Импульсные конденсаторы PEC для защиты от коррозии под изоляцией

Импульсные конденсаторы PEC для защиты от коррозии под изоляцией

Резюме

Коррозия под изоляцией скрывается за неповрежденной оболочкой, и потери внутри могут пройти через 50% стенки, прежде чем что-либо проявится снаружи. Импульсный вихревой ток экранирует трубу, не снимая оболочку, однако портативному прибору приходится пропускать поле через 50–200 мм изоляции и металлическую оболочку. В этой статье приводятся значения затухания и энергии, расчеты емкости батареи и характеристики накопительного конденсатора, определяющие скорость обнаружения.

1. Введение

Коррозия под изоляцией (CUI) — это скрытый класс дефектов в нефтехимической промышленности. Трубопровод может выглядеть исправным снаружи, с неповрежденной оболочкой, чистой изоляцией и целой краской, в то время как внутренняя стенка потеряла 50% или более своей толщины. Вода, запертая под оболочкой, годами разрушает сталь, оставаясь незамеченной.

Последствия варьируются от утечек в технологическом процессе до пожаров и незапланированных остановок. Экономическая сторона вопроса не менее сложна: демонтаж и повторная установка изоляции в одной точке осмотра обходится в тысячи долларов, поэтому километры трубопроводов нельзя вскрыть для планового осмотра. Операторам необходим метод, позволяющий обнаруживать коррозию сквозь оболочку трубопровода и выявлять её на ранней стадии.

Масштаб определяет ставки. Один комплекс может содержать десятки километров изолированных труб. Снижение порога обнаружения с 40% потери толщины стенки до 10% предотвращает утечки, которые обходятся гораздо дороже, чем программа инспекций. Исследования CSEI показывают, что портативные приборы PEC обеспечивают обнаружение утечек на ранней стадии менее чем в 50%, что делает источник импульсов ограничивающим фактором.

Импульсный вихретоковый метод (ИКМ) — это, по сути, тот же метод. Зонд располагается снаружи изоляции, мощный импульс создает вихревые токи в слоях, а затухание принимаемого сигнала определяет толщину стенки. Зонд никогда не касается трубы, поэтому всю трубную эстакаду можно проверить за один день.

2. Основной механизм

2.1 Затухание через верхнюю оболочку кабеля

Возбуждающее излучение последовательно проходит через изоляционный слой, металлическую оболочку и стенку трубы. Изоляция выполнена из минеральной ваты или пенопласта толщиной от 50 до 200 мм. Оболочка состоит из алюминия или нержавеющей стали толщиной от 0.5 до 1.0 мм, и проводник такой толщины отражает и ослабляет поле, а не проходит через него.

Затухание сигнала в обоих направлениях для всего блока превышает 30 дБ, что соответствует коэффициенту мощности более 31.6. Толстая изоляция со стальной оболочкой достигает 40 дБ, что составляет коэффициент 100. Следовательно, импульсный источник должен обеспечивать выходную мощность в 10–100 раз большую, чем оборудование, предназначенное для оголенных труб или тонкой изоляции.

2.2 Проникновение и спектр импульса

Низкочастотный состав импульса определяет глубину проникновения поля. Стандартная глубина проникновения в проводник составляет:

δ = √(2 / (μ · σ · ω))

где δ — глубина проникновения в метрах, μ — магнитная проницаемость, σ — проводимость в С/м, а ω — угловая частота в рад/с.

Для глубокого проникновения в стенку из углеродистой стали необходима энергия низкой частоты, что во временной области означает длинные импульсы с медленным затуханием. Оболочка блокирует высокочастотную часть спектра до того, как она достигнет трубы, поэтому ширина импульса должна соответствовать толщине оболочки. Это физическое требование измерения.

2.3 Накопленная энергия и импульсный ток

Каждый выстрел черпает энергию из берега:

E = ½ · C · V²

где E — запасенная энергия в Дж, C — емкость аккумуляторной батареи в Ф, а V — напряжение зарядки в В.

