РАЗРАБОТКА СОРБЦИОННО-ЕМКОСТНОГО СЕНСОРА ВЛАЖНОСТИ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ И МАГНЕТРОННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ

DEVELOPMENT OF A SORPTION-CAPACITORY HUMIDITY SENSOR BASED ON THIN FILMS PRODUCED BY MICRO-ARC OXIDATION AND MAGNETRON DEPUTATION

S.O. MIKHIN1, D.N. EGOROV2
1OBTK-Lunskoye Sakhalinskoye LPUMT OOO Gazprom transgaz Tomsk
Yuzhno-Sakhalinsk, Sakhalin Region, 693000, Russian Federation
2 Federal state budgetary educational institution of higher education Ukhta state
technical university, Ukhta, Republic of Komi, 169300, Russian Federation

В сфере магистральных газопроводов, при транспортировке газа значительной является роль контроля за параметрами газа, а именно – за его влажностью.

В настоящее время наблюдается потребность в дооснащении приборного парка магистральных газопроводов (МГ) приборами измерения температуры точки росы по влаге и возникает необходимость разработки собственного отечественного прибора с более доступной технологией изготовления и простой схемой монтажа на технологическом объекте. Научно-исследовательские и технологические работы на данном направлении сейчас ведутся рядом российских компаний и предприятий.

В статье раскрываются подробности изучения зарубежных технологий анализа температуры точки росы по воде.

In the field of main gas pipelines, when transporting gas, the role of monitoring gas parameters, namely its humidity, is significant.
At present, there is a need to equip the instrumentation fleet of main gas pipelines (MG) with devices for measuring the temperature of the dew point by moisture, and there is a need to develop our own domestic device with a more affordable manufacturing technology and a simple installation scheme at a technological facility. Research and technological work in this direction is now being carried out by a number of Russian companies and enterprises.
The article reveals the details of the study of foreign technologies for analyzing the temperature of the dew point in water.

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.

Литература

1. Узяков Р.Н., Чирков Ю.А., Кушнаренко В.М., Пояркова Е.В. Влияние непрогнозируемых факторов на коррозионные повреждения трубопроводов и оборудования // Нефтегазовое дело. – 2019. – № 6. – С. 87–100.
2. ТР ЕАЭС 046/2018 Технический регламент Евразийского экономического союза «О безопасности газа горючего природного, подготовленного к транспортированию и (или) использованию» [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/551516260 (дата обращения: 27.02.2023).
3. Измерение точки росы по воде и углеводородам [Электронный ресурс]. URL: http://www.michell.com/ru/documents/Process_Analyzers_97142_RU_Range_Brochure.pdf (дата обращения: 27.02.2023).
4. Завод высоковольтных электронных компонентов «Прогресс» [Электронный ресурс]. URL: https://zvekprogress.ru/ (дата обращения: 27.02.2023).
5. Паспорт программы инновационного развития ПАО «Газпром» до 2025 года [Электронный ресурс]. URL: https://www.gazprom.ru/f/posts/97/653302/prir-passport-2018-2025.pdf (дата обращения: 27.02.2023).
6. Программа импортозамещения измерительной техники на 2022-2030 годы [Электронный ресурс]. URL: https://import-net.vniims.ru/upload/import.pdf (дата обращения: 27.02.2023).

References

1. Uzyakov R.N., Chirkov Yu.A., Kushnarenko V.M., Poyarkova E.V. Influence of unpredictable factors on corrosion damage to pipelines and equipment // Oil and gas business. – 2019. – No. 6. – Pp. 87–100.
2. TR EAEU 046/2018 Technical Regulations of the Eurasian Economic Union On the safety of combustible natural gas prepared for transportation and (or) use Available at: https://docs.cntd.ru/document/551516260 ( accessed: 02/27/2023).
3. Dew point measurement for water and hydrocarbons Available at: http://www.michell.com/ru/documents/Process_Analyzers_97142_RU_Range_Brochure.pdf (accessed: 02/27/2023).
4. Plant of high-voltage electronic components Progress Available at: https://zvekprogress.ru/ (accessed: 02/27/2023).
5. Passport of the innovative development program of Gazprom PJSC until 2025 Available at: https://www.gazprom.ru/f/posts/97/653302/prir-passport-2018-2025.pdf (accessed: 02/27/2023).
6. The program of import substitution of measuring equipment for 2022-2030 Available at: https://import-net.vniims.ru/upload/import.pdf (accessed: 27.02.2023).

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей

    Авторизация


    регистрация

    Михин С.О.

    инженер по КИПиА 2 категории

    ОБТК-Лунское Сахалинское ЛПУМТ ООО «Газпром трансгаз Томск»

    Егоров Д.Н.

    магистрант ФГБОУ ВО «УГТУ

    ФГБОУ ВО Ухтинский государственный технический университет

    Просмотров статьи: 604

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru