ЛИе =

4я-(й±ДЯ)

= - ANC (Щ ±Шст±АИс {Ар, АЛ) ± АЫС {Я, АД) + ANC (<рфм).

Последовательность сцинтилляций Ыс, полученная в результате взаимодействия суммарного потока {<рЛк+<рфжЛК) с веществом сцинтиллятора, поступает (через коэффициент передачи кж) в фотоэлектронный умножитель и преобразуется через фотоэффект (фотоэмиссия электронов) и коэффициент преобразования к„сф в последовательность фотоэлектронов (первичный электронный импульс) Ыфэ. Последовательность первичных электронных импульсов Ыфэ через коэффициент усиления куф фотоумножителя преобразуется в последовательность потоков электронов Ыэ. Из-за наличия темнового тока фотоэлектронного умножителя М3 дополнительно

содержит потоки электронов N^, не отображающие значение измеряемого параметра (потоки электронов N" обусловлены внутренними процессами фотоэлектронного умножителя). Далее последовательность потоков электронов N3 преобразуется: в импульсы тока N, фотоумножителя, достаточные для дальнейшего их усиления радиотехнической схемой с преобразованием в последовательность импульсов напряжения Nv. Последовательности N (в зависимости от их интенсивности l{t) и разрешающего времени тР элементов измерительной системы) могут снижать свои значения (просчёт импульсов).

Из последовательности Ny, ранжированных по амплитуде импульсов напряжения, выделяется интегральной дискриминацией (заданной порогом d) диапазон Nvj. Сумма импульсов выделенной последовательности Л^, через постоянную времени т, преобразуется в значение интенсивности (импульсов напряжения) I(t)±Ql(t)r 1т), отображающее значение измеряемого параметра m{i),

У = О0

IЩ*.

{(NcKX^n^)+Nf)f(ky)nkll)^i—/r}k{TP)f(i,tP)=m (12)

S jV(0)v

v-0

После введения поправок (на разрешающее время, фон и темновой ток), получим значения интенсивностей: 1пип\ от корродирующего образца-свидетеля; Imn от образцового измерительного преобразователя, защищённого от коррозии,

1(0/к(тр,1)-(1ф +11г) = 1„фр (О (13)

При начальном условии t — tQ :

• 1 - /

пфр пфр

уу, — ГЦ • —fi ' Т "Ш * _ T 0U"

гп пип 1 — гп оип >и пип 1 ~ и шп ■> 1 пфр ~ 1 г

(14)

1 пфр 1 ( * ) = m пип 1 (О = б тп , (О

при t = t,: I™ (О m ою (О бот (О , (15)

f*\ _ т оип г пип 1 ( f\ б (t} = - 0U" TnU" (t}

тоип 'пфр СО "пипЛЧ J0im 1пфР \Ч

Т0ГДа ¡Пфр > 1пфр ■ (16)

Для получения значений скорости коррозии для выбранных участков экспериментальной зависимости б пш 1 ( ? )» ТП пш х {t ) аппроксимируем их

прямыми линиями и определяем для каждого участка тангенс угла наклона,

А б , .

Щ а — д С лш ' г°о ) методом наименьших квадратов.

В четвёртой главе синтезирована структурно-блочная схема информационно-измерительной системы определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно-физических методов.

Структуру информационно-измерительной системы составляют следующие элементы (Рисунок 6):

1. Первичные измерительные преобразователи (ПИП - образцы-свидетели): ПИП 1 и ПИП 2 (теряют массу в процессе коррозии), преобразующие значение массы образца-свидетеля в значение первичного потока Ф, у -квантов; измерительный преобразователь сравнения (ИПС) идентичный ПИП 1, но защшцённый от коррозионного воздействия среды (масса образца-свидетеля ОИП постоянна), необходимый для сокращения коэффициентов от влияющих параметров (входящих в уравнение измерения в виде сомножителей) через отношение значений выходных величин, отображающих значения масс ПИП 1 и ОИП; измерительный преобразователь (ИПРМ) с радиоактивной меткой (индицирует полную коррозию образца-свидетеля ИПРМ известной толщины в результате его разрушения (Авт. св. СССР № 1753374)) необходимый для проведения периодической автоматической поверки информационно-измерительной системы;

2. Коррозионная среда (КС), вызывает коррозию: ПИП 1; ПИП 2; ИПРМ;

3. Стенка (С) технологического оборудования (аппарат, трубопровод), уменьшается её толщина в результате коррозии;

