Научно-информационный блог

Измерение скорости коррозии и контроль факторов коррозионной агрессивности являются неотъемлемой частью комплекса мероприятий по предотвращению преждевременного разрушения металлоконструкций и связанных с ним экологических и экономических рисков. В широком смысле понятие коррозионный мониторинг относится как к локальным методам определения интенсивности растворения металла – образцы-свидетели, электрохимические зонды, так и технологиям, дающим общее представление о статусе системы – внутритрубная дефектоскопия, ультразвуковые исследования. Ниже рассмотрены инструментальные подходы, основанные на одном или нескольких точечных измерениях с применением коррозиметров разных типов и физико-химическом анализе сред, помогающие диагностировать раннюю стадию коррозионных процессов на объекте в целом. Приведенные методы направлены на внутреннюю коррозию и напрямую не предназначены, хотя в некоторых случаях могут быть полезны для оценки усталостного разрушения, растрескивания или эрозии. 

Область применения той или иной методики в первую очередь зависит от чувствительности и времени отклика к изменению коррозионной активности среды. Поскольку ошибка измерения снижается с увеличением периода накопления данных, эти показатели обратно пропорциональны друг другу. Другой важной характеристикой выступает стабильность, т.е. возможность с уверенностью детектировать малые изменения скорости коррозии при длительных интервалах наблюдения. На стабильность влияют постепенное разрушение датчика, дрейф сигнала электронных компонентов, потеря калибровки и др.

Процедуры коррозионного мониторинга можно разделить на три группы: фиксирующие потерю металла, электрохимические и физико-химические. Электрохимические методы оперативны и обеспечивают стабильные результаты в водной фазе с высокой электропроводностью, но надежность измерений резко ухудшается при низкой обводненности и в пресных водах, особенно в присутствии мехпримесей. Первая и третья группы свободны от этого ограничения, что делает их применимыми в любых средах, включая газ.

1. Фиксирующие потерю металла

• Образцы-свидетели (coupons). Металлические пластинки или диски точно известной массы из близкого по составу металла и экспонируемые в той же среде, что и защищаемая конструкция. Наиболее дешевый и распространенный гравиметрический способ измерения скорости общей коррозии, не требующий электрического оборудования. После экспозиции купоны анализируются под микроскопом на предмет разрушений локального характера. Благодаря широте номенклатуры выпускаемых образцов-свидетелей и подбору времени экспозиции метод покрывает скорости коррозии от 100 до 0,1 мм/год. Основными минусами выступают долгое время отклика 2-3 месяца и, зачастую, необходимость вмешательства в работу оборудования под давлением для извлечения образцов.

Образцы-свидетели коррозии и устройства для установки в трубопроводе

• Электрические сопротивление, ER. Утончение металлического элемента зонда – петля, цилиндрик, канал с толщиной 0,1-2,0 мм – при контакте с агрессивной средой приводит к пропорциональному увеличению сопротивления. Чаще всего это обстоятельство используется не для расчета абсолютной скорости коррозии, а с целью выявления трендов изменения условий среды. Самые чувствительные зонды с петлей 0,1 мм и временем отклика 2-4 ч могут производить измерения в течение 1-2 лет при потере толщины 0,02-0,05 мм/год.

• Сигнатура поля, FSM. Базируется на отслеживании распределения потенциала на сетке штифтов, установленных на наружной стенке объекта. Разработан главным образом для контроля сплошной коррозии трубопроводов с чувствительностью до 0,1% от толщины стенки (10-20 мкм) при измерениях в течение 1-24 ч. Может рутинно применяться на объектах со сложной геометрией и температурой до 400 oC.

• Ультразвуковая толщинометрия, UT. Принцип работы – определение времени прохождения через металл волн с частотой около 5 МГц. В силу точечного характера измерения воспроизводимость результата во многом обусловлена геометрией объекта и ориентацией зонда. В руках неспециалиста точность метода не превышает 5-10% толщины стенки. Опытные операторы, руководствуясь стандартными процедурами добиваются расхождений на уровне 1-2%. Минимальный период для расчета скорости коррозии начинается от 1 ч, однако для значений 10-100 мм/год период измерений увеличивается до 12-24 ч. Нижний предел толщины металла – 4-6 мм.

• Пульсирующие вихревые токи, PEC. Устанавливается зависящая от толщины металла скорость спада наведенных токов после отключения приложенного магнитного поля. Метод отличается хорошей воспроизводимостью (до 0,1%) и нечувствителен к диэлектрикам, что удобно, например, для контроля толщины трубы в одной точке без снятия теплоизоляции. Показания изменяются с температурой и для сравнения результатов в различных условиях необходимо вводить температурную поправку. В зависимости от колебаний температуры и точности оборудования неопределенность метода составляет 0,1-0,5% при времени отклика 3-5 суток.

Измерение толщины стенки трубопровода переносными (слева) и стационарными (справа) датчиками PEC

• Тонкослойная активация/гамма-радиометрия. На поверхности трубной катушки выбирается участок площадью 1-100 см2, на котором после бомбардировки заряженными частицами формируется слой радиоактивных изотопов толщиной 101-103 мкм. Изменение радиоактивности служит мерой потери металла на соседних с местом установки катушки участках. При способности измерять коррозию на уровне 10-2 мм/год за 3-4 недели принципиальный недостаток методики заключается в небольшом сроке жизни индикаторного слоя.

2. Электрохимические

• Линейное поляризационное сопротивление, LPR. Обратно пропорционально скорости коррозии и численно равно отношению прикладываемой к электродам разности потенциалов в 10-20 мВ к измеряемой силе тока. Главное преимущество метода состоит в мгновенном отклике с возможностью мониторинга в реальном времени, однако применимость ограничена общей коррозией и, помимо загрязнения электродов, на результаты измерений могут оказывать сильное влияние вторичные электрохимические реакции

• Импедансная спектроскопия, EIS. Как и в методе LPR, электрод поляризуется разностью потенциалов порядка 10 мВ, синусоидально меняющейся в диапазоне частот от 1 МГц до 10 кГц. Характер зависимости от частоты измеряемого комплексного сопротивления (импеданса) несет информацию о кинетике электродных процессов. Больше подходит для лабораторных испытаний, хотя в качестве инструмента мониторинга превосходит LPR в пресных водах.

• Потенциометрия. По значению потенциала разомкнутой цепи можно сделать вывод о пассивации или активном растворении поверхности датчика.

• Гальванометрия. Измеряется сила тока между электродами из бронзы и стали, увеличивающаяся с коррозионной активностью среды – повышении содержания растворенных O2, CO2, H2S и др.

• Электрохимические шумы. Был предложен с целью выявления локальной коррозии и коррозионной усталости по корреляции колебаний тока и потенциала двух соединенных между собой электродов.

3. Физико-химические

• Температура, давление, скорость потока среды

• pH, электропроводность

• Содержание железа, хлорид-ионов, CO2, H2S, O2, СВБ

• Остаточная концентрация ингибитора коррозии

Классический «химический» способ мониторинга равномерной коррозии состоит в определении содержания ионов Fe(II)/Fe(III) в попутно добываемой воде. Другим косвенным, но часто используемым показателем является концентрация СВБ, нередко интерпретируемая в сочетании с уровнем растворенного сероводорода и присутствием сульфидов в составе продуктов коррозии. При выполнении анализов необходимо удостовериться в отсутствии случайных загрязнений во время отбора проб и обеспечить надлежащие условия хранения и транспортировки.