В природном газе, так же как и в других газах, находящихся в естественной среде, содержится некоторое количество влаги в виде водяного пара.
В сфере магистральных газопроводов, присутствие влаги в транспортируемом продукте приводит к снижению энергетической эффективности работы транспорта, вызывает негативные физические и химические процессы [1]. В связи с приведенными аспектами значительной является роль контроля за параметрами газа, а именно за его влажностью – температурой точки росы по воде с целью минимизации рисков поставки некондиционного газа контрагентам, в том числе, по экспортным контрактам [2, с. 10].
Потребности в дооснащении приборного парка МГ приборами измерения температуры точки росы по влаге растут с каждым днем, что создает необходимость в разработке нового отечественного прибора с более доступной технологией изготовления и простой схемой монтажа на технологическом объекте. Общая потребность ПАО «Газпром» в приборах по измерению температуры точки росы превышает 10000 единиц.
В системе магистрального транспорта газа для измерения температуры точки росы по воде преобладающее число анализаторов построено на сорбционно-емкостном принципе измерения влаги. Сорбционно-емкостный принцип позволяет измерять точку росы в широком диапазоне – от -110 до +20 градусов по шкале Цельсия, что подразумевает использование данного типа анализаторов на линейной части МГ, компрессорных цехах, газоизмерительных и газораспределительных станциях, а также на предприятиях по сжижению и добычи углеводородов. Данные анализаторы представлены в РФ зарубежными компаниями Michell Instruments (Англия), Xentaur (США).
Конструкция зарубежного сорбционно-емкостного сенсора представляет собой электрический переменный конденсатор, состоящий из керамической подложки, на которую нанесен пористый диэлектрик (сорбирующей слой), заключенный между двумя металлическими газопроницаемыми электродами [3, с. 3]. Диэлектрическая проницаемость сорбирующего слоя и, как следствие, его емкость изменяется в зависимости от количества поглощенной влаги. Сенсор устроен таким образом, что при увеличении количества влаги в измеряемой среде она сорбируется диэлектрическим слоем, а при уменьшении отдается обратно в измеряемую среду. Диэлектрический пористый слой выполнен в виде тончайших пленок из оксида алюминия, электроды – из золотых пленок. Толщина пленок ничтожно мала и составляет 80–100 нм. Емкость данных сенсоров площадью 1 на 1 мм² составляет порядка 198000 пкФ.
На рис. 1 представлена структура зарубежных сенсоров точки росы.
Топологически технология изготовления данных тонких пленок на основе оксида алюминия и золота осуществляется методами плазменного анодирования, а также магнетронного напыления в вакууме. Теоретическая и практическая реализация данного метода изготовления газопроницаемых пленок в РФ пока недоступна ввиду сложной практической реализации установок по магнетронному напылению и плазменному анодированию и их высокой стоимости, отсутствия компетентных научных кадров по направлению изготовления тонких пленок, применяемых в конструкции сенсоров влажности для задач газовой гигрометрии, а также необходимой теоретической базы.
Так уж исторически сложилось, что освоение новых технологий напрямую связано с наличием необходимой финансовой и современной научно-производственной поддержки. Такую поддержку для достижения поставленных задач в данной работе оказывает завод высоковольтных электронных компонентов «Прогресс» [4].
Основаниями для выполнения данной инициативной научно-исследовательской и технологической работы (НИиТР) в свободное от основной работы время являются:
– технологический приоритет № 5.5 «Технологии повышения эксплуатационной надежности объектов ГТС» программы инновационного развития ПАО «Газпром» до 2025 г. [5];
– программа импортозамещения измерительной техники на 2022-2030 гг., утвержденная Министерством промышленности и торговли РФ, пункт № 29 [6, с. 152].
Целями НИиТР являются:
– изготовление отечественного сенсора влажности, не уступающего по диэлектрической проницаемости и емкости зарубежным аналогам на основе тонких пленок, с последующим проведением испытаний данного сенсора в камере холода, тепла и влаги (относительная влажность) и камере температуры точки росы (абсолютная влажность);
– изготовление электронной и измерительной плат, корпуса, электроввода для данного сенсора;
– проведение испытаний в целях утверждения типа на данный анализатор, а также необходимых процедур сертификации и декларирования для применения на ОПО.
Для реализации поставленных целей заводом «ОБТК-Лунское» были безвозмездно предоставлены образцы сенсоров и электронных компонентов зарубежных анализаторов Michell Instruments и Xentaur.
В работе раскрываются подробности изучения зарубежных технологий анализа температуры точки росы по воде (рис. 2).
Представлены результаты работы по изготовлению и испытанию диэлектрических пористых сорбирующих слоев опытного сенсора из Al2O3 методом микродугового оксидирования (МДО) в плазме (рис. 3). Микродуговое оксидирование позволяет формировать композиционные керамические материалы (покрытия толщиной до 400мкм) с кристаллической и аморфной структурой широкого функционального назначения на вентильных металлах.
Представлены результаты работы по изготовлению и испытанию диэлектрических пористых сорбирующих слоев опытного сенсора из Al2O3 методом микродугового оксидирования (МДО) в плазме (рис. 3). Микродуговое оксидирование позволяет формировать композиционные керамические материалы (покрытия толщиной до 400мкм) с кристаллической и аморфной структурой широкого функционального назначения на вентильных металлах.
Нанесение верхнего электрода производилось методом магнетронного напыления в вакууме. Магнетронное распыление – технология нанесения тонких пленок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда. В качестве катода (мишени) в работе использовалось золото высокой частоты (99,99 %).
В рамках реализации проекта было изготовлено 2 опытных образца вакуумной камеры и разработана конструкторская и технологическая документация для реализации промышленного образца. Опытный образец готового сорбционного-емкостного сенсора влажности, представлен на рис. 4.
На текущий день подготовлены статьи для публикации по теме научных исследований в журналы ВАК. Подготовлены материалы на получение патентов на полезную модель и изобретение.