4. Детекторы сцинтилляционные (Д), преобразующие поток р-квантов в последовательность сцинтилляций;

5. Фотоэлектронные умножители (Ф), преобразующие последовательность сцинтилляций в последовательность импульсов тока;

6. Устройства усиления и формирования импульсов (УФИ), преобразующие последовательность импульсов тока в последовательность импульсов напряжения;

7. Коммутатор (К) реализующий опрос УФИ;

8. Устройство амплитудного отбора (УАО) импульсов напряжения, позволяет выделять заданный диапазон амплитудного спектра;

9. Устройство накопления и обработки импульсов напряжения (УНО), преобразует последовательности импульсов напряжения в их интенсивности, отображающие значения измеряемых параметров-значения масс (последовательно в соответствии с опросом УФИ): ПИП 1; ПИП 2; ОИП. УНО индицирует момент разрушения (отделение радиоактивной метки) ИПРМ для автоматической поверки ИИС;

Рисунок 6-Структурно-блочная схема информационно-измерительной системы

17

10. Блок индикации и регистрации (БИР) - отображает и регистрирует значение выходной величины - значение интенсивности импульсов напряжения;

11. Счётно-решающее устройство (ЭВМ) с формируемой базой данных-цринимает, обрабатывает, накапливает и передаёт информацию на блок управления (БУ) и блок распределения и передачи информации (БРПИ);

12. Блок управления (БУ) - по командам ЭВМ формирует управляющие сигналы:

• системе защиты (СЗКО) оборудования технологической установки откоррозии: управление подачей нейтрализатора (Н); ингибитора (И); католита (К); корректировка параметров технологического процесса (ПТП); оптимизация уровня и соотношений факторов, в том числе экономического, методом математического планирования эксперимента;

• системе удаления отложений (в средах и условиях, способствующих образованию отложений на корродирующих поверхностях) и коррозионной защиты (СУО и КЗ ПИП) ПИП, для «выключения» одного из ПИП (ПИП 1 или ПИП 2) при переходе в другой измеряемый диапазон скоростей коррозии;

13. Блок распределения и передачи информации (БРПИ);

14. Уровни передачи значений параметров процесса промышленной коррозии:

а) операторная технологической установки - визуальный контроль коррозионной ситуации и динамики процесса; б) отдел главного технолога-упреждающая защита от коррозии смежных технологических установок; в) отдел главного механика-планирование затрат на текущий и капитальный ремонт; г) отдел технического надзора-планирование осмотров оборудования, прогноз его ресурса; д) служба экологии-прогноз экологической ситуации, упреждающая защита окружающей среды; е) муниципальная структура- выработка экономических решений, снижающих отрицательные воздействия промышленности на окружающую среду, среду обитания человека и основные фонды.

15. Для учёта температурной зависимости блоков (Д, Ф и УФИ-находятся в условиях зима-лето -20°С -/- +40° С) установлены датчики температуры (1), опрашиваемые коммутатором (К) с передачей значений температуры, через вторичный прибор (ВПТ) на обработку в ЭВМ, с последующей корректировкой выходной величины ИИС;

16.Толщиномер (б„Т) стенки технологического оборудования для проведения (в идентичных условиях: температура, напряжение питания) периодической автоматической поверки ИИС.

В пятой главе приведены результаты экспериментов по определению коррозии в промышленных условиях. Метод и устройство (с применением образцов-свидетелей, содержащих £ Со, полученных по разработанному техническому решению)

реализованные на установке первичной переработки нефти АВТ-4, позволили оперативно корректировать защиту от коррозии, и снизить её скорость в 41,7 раза.

На протяжении 900 суток (непрерывного контроля) значение скорости коррозии удавалось поддерживать на уровне 0,06 мм в год. В процессе проведения экспериментов выявлены залповые и широкий спектр значений скоростей коррозии, в дальнейшем подтверждены в других технологических установках. Предложена методика анализа структуры коррозионных потерь (анализ спектра значений скоростей коррозии) и гипотеза о динамике спектра.

Значения измеряемого параметра, на выбранных участках зависимостей т(1) и <з(г), полученные в эксперименте, обрабатывались методом наименьших квадратов (проводилась линейная аппроксимация). Погрешность, при скорости коррозии 2,8 мм в год, составляла ±6%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведён анализ методов и средств определения коррозии, выбраны наиболее приемлемые решения.