Блок емкостью 50 мкФ при напряжении 2 кВ обеспечивает энергию 100 Дж. При частоте 0.5 Гц в режиме глубокого разряда это составляет 50 Вт средней потребляемой мощности, и большая часть энергии расходуется именно в этом режиме портативного прибора при глубоком контроле. Блок, рассчитанный на пиковый ток от 50 до 500 А с плотностью энергии выше 1 Дж/см³, удерживает источник энергии 100 Дж внутри переносного корпуса.

2.4 Импеданс контура и просадка напряжения

Импеданс петли определяет форму импульса:

Z = √(L / C)

где Z — характеристическое сопротивление контура в Ом, L — индуктивность контура в Гн, а C — емкость блока в Ф.

Падение напряжения во время импульса подчиняется тому же соотношению заряда, что и пульсационная модель в любом источнике импульсов:

ΔV = I · Δt / C

где ΔV — падение напряжения в В, I — ток разряда в А, Δt — ширина импульса в мкс, а C — емкость батареи в мкФ. Импульс 500 А длительностью 100 мкс от батареи емкостью 50 мкФ вызывает падение напряжения на 1 кВ, поэтому напряжение батареи должно быть достаточно высоким в начале импульса, чтобы к концу импульса сохранить требуемую амплитуду.

Рис. 1 — Импульс пересекает изоляцию и оболочку на уровне 30–40 дБ, поэтому батарея накапливает 100 Дж при 50 мкФ и 2 кВ для поддержания пикового тока 500 А.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Проникаемость и портативность тянут в противоположных направлениях.

В физике CUI требуется десятки джоулей на импульс и сотни ампер пикового тока. Для полевых работ необходим прибор, который один техник сможет переносить и использовать на строительных лесах, в идеале весом менее 5 кг. Обычный мощный источник решает эту проблему за счет больших размеров: большие пленочные блоки, мощная система охлаждения, большой корпус. И тогда он остается в грузовике.

Проблема 2: Время работы батареи ограничивает срок службы батареи в день осмотра.

Мощный прибор CUI-PEC потребляет реальную энергию за один цикл измерения. При неэффективной конструкции накопителя энергии полевой блок может разрядить свой аккумулятор примерно за 30 минут непрерывного сканирования, что вынуждает бригады возить с собой запасные аккумуляторы и заряжать их на месте. Керамический накопитель энергии с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) достигает эффективности более 90%, что примерно вдвое сокращает время разряда и превращает 30 минут в рабочий цикл.

Проблемный момент 3: Суровые условия окружающей среды находят слабые места у растений.

Приборы для измерения коррозии под изоляцией работают вблизи технологических линий: при высоких температурах, высокой влажности, дожде, вибрации от насосов и компрессоров. Конденсаторы с жидкостной или пленочной конструкцией подвержены колебаниям температуры, теряют свои характеристики при повышенной влажности и выходят из строя при вибрации. Широкотемпературные керамические конденсаторы в эпоксидном корпусе сохраняют свои значения в этих диапазонах.

Проблема 4: показатель выявления ниже 50% приводит к аннулированию результатов скрининга.

Экономическое обоснование скрининга на коррозию под изоляцией основано на раннем обнаружении: выявление повреждений стенки на поверхностных уровнях, а затем вскрытие только поврежденных участков. Когда показатель раннего обнаружения остается ниже 50%, половина повреждений остается незамеченной на этапе экономии средств и обнаруживается позже как утечка. Обнаружение — это проблема чувствительности, а чувствительность зависит от мощности импульса и уровня шума источника.

Проблема № 5: Геометрия обшивки приводит к ложным срабатываниям.

Алюминиевые швы, нахлесты, обвязка и зажимы — всё это искажает сигнал. Незначительный источник, едва проникающий сквозь оболочку, приводит к появлению записей, на которых реальная коррозия и дефекты оболочки выглядят одинаково. Затем бригады учатся игнорировать слабые сигналы, а слабые сигналы несут в себе раннюю коррозию. Запас проникновения и контроль пульсаций позволяют разделить эти два явления.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Согласовать ширину импульса с толщиной оболочки кабеля.

