close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

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

код для вставкиСкачать
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
Волгоград – 2014
1
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
инженернотехнический
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
государственного технического университета.
в
библиотеке
Волгоградского
Автореферат разослан: «_____» февраля 2014 г.
Учёный-секретарь
диссертационного совета
Авдеюк Оксана Алексеевна
2
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 E, 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
3
измерительного преобразователя, соизмеримым с ожидаемым пробегом химикотехнологической системы.
Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:
1.
Анализ методов и средств определения коррозии и выбор приемлемых
1
решений ;
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 образцасвидетеля долгоживущего радионуклида 2760Со ;
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
60
преобразователей) с радионуклидом 27 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
60
58
27 Со в материале образца-свидетеля из изотопа 26 Fe , 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 её к защите.
4
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
60
преобразователей) с радионуклидом 27 Со , генетически связанным с равномерно
распределённым (естественным образом в материале
образца-свидетеля)
58
26
Fe ,
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 2760Со
(полученным из изотопа
58
26
Fe ), 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 2760Со из изотопа 2658 Fe ;
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 «Спектр 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
6
величины и механизмы возникновения погрешностей не противоречат физике
рассматриваемых процессов. По разработанному техническому решению изготовлены
образцы-свидетели с радионуклидом 2760Со 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 образецсвидетель 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  -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
7
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 трубопрово59
дов технологической установки, с предварительно введённым радионуклидом 26
Fe .
Образцы-свидетели (после введения в них заданного количества радионуклида)
известной массы m(обр.св.) помещают в коррозионную среду в выбранные места
технологической установки (Рисунок 1).
Измерение текущего значения плотности потока  -квантов (интенсивности
выходной величины I (t ) ), отображающего текущее значение (массы m(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
Рисунок 1 - Установка образца-свидетеля (содержащего
радионуклиды) в трубопровод через
измеряемого параметра, отображённых
специальное шлюзовое устройство: 1-образецв результате последовательных преобра- свидетель содержащий радионуклиды; 2-детектор
зований в нем, осуществляется дистан- гамма-излучения; 3-шток для крепления образца4-технологический
трубопровод;
ционно (потоком  -квантов) к сцин- свидетеля;
5-задвижка; 6-уплотнение сальниковое.
тилляционному детектору 2.
8
m(обр.св.)
m(Fe)
m(Fe-58)
К1
N(Fe-58)
К2
кс
N0 /
A (г-атFe-58)
N(Fe-59)
МУ
б(акт)Ф{1-exp(-0,693*t/T1/2)}
Ф=1013 н/см2*с
кс
ЭК
кс
0,693/T1/2)}
ТН
В(Е, z,µ,р,d)*ехр(-µрd)
dhe
2
1/4πR
n=1
φ(c-1 *см-2)
Nс(имп)
кс
Б
Φ2(c-1 )
Φ1(c-1 )
α(Бк)
kПС
kПСФ
τ
kУФ
NФЭ
m0/I0,
б(t)= бi- (tgα)∆t,
б0, /I0
m(t)= mi- (tgα)∆t
d
NЭ
NI
NV
NVD
I(t)
(c-1)
m(t)
б(t)
ГМ
П
кс
кс
И
к
с
ГТ
кс
ТУ
К(1, 1/2), S
кс
tgα=∆б/∆t, tgα=∆m/∆t
кс
Рисунок 2-Структурная схема преобразования измеряемого параметра в выходную величину
9
Р
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 К1 (долю железа ( 55,847
26 Fe ) в образце-свидетеле) в значение массы
химического элемента
55,847
26
цию К 2 (долю изотопа
атомов изотопа
58
26
58
26
Fe - естественной смеси изотопов железа; через концентра-
Fe в естественной смеси изотопов железа) в значение массы
Fe ; через число Авогадро в число атомов изотопа
2. Часть атомов изотопа
58
26
58
26
Fe .
Fe преобразуется, через эффект активации его ядер
тепловыми нейтронами, в число ядер (атомов) радионуклида
3. Число ядер радионуклида
59
26
59
26
Fe .