2. Разработана схема преобразования значений измеряемого параметра -значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии - первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины;

3. Исследован механизм и разработан алгоритм преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины, проведены метрологические исследования измерительной системы;

4. Разработано техническое решение (Авт. св. СССР № 1603261) по введению в материал образца-свидетеля долгоживущего радионуклида 267°Со;

5. Разработаны технические решения для уменьшения погрешностей результатов преобразования значений измеряемого параметра от уменьшения толщины образца-свидетеля, стенки технологического аппарата и флуктуаций параметров коррозионной среды, и геометрического фактора;

6. Разработана структурно-блочная схема информационно-измерительной системы определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно-физических методов;

7. Разработано техническое решение (Авт. св. СССР № 1753374) для расширения возможностей информационно-измерительной системы, в том числе, для проведения периодической автоматической её поверки;

8. Изготовлены образцы-свидетели с радионуклидом 267°Со (первичные измерительные преобразователи) и проведены эксперименты по определению коррозии в промышленных условиях.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях: Публикация в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1. Пастухов Ю.В. Контроль коррозии при эксплуатации зданий и сооружений в особых условиях [Текст] /Ю.В. Пастухов, О.П. Сидельникова// Вестник ВолгГАСУ. Сер.: строительство и архитектура. - Волгоград, 2007. Вып.7(26). С. 41-43.

2. Пастухов Ю.В. Метрологические характеристики первичных измерительных преобразователей, содержащих радионуклидную метку [Текст] /Ю.В. Пастухов, О.П. Сидельникова// Известия ВолгГТУ. Сер.: Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. - Волгоград, 2009. № 3(51). С. 73-78.

Изобретения, статьи и материалы конференций.

3. Пастухов Ю. В., Салов В. Н. Способ определения скорости коррозии. Авторское свидетельство СССР № 1603261, кл. G 01 N23/00, 1990.

4. Пастухов Ю.В. Способ определения скорости коррозии. Авторское свидетельство СССР №1753374, кл. G01N 17/00,1992.

5. Пастухов Ю.В. Контроль скорости коррозии стального образца из материала ст.З в условиях нефтепромысла методом радиоактивных индикаторов [Текст]/ Ю.В. Пастухов, М.А. Дембровский// В сб. «Экономия чёрных металлов в промышленности и строительстве». -Волгоград, 1978. С. 131-133.

6. Пастухов Ю. В. Контроль скорости коррозии стального образца (ст. 3) в условиях нефтепромысла методом радиоактивных индикаторов [Текст]/ Ю.В. Пастухов, М.А. Дембровский// Информационный листок № 518-78. - Волгоград, ЦНТИ, 1978.

7. Пастухов Ю.В. Контроль равномерной коррозии в промышленных условиях методом радиоактивных индикаторов [Текст]/ Ю.В. Пастухов, М.А. Дембровский, A.M. Гуревич, О.А. Захаров, А.И. Татаркин// В сб. «Проблемы производства и применения изотопов и источников ядерного излучения в народном хозяйстве СССР».-М., ЦНИИатоминформ, 1988. С. 243.

8. Пастухов Ю.В. Оценка скорости коррозии в промышленных условиях [Текст]/ Ю.В. Пастухов// Химическая промышленность. 1992. № 10. С. 57-61.

9. Пастухов Ю. В. Применение метода радиоактивных индикаторов в контроле коррозии [Текст]/ Ю.В. Пастухов, A.M. Гуревич, В.Ф. Кирш // Росинг, №3 (051) 2007, стр.7.

10. Пастухов Ю. В. Применение метода радиоактивных индикаторов в контроле коррозии [Текст]/ Ю.В. Пастухов, A.M. Гуревич, В.Ф. Кирш// Интервал, 2007, №3. С. 71-73.

Подписано в печать. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл,-

печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ №_. Типография ИУНЛ Волгоградского государственного

технического университета. 400131, г. Волгоград, ул. Советская, 35.

Подписано в печать 14.02.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 52

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

А / А А ^ J -Г А А Л У

Пастухов Юрий Викторович

ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОЙ КОРРОЗИИ С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы» (в машиностроении)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель-

докт. техн. наук, профессор Муха Ю. П.