Задайте ширину импульса, исходя из времени диффузии и фактического размера конструкции. Для тонкой алюминиевой оболочки с изоляцией толщиной 50 мм требуется более короткий импульс, чем для стальной оболочки с изоляцией толщиной 200 мм. Ширину импульса следует регулировать в зависимости от условий эксплуатации, чтобы один прибор обеспечивал как быстрое сканирование, так и глубокий контроль, а также позволял проверять проникновение импульса на эталонном образце с тем же типом оболочки.

Стратегия 2: Совместная оптимизация энергии, импеданса и частоты повторения.

Энергию блока питания и импеданс контура Z = √(L / C) следует подобрать таким образом, чтобы получить требуемый пиковый ток и спектр. Энергию следует увеличить для глубокого режима, а частоту повторения — для экранирующего режима, поскольку оба режима потребляют энергию от одного и того же блока питания. Индуктивность контура должна оставаться ниже 30 нГн при использовании ламинированной шины, чтобы фронт импульса оставался достаточно резким для синхронизации позднего затухания.

Стратегия 3: Выберите диэлектрик N4700 для накопителя энергии.

Для класса 50–500 А используйте керамику N4700 класса I с импульсной плотностью тока, эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 30 мОм для КПД выше 90% и плотностью энергии выше 1 Дж/см³ для портативного корпуса. Проверьте ESR на рабочей частоте и токе. Используйте блоки с эпоксидной герметизацией, рассчитанные на влажность и температуру окружающей среды.

Стратегия 4: Разработайте схему развития событий для всей кампании.

Заряжайте аккумуляторную батарею через преобразователь с КПД выше 90%, чтобы потери при преобразовании не удваивали потребление энергии. Снижайте потери энергии на один цикл измерения до уровня ниже 10% за счет использования накопителей с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Добавьте управление режимом ожидания и подсчет циклов измерения, чтобы прибор потреблял энергию только во время проверки.

Стратегия 5: Укрепить модуль для работы в полевых условиях.

Корпус блока имеет степень защиты IP, прошел испытания на вибрацию и подходит для эксплуатации в промышленных условиях. Модульная конструкция должна быть взаимозаменяемой на месте, что позволяет заменить изношенный блок за считанные минуты. Используйте цепочку поставок с доставкой в ​​течение 4 недель, чтобы запасные модули никогда не приходилось ждать поставки конденсаторов.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для импульсных блоков CUI-PEC

Для источника тока, проходящего через оболочку лампы, необходима накопленная энергия в компактном корпусе, разряд с низкими потерями и батарея, выдерживающая полный цикл проверки. Компания HVC производит компоненты класса N4700 I для этих целей на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ, с проверкой на частичные разряды на каждом блоке.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Допустимый пиковый ток составляет от 50 А до 500 А при эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) ниже 30 мОм, что обеспечивает запас мощности в 10–100 раз, необходимый для ослабления оболочки на 30–40 дБ.
• Плотность энергии в корпусе конденсатора превышает 1 Дж/см³, что позволяет удерживать заряд в 100 Дж на импульс внутри портативного прибора весом менее 5 кг.
• Эффективность разряда выше 90%, что сокращает расход батареи примерно вдвое и превращает 30-минутный сеанс просмотра в полноценный рабочий день.
• Длительность импульсного режима превышает 10⁶ выстрелов, при этом дрейф емкости находится в пределах ±2%, что соответствует сотням выстрелов в день, которые производятся в рамках кампании по скринингу.
• Широкий диапазон температур Керамические дисковые конденсаторы N4700 с эпоксидным покрытием, рассчитанным на воздействие влажности, солевого тумана и вибрации, для условий эксплуатации, в которых образуется коррозия под изоляцией (CUI).
• Скоординированные компоненты для одного и того же источника: Винтовые клеммные конденсаторы HVCT8G для более высоких ступеней напряжения, резисторы выборки HVRGXP в нынешнем смысле, и HVR-BSP резисторы плоского типа для цепи зарядки. Компоненты HVC также соответствуют электрическим параметрам. TDK и импульсные диапазоны Vishay HV.