Fe преобразуется: через постоянную распада, в
значение активности образца-свидетеля; через квантовый выход в значение первичного
потока  -квантов; в результате взаимодействия первичного потока  -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  -квантов; через
геометрический фактор (расстояние R от образца-свидетеля до детектора) преобразуется
в значение плотности потока  -квантов.
4. Значение плотности потока  -квантов, в результате взаимодействия с
веществом сцинтиллятора 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
10
метрологические исследования информационно-измерительной системы и снижен
эффект влияющих параметров на результаты преобразований.
Преобразование значения массы m(обр.св.) образца-свидетеля, через
концентрацию К1 химического элемента
значение массы m изотопа
58
26
55,847
26
Fe
и концентрацию К 2 изотопа
58
26
Fe , в
Fe ,
58
58
[m(обр.св.)  m(обр.св.)] * К1 * К 2  m( 26
Fe)  m( 26
Fe)
(1)
58
Ядерные преобразования значения массы m( 26
Fe) : через массовое число А ,
активируемого изотопа и число Авогадро N 0 , через эффект активации ядер
58
26
Fe
(сечение активации  1 (акт.) и время активации t1 (акт.) ) тепловыми нейтронами
(плотностью потока Ф1  1,2 *1013 н * см 2 с 1 ), через радиоактивный распад (постоянная
распада 1 и продолжительность распада t ), в число N ядер радионуклида
[m(обр.св.)  m(обр.св.)] * К1 * К 2 *
59
26
Fe ,
N0
*[ 1 (акт.) * Ф1{1  ехр (1t1 (акт.))}] *
58
A( г  am 26
Fe)
59
m 59
* exp(1t )  [ N ( 26
Fe)  N t ( 59
26 Fe)]  N ( 26 Fe) .
Уменьшение числа ядер
59
26
(2)
Fe (за счёт их распада с течением времени) приводит
к снижению интенсивности выходной величины I (t ) , повышается её погрешность (3),
снижается чувствительность (4) преобразования измеряемого параметра и снижается
ресурс образца-свидетеля (Рисунок 3):
 
1
I exp(t )
S
d
d
f (t ) 
exp(t )
dm
dm
.
(4).
(3),
Период полураспада ( Т 1 / 2 ) радионуклида, входящий в постоянную распада  ,
совместно с фактором времени t определяют влияющий параметр, который приводит к
снижению (во времени) метрологических характеристик первичного преобразователя и
измерительной системы.
По причине радиоактивного распада 2659 Fe чувствительность образца-свидетеля с
радионуклидом
59
26
Fe за 154 дня снижается в 10 раз, а погрешность возрастает в 10 раз за
309 суток. Очевидно то, что недостаточный период полураспада радионуклида
( T1/ 2  46,5сут. )
не
позволяет
иметь
заданные
метрологические
59
26
Fe
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
60
ядер изотопа 2658 Fe в ядра радионуклида 27
Co с периодом полураспада T1/ 2  1924сут. и
квантовым выходом n  2 ,
58
26
Fe(n,  ) 2659 Fe  2659 Fe(T1/2  46,5сут)
1,1Мэв(56%)
 2759Co 
1, 29Мэв(44%)
11
(5)

1,17 Мэв(99,9%)
 2860 Ni
1,33Мэв(100%)
Co(n,  ) 2760Co  2760Co(T1/ 2  1924сут)
59
27
Значительный период полураспада
60
радионуклида 27
Co и высокий квантовый
выход позволят проводить измерения с
заданной
точностью,
повышенными
значениями чувствительности и ресурса
(до 10 лет) образца-свидетеля.