Волгоград - 2014

Оглавление

Введение....................................................................................... 5

Глава 1. Современное состояние методов и средств измерения коррозии.. 18

1.1. Основные механические методы контроля коррозии.................... 22

1.2. Электрохимические методы определения коррозии...................... 22

1.3. Электрические методы регистрации коррозии............................. 23

1.4. Электромагнитные методы...................................................... 23

1.5. Ультразвуковые методы контроля коррозии............................... 23

1.6. Ядерно-физические методы...................................................... 24

1.6.1. Убывание интенсивности ионизирующего излучения образца в процессе коррозии.................................................................. 26

1.6.2. Возрастание удельной активности радиоактивных продуктов коррозии в среде.................................................................... 27

1.6.3. Накопление радиоактивного изотопа коррозионного агента из среды на поверхности образца................................................. 28

1.6.4. Ослабление и рассеяние образцом (изделием) проникающего гамма - излучения.................................................................. 28

1.6.5. Эффект Мёссбауэра................................................................. 28

1.7. Прочие методы определения коррозии....................................... 29

Выводы и заключения по главе 1........................................... 29

Глава 2. Разработка схемы преобразования значений измеряемого параметра-значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии-первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины................................................... 32

2.1. Технология определения коррозии в промышленных условиях с применением образцов-свидетелей, содержащих радионуклидную метку................................................................................... 32

2.2. Последовательность преобразований значений измеряемого параметра в значения выходной величины....................................

Выводы и заключение по главе 2........................................... 36

Глава 3. Исследование механизма и разработка алгоритма преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины, проведение метрологических исследований измерительной системы.............................................................................. 37

3.1. Преобразования массы............................................................ 37

3.2. Ядерные преобразования......................................................... 38

3.3. Разработка технического решения по введению в материал образца-свидетеля долгоживущего радионуклида 267°Со............................... 40

3.4. Радиационные преобразования................................................. 44

3.5. Преобразование значений измеряемого параметра (в электронной части информационно-измерительной системы) через последовательность сцинтилляций в значения интенсивности выходной

величины 7(0....................................................................... 50

Выводы и заключение по главе 3........................................... 52

Глава 4. Разработка структурно-блочной схемы информационно-измерительной системы определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно-

физических методов................................................................. 53

Выводы и заключение по главе 4.......................................... 57

Глава 5. Проведение экспериментов по определению коррозии в промышленных условиях с применением ядерно-физических методов................................................................................

58

5.1. Получение и исследование образцов-свидетелей для контроля промышленной коррозии......................................................... ^

5.2. Методы проведения промышленных исследований......................... 65

5.3. Реализация контроля промышленной коррозии с применением ядерно-физических методов...................................................... 67

5.3.1 Определение скорости коррозии в технологических установках первичной переработки нефти АВТ.......................................... 72

5.3.2 Анализ проведённых экспериментов по определению коррозии и полученных результатов на установках первичной переработки нефти

АВТ..........................................................................................................................................................................85

Выводы и заключения по главе 5........................................................................................89

Основные выводы и заключения по работе..................................................................90

Список литературы................................................................................................................................93

ВВЕДЕНИЕ

Коррозия металлов [1-3] - разрушение металлов вследствие химического [14], электрохимического [1-4] или биохимического [5] взаимодействия их с окружающей средой. Коррозия протекает самопроизвольно согласно законам кинетики возможных термодинамических реакций и приводит к понижению свободной энергии металла, в результате чего образуются более устойчивые в термодинамическом отношении соединения [5].

Коррозия [2] - растворение горных пород на поверхности Земли под влиянием химического воздействия воды (например, явление карста); разъедание, частичное растворение и оплавление магмой ранее выделившихся минералов или захваченных обломков пород.

Коррозия бетона и железобетона [3] - разрушение бетона и железобетона под действием агрессивной внешней среды.

Коррозия приводит к снижению механической прочности оборудования, вызывает прямые потери металла, в результате нарушается герметичность технологических аппаратов [1]. Ущерб, причиняемый коррозией, настолько велик, что превышает во многих странах ассигнования на развитие крупнейших отраслей промышленности. Полагают, что около 10 % массы ежегодного производства чёрных металлов расходуется на возмещение потерь металлов от коррозии [5].

Мерой коррозионной стойкости служит скорость коррозии металла в данной среде и в данных условиях. Процесс коррозии многофакторный, панацеи от всех видов коррозии нет ни у одного металла и сплава. Нет ни одного металла, который обладал бы абсолютной коррозионной стойкостью. Можно говорить лишь о стойкости при данных условиях окружающей среды. Даже, благородные металлы, в том числе платина, не обладают достаточной коррозионной стойкостью [8]. Снижение коррозионных потерь затруднено без учёта множества факторов коррозионного процесса. В области коррозии металлов тесно переплетаются вопросы теории и практики. Разнообразие условий, в которых протекают

коррозионные процессы, позволяет сделать вывод [7] о нецелесообразности срздания единых, универсальных для всех случаев методов испытаний. Необходимо разрабатывать систему методов исследования и испытаний, позволяющую получать многостороннюю и объективную информацию о коррозии, достаточную для применения имеющихся знаний в области предотвращения коррозии, разработки и реализации адекватных решений по снижению коррозионных потерь.