Доставка и поддержка

Изготовление корпусов на заказ занимает от 4 до 6 недель, а стандартных компонентов — от 4 до 8 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в согласовании ширины импульса, оптимизации параметров LC-цепи, анализе потребления заряда батареи и разработке прочной модульной упаковки для эксплуатации в полевых условиях.

Укажите толщину изоляции и оболочки, материал трубы, пиковый ток и количество разрядов в день. Компания HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора конденсаторов с номерами деталей, данными ESR на частоте разряда и комплектом для оценки двух образцов. быстровосстанавливающийся диод Стоимость этапа зарядки может быть указана в том же документе.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какая мощность импульса необходима для контроля качества через защитную оболочку?

Мощность в 10-100 раз выше, чем у прибора без изоляции. Изоляция, оболочка и стенка вместе ослабляют сигнал на протяжении всего пути более чем на 30 дБ, а толстый пакет со стальной оболочкой достигает 40 дБ. Источник без такого запаса вообще не сможет достичь стенки трубы.

Вопрос 2: Какое количество энергии должен накапливать аккумулятор за один импульс?

Для глубокого исследования требуется около 100 Дж. Согласно формуле E = ½ · C · V², батарея емкостью 50 мкФ, заряженная до 2 кВ, содержит 100 Дж энергии, а при частоте 0.5 Гц это соответствует средней потребляемой мощности 50 Вт. Плотность энергии выше 1 Дж/см³ позволяет разместить эту батарею в переносном корпусе, а не в тележке.

Вопрос 3: Почему время работы батареи ограничивает эффективность кампании?

Поскольку батарея емкостью 100 Вт·ч при средней потребляемой мощности 50 Вт работает два часа при идеальной эффективности и всего 72 минуты при 60%. Каждая потерянная процентная доля эффективности разряда напрямую вычитается из времени проверки. Сопротивление батареи (ESR) ниже 30 мОм позволяет снизить потери на один цикл разряда до менее 10%.

Вопрос 4: Какая ширина импульса подходит для трубы в оболочке?

Достаточно длинная, чтобы низкочастотное содержимое сохранилось вне оболочки. Алюминиевая оболочка толщиной 0.5 мм с изоляцией толщиной 50 мм требует более короткого импульса, чем стальная оболочка с изоляцией толщиной 200 мм. Задайте ширину, исходя из времени диффузии фактического пакета, и обеспечьте возможность регулировки в полевых условиях.

В5: Почему швы обшивки приводят к ложным срабатываниям?

Поскольку швы, наложения, полосы и зажимы искажают поле вихревых токов, а источник без запаса проникновения создает записи, где эти артефакты и неглубокая коррозия выглядят одинаково. Дополнительный запас проникновения и контроль пульсаций источника позволяют разделить их, поэтому бригады перестают игнорировать слабые сигналы.

В6: Какие параметры конденсатора определяют скорость обнаружения?

Пиковый ток, эквивалентное последовательное сопротивление (ЭСС) и плотность энергии. Пиковый ток определяет, какое количество поля достигает стены, ЭСС определяет, какая часть накопленной энергии поступает, не нагревая аккумулятор, а плотность энергии определяет портативность прибора. Длительность импульса определяет, как долго источник поддерживает эти значения.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Ук-Джин Ли и Сын-Ки Соль, Стабилизация напряжения звена постоянного тока для инвертора с уменьшенным количеством конденсаторов в звене постоянного токаIEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 1, стр. 404-414, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2013.2268733
8. Схемы защиты от дугового разряда и внешние последовательные ограничивающие резисторыSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-13, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13 .
9. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. Мартинес-Вега, Дж. (ред.), Диэлектрические материалы для электротехникиЛондон: ISTE / Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2010.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com