60
Получаем радионуклид 27
Co в
образце-свидетеле через активацию изотоРисунок 3- Зависимость погрешности и чувпа 2658 Fe в потоке ( Ф2  1,2 *1015 н * см 2 с 1 )
ствительности первичного измерительного
тепловых
нейтронов,
радиоактивный преобразователя
(с
радионуклидами
распад образовавшегося радионуклида кобальт-60 и железо-59) от продолжи59
тельности коррозионных испытаний
26 Fe и повторную активацию, полученных
в результате распада
59
26
Fe , стабильных ядер изотопа
[m(обр.св.)  m(обр.св.)] * К1 * К 2 *
Co . С учётом распада
59
27
60
27
Co ,
N0
*[ 1 (акт.) * Ф2 {1  ехр (1t 2 (акт.))}] *
58
A( г  am 26
F)
*{1  exp( 1 t (пр.))} * [ 2 (акт.) * Ф2 {1  ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) 
(6)
60
m 60
 [ N ( 27
Co)  N t ( 60
27 Co)]  N ( 27 Co) .
За время 1 год выходная величина I (t ) снижается всего лишь на 13%.
В результате радиационных преобразований: через постоянную распада

0,693
; квантовый выход n  2 ; через взаимодействие первичного потока  -квантов
Т1/ 2
с материалом образца-свидетеля, с коррозионной средой и стенкой технологического
оборудования (фотоэффект, Комптон-эффект и эффект образования пар) получаем
вторичный поток  -квантов  2 ,
[m(обр.св.)  m(обр.св.)] * К1 * К 2 *
N0
*[ 1 (акт.) * Ф2 {1  ехр (1t 2 (акт.))}] *
58
A( г  am 26
F)
(7)
*{1  exp( 1t (пр.))}* [ 2 (акт.) * Ф2 {1  ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) * 2 * n *
* В( Е, z,  , (    ), (d  d )) * ехр ( (    )(d  d )) 
 [2  2 (t )]  2  2 ( , d ) .
m
Уменьшение толщины образца-свидетеля и стенки технологического
оборудования, флуктуации плотности и толщины (   и  d ) коррозионной среды
вызывают изменения значений выходной величины I (t ) , не отображающие изменения
значений измеряемого параметра.
Для уменьшения погрешности, вызванной (в основном) изменением плотности
 и (или) толщины d коррозионной среды (через изменения поглощения и рассеяния
12
первичных   квантов) необходимо, уменьшение (в результате поглощения) числа
регистрируемых   квантов (последовательности электрических импульсов области
полного поглощения) первичного потока 1 компенсировать увеличением числа
  квантов (последовательности электрических
регистрируемых рассеянных
импульсов области рассеяния) вторичного потока  2 . Это достигается подбором порога
D интегральной дискриминации амплитудного (энергетического) спектра (Рисунок 4),
позволяющего
выделить
(для
I (t ) )
регистрации
интенсивности
стабильную площадь диапазона спектра
(диапазон «сообщающихся сосудов»),
тем самым стабилизировать измеряемую
интенсивность I (t ) при допустимых
изменениях параметров (   и  d )
технологической среды.
Рисунок 4-Амплитудный (энергетический)
спектр потока  -квантов
В реальных условиях возможна регистрация (от образца-свидетеля)
некоторой доли потока  -квантов и зависит от объёма детектора, его
эффективности  и геометрического фактора (расстояния R от образцасвидетеля до детектора).
В условиях эксплуатации технологической установки расстояние R
может изменяться в некоторых пределах  R (вибрации и перемещения за счёт
темпе-ратурных расширений элементов конструкций технологического
оборудования) определяя влияющий параметр, тогда
[m(обр.св.)  m(обр.св.)] * К1 * К 2 *
N0
*[ 1 (акт.) * Ф2 {1  ехр (1t 2 (акт.))}] *
58
A( г  am 26
F)
*{1  exp( 1t (пр.))}* [ 2 (акт.) * Ф2 {1  ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) * 2 * n *
1
* В( Е, z,  , (    ), (d  d )) * ехр (  (    )(d  d )) *

4 ( R  R) 2
(
(8)
 [   (t )]   m   ( , d )   ( R, R) .
Погрешность определения значений измеряемого параметра от флуктуаций
геометрического фактора,
m  1
1
(9)
 mi  0
( 2
).