Слово коррозия произошло от позднелатинского «corrosio» («corrosio»-разъедание, от латинского corrode - грызу [3]), что в геологии обозначает такие химические изменения горных пород под влиянием воздуха и воды, которые приводят к образованию трещин, котловин, пещер, к выветриванию - эрозии.

Человек познакомился с таким явлением как коррозия с незапамятных времён, вероятно тогда, когда научился выплавлять из руды железо. Чтобы уберечь металл от порчи люди давно стали покрывать его красками и лаками.

Вопросы противокоррозионной защиты в той или иной степени важны почти для всех отраслей народного хозяйства. Особенное значение имеет борьба с коррозией металлов в химическом аппаратостроении, судостроении, добыче и переработке нефти, коммунальном хозяйстве, авиации, горном деле [4-6].

Применение в промышленности высоких температур и давлений, больших скоростей, весьма агрессивных реагентов часто создаёт для материалов крайне тяжёлые условия эксплуатации. Если со 2-ой половины XIX в. особое значение приобрело учение о механической прочности материалов и конструкций, то в XX в. не меньшее значение получили проблемы коррозионной стойкости машин, аппаратов и сооружений [1].

Учение о коррозии и защите металлов является отраслью прикладной физической химии. Его основы заложены М. В. Ломоносовым [1], который в середине XVIII в. изучал действие кислот на металлы, ясно различая обычное растворение солей в воде от явлений коррозии металлов, открыл пассивное состояние металлов и первый исследовал сущность явлений при окислении металлов. Большое значение для развития теории коррозии металлов имели

работы английского учёного М. Фарадея, установившего в 1833-1834 г. г. основные законы электролиза и предложившего для объяснения пассивности металлов гипотезу тонкой, невидимой защитной плёнки на их поверхности. В 1830 г. швейцарский физико-химик О. де ла Рив на основании опытов по растворению в кислоте чистого и загрязнённого металлическими примесями цинка предложил гипотезу о микрогальванических элементах, согласно которой коррозия металлов идёт за счёт возникновения на поверхности металла в кислоте микроскопических гальванических пар, причём сам металл играет роль анода, а частички примесей - роль катодов гальванических пар. В 70-х гг. XIX в. русский физик Н. П. Слугинов на основе собственных экспериментальных работ и теоретических исследований высказал оригинальные взгляды о природе микрогальванических элементов на поверхности разъедаемого материала. В начале XX в. русский химик В. А. Кистяковский развил теорию защитной окисной плёнки как важного фактора, тормозящего коррозионный процесс.

Начиная с 20-х гг. 20 в. советский химик Н. А. Изгарышев выполнил ряд экспериментальных исследований по коррозии металлов и защитным покрытиям и обобщил сведения по коррозии и пассивности металлов.

Глубокому пониманию процессов коррозии металлов способствовали также работы советского химика Л. В. Писаржевского по электронной теории диссоциации и возникновению тока. Большие экспериментальные исследования по коррозии и защите металлов были проведены Ю. Эвансом в Англии. В непосредственной связи с огромным развитием металлургии, химической промышленности, машиностроения, судостроения в годы первых пятилеток учение о коррозии металлов получило в СССР мощный толчок - были созданы специальные лаборатории в институтах и на заводах, а также кафедры в высших учебных заведениях. Коррозия стала признанной академической дисциплиной. В развитии науки о коррозии и защите металлов большая заслуга принадлежит советскому химику Г. В. Акимову (1901-1953), которым созданы основные направления в современном учении о коррозии металлов, решены

многие практически важные задачи защиты металлов и создана школа советских исследователей-коррозионистов.

В технике применяются следующие основные способы борьбы с коррозией металлов: изменение состава технического металла; защитные покрытия; изменение состава среды; электрохимические методы; конструктивные меры.

Актуальность

Коррозия металлов - сложный физико-химический процесс, развивающийся на границе раздела двух фаз: металл - коррозионная среда. Нередко коррозионный процесс связан с несколькими механизмами, вызывающими коррозию: электрохимическая, химическая и фреттинг - коррозия [5]. Сложность процесса коррозии дополнительно усугубляется большим разнообразием условий коррозионной среды и факторами, вызванными конструктивными и эксплуатационными особенностями промышленного оборудования.

Учитывая выше сказанное, очевидным становится то, что определение параметров процесса промышленной коррозии необходимо проводить прямым методом (например, гравиметрическим), не зависящим от влияющих факторов и механизма протекания коррозии.

Способы и устройства, позволяющие бесконтактную передачу информации от объекта измерения к приёмнику (детектору), без внедрения его в технологическую среду, показали достаточную надёжность при проведении измерений в промышленных условиях. Ядерно-физические методы позволят совместить прямые измерения коррозии и бесконтактную передачу информацию об измеряемой величине.

В результате коррозионного воздействия среды на конструкционные материалы отдельного аппарата или технологической установки, в условиях отсутствия оперативной и достоверной информации о происходящем коррозионном процессе, его количественной стороне и отсутствии адекватной защиты от коррозии, происходит неконтролируемый рост коррозионных потерь выше допустимых значений. Процесс коррозии начинается с незначительных коррозионных

поражений, с течением времени увеличиваются коррозионные потери и их скорость, на смену которым приходят значимые коррозионные разрушения, далее процесс приобретает лавинный характер и приводит к авариям и к человеческим жертвам.

Положительные результаты по уменьшению коррозии технологического оборудования могут быть обеспечены расширением применения методов коррозионного контроля.

Защита от коррозионных разрушений - одна из крупных актуальных проблем, значение которой трудно переоценить как в технико-экономическом, экологическом, так и в социальном плане.

Представленная работа является результатом многолетних исследований по недостаточно проработанной и важной с научной и прикладной точек зрения проблеме. Эту проблему можно охарактеризовать, как оценка коррозионных потерь, условий и возможностей их снижения. Коррозионные потери особенно значимы в процессе эксплуатации гидротехнических сооружений, объектов химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Определение параметров процесса промышленной коррозии усугубляется многообразием условий и механизма её протекания. Оперативное решение задач по сохранению ресурса оборудования, защите от разрушения промышленных объектов и уменьшения экологической нагрузки на среду обитания человека требует представительную и достоверную информации о коррозионном процессе в реальном масштабе времени. Развитие и расширение научных знаний по проблеме измерения коррозии в промышленности имеет важное значение: для создания теоретической базы, построения различных измерительных преобразователей и создания вариантов информационно-измерительных систем на их основе.

Исходя из изложенного диссертационное исследование является актуальным.

Степень разработанности темы

Разработаны механические методы измерения коррозии, не зависящие от влияющих факторов и механизма её протекания. Эти методы позволяют проводить

прямые измерения коррозионных потерь, но они не оперативны (не обнаруживают наличие процесса коррозии). Другие известные методы обладают быстродействием (электрохимические методы), но не отображают реальный коррозионный процесс. Их зависимость от других факторов не позволяет получать в промышленных условиях достоверную информацию о коррозии. Датчики коррозии не представительны, корреляция между коррозией материала оборудования и коррозией датчика (измерителя коррозии) не всегда корректна.

Известные решения с применением радионуклидов (обеспечена представительность образцами-свидетелями из материала оборудования) из-за несовершенства изготовления датчиков (высокая погрешность преобразования значений измеряемого параметра, снижение чувствительности во времени, недостаточный ресурс и др.) также не нашли широкого применения в промышленности. Низкая точность измерений и недостаточная чувствительность обусловлены неравномерностью распределения, введённого радионуклида, (несовершенство способа введения) в образце-свидетеле, или его малым периодом полураспада.

Известными авторами работ по определению коррозии (Константинов И. О., Малухин В. В., Дембровский М. А., Торопчинов А. Н., Тихонов Г. М., Schaschl Е, Litter R. L.) не ставилась задача исследовать механизм преобразования измеряемого параметра в выходную величину, не выявлялись влияющие параметры. Кроме повышения точности и чувствительности, в целях развития синтезированного метода и распространение его на другие виды коррозии, необходимы способы и устройства, расширяющие его возможности.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является разработка технологии, способов и устройств определения параметров процесса промышленной коррозии с заданными метрологическими характеристиками, и ресурсом первичного измерительного

преобразователя, определяемым коррозионной «историей» и соизмеримым с ожидаемым пробегом химико-технологической системы.

Поставленная цель достигается пу