2
 0 4 R ( R  R)
Анализ выражения (9) показывает, что при постоянном значении R ,
погрешность m( R,R) снижается с увеличением R . В то же время, с увеличением R
снижается в точке детектирования интенсивность I   квантов ( I 
13
I 0 R02
) и приводит
R2
к увеличению погрешности
1
.
I
Очевидно, что для совокупности начальных условий ( I 0 , R0 ,R) , существует
значение
Rопт
(расстояние от детектора до образца-свидетеля) для которого
mR  mI  mmin (Рисунок 5),
mmin
(10)
2
Rопт
R02
R02
 m0 (1 
)  m0 ( I 0 2  / I 0 2 ) .
( Rопт  R) 2
Rопт
Rопт
Рисунок 5 - Погрешность измерения
текущего значения массы (толщины)
образца-свидетеля (в процессе
коррозионных испытаний), вызванная
нестабильностью геометрии измерения
В объём детектора вместе с потоком dh ( d -диаметр и h -высота детектора)
  квантов, отображающим значение массы образца-свидетеля, попадает поток
 фон dh   квантов фонового излучения (не отображающий значение измеряемо-го
параметра). В результате взаимодействия суммарного потока ( dh +  фон dh ) с
веществом сцинтиллятора (через его эффективность  ) возникает последовательность
N с ( х, m, t ) световых импульсов (сцинтилляций), тогда
[{[m(обр.св.)  m(обр.св.)] * К1 * К 2 *
N0
*[ 1 (акт.) * Ф2 {1  ехр (1t 2 (акт.))}] *
58
A( г  am 26
F)
*{1  exp( 1t (пр.))}* [ 2 (акт.) * Ф2 {1  ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) * 2 * n *
* В( Е, z,  , (    ), (d  d )) * ехр (  (    )(d  d )) *
(11)
1
}   фон ] * dh 
4 ( R  R) 2
 [ N c  N c (t )]  N c  N c ( , d )  N c ( R, R)  N c ( фон ) .
m
Последовательность сцинтилляций N c , полученная в результате взаимодействия
суммарного потока ( dh +  фон dh ) с веществом сцинтиллятора, поступает (через
коэффициент передачи k пс ) в фотоэлектронный умножитель и
преобразуется через
фотоэффект (фотоэмиссия электронов) и коэффициент преобразования
последовательность
фотоэлектронов
(первичный
электронный
Последовательность первичных электронных импульсов
N ФЭ
импульс)
k псф
в
N ФЭ .
через коэффициент
усиления k уф фотоумножителя преобразуется в последовательность потоков электронов
N Э . Из-за наличия темнового тока фотоэлектронного умножителя N Э дополнительно
14
содержит потоки электронов N ЭТТ , не отображающие значение измеряемого параметра
(потоки электронов N ЭТТ обусловлены внутренними процессами фотоэлектронного
умножителя). Далее последовательность потоков электронов N Э преобразуется:
импульсы
в
тока N i фотоумножителя, достаточные для дальнейшего их усиления
радиотехнической схемой с преобразованием в последовательность
импульсов
напряжения N v . Последовательности N (в зависимости от их интенсивности I (t ) и
разрешающего времени  P элементов измерительной системы) могут снижать свои
значения (просчёт импульсов).
Из последовательности N v , ранжированных по амплитуде импульсов
напряжения,
выделяется интегральной дискриминацией (заданной порогом d )
диапазон N vd . Сумма импульсов выделенной последовательности N vd , через
постоянную времени  , преобразуется в значение интенсивности (импульсов
напряжения) I (t )  ( I (t ) /  ) , отображающее значение измеряемого параметра m(t ) ,
v 
{( N c kпс kпсф f (k уф )  N ) f (k у ) f (k н )
T
i
N
vd
v 
N
v 0
(0) v
/  }k ( P ) f ( I , P )  I (t )
(12)
(0) v
После введения поправок (на разрешающее время, фон и темновой ток),
получим значения интенсивностей: I пип1 от корродирующего образца-свидетеля; I оип
от образцового измерительного преобразователя, защищённого от коррозии,
I (t ) / k ( p , I )  ( I Ф  I ТТ )  I пфр (t )
При начальном условии
t  t0 :
пип1
оип
mпип1  mоип; бпип1  боип; I пфp
 I пфp
при
t  ti :
и п1
I ппфp
(t )
I
оип
п фp
(13)
(t )

,
(14)
mп и п1 (t )
б
(t )
 п и п1
mо и п (t )
бо и п (t ) ,
боип пип1
mоип пип1
б
(
t
)

I пфp (t )
mпип1 (t )  оип I пфp (t )
пип1
оип
I пфp
тогда
,
.
I пфp
(15)
(16)
Для получения значений скорости коррозии для выбранных участков
экспериментальной зависимости
бпип1 (t ); mпип1 (t )
15
аппроксимируем их
прямыми линиями и определяем для каждого участка тангенс угла наклона,
tg  
б
( мм / г од) методом наименьших квадратов.
t
В четвёртой главе синтезирована структурно-блочная схема информационноизмерительной 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 Ф1  -квантов; измерительный
преобразователь сравнения (ИПС) идентичный ПИП 1, но защищённый 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 информационноизмерительной 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  -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;
16
Rопт
БАЗА ДАННЫХ: m1, б1, I1, R1опт, m2, б2,
I2, R2опт,mоип, Iоип, боип, Iф, бипрм,
К
п
и
п
Д
УФИ
АИ
с
к
с
к
с
tк
Д с
и
п
с
к
с
к
с
Д
п
п
и
п
2
к
сД
и
к
с
t
к
с
∆m/∆t, СУМ ∆m, ОСТ б
ЭК
∆m/∆t, СУМ ∆m, ОСТ б
Iипрм, бстТ, t=t0, τ=100с, ∆t:0,1-10 ч;
Ф
кс
УАО
кс
К
Ф
кс
к
с
УФИ
к
сФ
кс
кс Н
К
к
с
кс
кИ кс
с
кК
с
ПТП
к
с
Б
эвм
УНО
Р
П
кс
ВПТ
УФИ
к
с
Ф
БИР
к
с
t
1
МУ
кс
СЗКО
н/и/к/птп
БУ
И
к
СУО и КЗсПИП
кс
кс
оптимизация
оип
методом
планирования кс пип1
эксперимента
ТН
кс
ГМ
кс
ГТ
∆m/∆t, ОСТ б
∆m/∆t, СУМ ∆m, ОСТ б
∆m/∆t,
кс
кс
ТУ ∆m/∆t,
кс
кс
бстТ
ипрм
УФИ
п
к
с
бстТ
р
м
к
кс
с
ДЕТЕКТОРЫ
ТРУБОПРОВОД
д
д
д
д
Т
Д
д
Т
Д
к
с
к
с
кс
д
д
д
ТД
д
Т
Д
д
ДТ
к
с
к
с
кс
mmin  m0 (1 
Rопт
образцы-свидетели (ПИП)
Рисунок 6-Структурно-блочная схема информационно-измерительной системы
17
к
с
кс
2
Rопт
)  m0
( Rопт  R) 2
R02
I0 2 
Rопт
I0
R02
2
Rопт
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–
принимает, 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 надзорапланирование 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 -20оС -/- +40о С) установлены датчики температуры (t),
опрашиваемые коммутатором (К) с передачей значений температуры, через вторичный
прибор (ВПТ) на обработку в ЭВМ, с последующей корректировкой выходной
величины ИИС;
16.Толщиномер (бстТ) 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,
60
Сo , полученных по разработанному техническому решению)
содержащих 27
18
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 m(t ) и
б (t ) , 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
60
Сo ;
материал образца-свидетеля долгоживущего радионуклида 27
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;
60
Сo (первичные
8.
Изготовлены образцы-свидетели с радионуклидом 27
измерительные преобразователи) и проведены эксперименты по определению коррозии
в промышленных условиях.
19
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 N 23/00, 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.3
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, А.М.
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, А.М. 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, А.М. Гуревич, В.Ф. Кирш// Интервал, 2007, №3. С.
71-73.
Подписано в печать. Формат 60х84 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.
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа