Промышленные датчики давления: рынок в нынешних условиях
Правильное измерение давления играет большую роль в нефтегазовом комплексе. От него зависят надёжная работа приборов, их срок службы, а главное, жизнь и безопасность людей. Как и в любом производстве, здесь важна точность, и с этой задачей прекрасно справляются специальные приборы — датчики давления. Долгое время на этом рынке ключевые позиции занимали импортные компании. Санкции изменили положение дел. Насколько отечественные производители готовы заменить ушедшие бренды?
Принцип работы датчика давления
Наиболее распространённая классификация датчиков строится на принципе измерения, который, в свою очередь, зависит от того, какой чувствительный элемент используется в приборе. Существует множество разновидностей принципов схемной реализации датчиков.
«Пьезорезистивный и ёмкостный принципы измерения активно развиваются с 1960‑х годов. Чуть позже, в результате массового развития полупроводниковых МЭМС технологий, в 1980‑х годах появился частотно-резонансный метод измерения», — отмечает заместитель директора по коммерческим вопросам ООО «ИТеК ББМВ» Анастасия Бакунова.
«Принцип работы пьезорезистивных и тензорезистивных датчиков основан на функциональной зависимости между измеряемым давлением и упругими деформациями чувствительного элемента, преобразующимися в сигнал полупроводниковыми, проволочными, фольговыми или металлоплёночными тензо- и пьезорезисторами, формирующими мостовую схему Уитстона», — объясняет главный метролог ООО «ГТЛАБ», канд. тех. наук Александр Симчук.
Ещё один принцип измерения — ёмкостный.
«Известны керамические или кремниевые ёмкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется, и происходит изменение ёмкости, которая имеет линейный закон от приложенной нагрузки», — объясняет действие прибора Анастасия Бакунова.
В свою очередь, резонансный принцип основан на преобразовании деформации резонатора в частоту колебаний.
«Такой сенсор представляет собой монокристаллическую кремниевую мембрану специальной конструкции, на которой сформирован резонатор. В зависимости от знака приложенного давления он растягивается или сжимается, в результате чего частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и в итоге на выходе чувствительного элемента получается цифровой (частотный) сигнал, точно отражающий величину измеряемого давления», — рассказывает Анастасия Бакунова.
В свою очередь, генеральный директор ООО «Валком», канд. тех. наук Александр Демченко, помимо пьезорезистивных и ёмкостных, выделяет ещё частотные (кварцевые) датчики. По его словам, они имеют высокую стабильность (до 10 лет), но являются более сложными в производстве.
Каковы же достоинства и недостатки каждого из этих типов? К преимуществам ёмкостных, т. е. так называемых параметрических, датчиков относится возможность измерения как динамического, так и статистического давления сред с сохранением высокой точности измерений, отмечает Александр Симчук. В то же время стоит учитывать их высокую по сравнению с аналогами стоимость. При этом свои плюсы и минусы есть и у пьезорезистивных датчиков.
«К их недостаткам можно отнести требование внешнего питания, усложнение схемы за счёт необходимости термокомпенсации, необходимости учёта дрейфа нуля. Организация серийного производства конкурентоспособных изделий требует применения высокотехнологичных микроэлектронных технологий.
В технике измерений переменного давления также широко применяются пьезоэлектрические датчики. Пьезодатчики относятся к датчикам генераторного типа, в которых измеряемое давление передается через мембрану на пьезоэлемент, генерирующий пропорциональный воздействию заряд. Далее сигнал через соответствующие согласующие устройства передается на регистрирующий прибор.
Датчики этого типа просты по конструкции, не требуют внешнего источника питания за исключением схемы с встроенным усилителем. Основное преимущество датчиков этого типа в сравнении с другими преобразователями переменных давлений — надёжность при эксплуатации в жёстких условиях, широкий динамический и частотный диапазоны.
Ограничивающим фактором является нечувствительность датчиков к постоянной составляющей давления, но возможно их применение для измерений квазистатических давлений с частотами до сотых долей герца с использованием специальных согласующих устройств», — продолжает Александр Симчук.
В свою очередь, Александр Демченко отмечает, что при современном развитии промышленности различия между характеристиками различных типов элементов нивелируются. Так что, по словам Анастасии Бакуновой, пытаться выделить достоинства и недостатки разных принципов на данный момент не имеет никакого смысла.
«Все они доведены до своего логического совершенства технологии изготовления. С появлением микропроцессорной электроники и возможности корректировать множество погрешностей с помощью математических моделей и алгоритмов принцип измерения датчика отошёл на второй план.
Если подробно рассмотреть характеристики датчика давления отечественных и иностранных компаний, то мы не увидим принципиальной разницы, а именно: точность прибора достигает
0,03–0,04%, долговременная стабильность 0,1% в течении пяти и более лет, большая глубина перенастройки датчика, одного порядка температурная погрешность, сопоставимые требования к условиям эксплуатации и т. д.», — рассуждает г-жа Бакунова.
Датчик для нефтегазовой отрасли: каким он должен быть?
О каких же критериях идёт речь применительно к датчикам для нефтегазовой отрасли?
Александр Демченко отмечает, что каких‑то специфических требований нет. По его словам, как и в других отраслях, здесь важны надёжность и долговременная стабильность характеристик прибора, возможность работать в широком диапазоне температур от –60 до +80 °C, сохранение метрологических характеристик при пятикратном превышении номинального давления и возможность перестройки диапазона работы датчика.
Анастасия Бакунова также отмечает, что есть стандартный набор характеристик, универсальный для всех отраслей: метрологическая точность, виброустойчивость, электромагнитная совместимость, безопасность эксплуатации. В то же время эксперт выделяет направления, которые приобретают наибольшую актуальность для нефтегазового сектора промышленного комплекса РФ на сегодняшний день.
«Во-первых, это Север и освоение арктического шельфа, т. е. эксплуатация приборов в условиях экстремально низких температур и морского климата. Это требует решений в части применения специальных материалов и сплавов, внедрения решений по обогреву импульсных линий и применения обогреваемых шкафов и чехлов для приборов и функционального оборудования, проведения работ по повышению ресурса эксплуатации в условиях морского климата.
Во-вторых, разработка месторождений с повышенным содержанием сероводорода. Это Урало-Поволжская и Прикаспийская нефтегазоносные провинции, Оренбургское нефтегазоконденсатное, Астраханское месторождения и залежи Казахстана.
Здесь также стоит задача использования в оборудовании более стойких материалов, антикоррозионных покрытий, нейтрализаторов-поглотителей сероводорода. Третьим направлением можно выделить добычу трудноизвлекаемых углеводородов. Здесь необходимо применение и совершенствование технологий разрыва пластов, бурение сложных горизонтальных скважин и т. д.
Применительно к полевому оборудованию, как датчики давления, предъявляются требования работы с высокими давлениями до 150 МПа и поисках вариантов защиты датчиков от гидроудара. При этом датчик эксплуатируется в средах, которые содержат газовую фазу, жидкую фазу, песчано-абразивные включения», — перечисляет заместитель директора «ИТеК ББМВ».
Директор по развитию ЗАО «ЭМИС» Артур Даутов добавляет, что датчики, которые используются в нефтегазовой отрасли, должны соответствовать стандартам Ex d (взрывозащищённая оболочка) или Ex ia (искробезопасная электрическая цепь). При этом последний преобладает в нефтепереработке или нефтехимии, а Ex d — в добыче, отмечает эксперт.
«В процессе добычи и переработки углеводородов измеряемая среда может содержать сероводород и водород. Поэтому в „смачиваемой” части датчиков используются коррозионно-стойкие нержавеющие легированные стали AISI 316, 316L, C‑276, 12Х18Н10Т. Также могут быть элементы из тантала, монель-металла или титана.
В частности, наилучшей защитой от разрушающего действия водорода или сероводорода является покрытие смачиваемой части датчика тонким слоем золотого напыления. Если окружающая среда прибора содержит коррозионно-активные компоненты, то нам надо уже защищать сам корпус — использовать специальные покрытия электронного преобразователя, выполненного из алюминиевого сплава, или изготавливать его из нержавеющей стали, что является максимально надёжным способом продлить эксплуатацию», — комментирует Артур Даутов.
Ещё один вызов для конструкторов — экстремальные температуры при нефтепереработке. Так, при процессах пиролитического разложения сложных углеводородов на базовые они могут достигать +400 °C!
«Для работы в таких условиях существуют специальные конструктивные решения: мембранные разделители сред, которые представляют собой промежуточные гидравлические системы, отделяющие процесс от датчика давления посредством отдельной мембраны и капилляра», — рассказывает представитель «ЭМИС».
При этом есть ещё отдельные требования по соответствию SIL, быстродействию, сроку службы, дополнительной температурной погрешности, огромной номенклатуре манифольдов, переходников, фитингов, термочехлов и термобоксов, добавляет Артур Даутов.
Импортозамещение датчиков давления: не только количество, но и качество
Два года назад на этом рынке ключевые позиции удерживали зарубежные производители. Понятно, что санкции внесли свои коррективы.
«Доля импорта на рынке датчиков давления до санкций была достаточна высока. Это было связно с тем, что крупные зарубежные компании агрессивно заходили на российский рынок со своими широкими линейками продукции.
Молодым развивающимся российским компаниям-производителям было довольно сложно конкурировать с такими гигантами. Однако это дало и определённый толчок в развитии, возможность для роста, новых разработок, улучшения технических характеристик.
В 2022 году после „подвисания”, а затем и окончательного ухода иностранных компаний с рынка, конечно, ниша датчиков давления освободилась, примерно 15–30 тыс. единиц в месяц. Как результат — заказчик, которому нужна стабильность и уверенность в поставках, развернулся в сторону российских производителей. Ну а мы, соответственно, были к этому готовы», — рассказывает Анастасия Бакунова.
«Вследствие импортных ограничений в последнее время наблюдается увеличение количества запросов предприятий различного профиля по возможности разработки и поставки специфической датчиковой аппаратуры, что требует соответствующих финансовых и интеллектуальных вложений», — говорит Александр Симчук.
«Для чистоты эксперимента необходимо сравнивать результаты 2021 и 2023, а ещё лучше 2021 и 2024 годов. В 2021 году 70–75% рынка интеллектуальных датчиков давления контролировали иностранные бренды из Европы, США и Японии. А уже в 2023 году их доля снизилась до 3–7%. Возможно, этот показатель был выше за счёт больших запасов комплектации иностранных производителей на территории РФ, поэтому именно 2024 год будет показательным», — считает Артур Даутов.
Он отмечает, что после ухода западных компаний стали недоступны некоторые цифровые сервисы, которые обеспечивали сбор диагностической информации по HART-протоколу, беспроводные устройства WirelessHART, широкий класс устройств с цифровыми протоколами Profibus и FoundationFieldbus. Однако в «ЭМИС» уверены, что все проблемы решаемы.
«Ассоциация FieldCommGroup более не работает с российскими компаниями, что не позволяет тестировать и добавлять в международную библиотеку новые отечественные HART устройства. Тем не менее компетенции российских специалистов никуда не пропали, и мы продолжаем поддерживать существующие протоколы и обеспечивать работоспособность устройств.
Дефицит некоторых материалов тоже не является нерешаемой задачей, вопрос лишь в стоимости в новых условиях. В части датчиков давления российский рынок не пострадал. Мы учимся и успешно реализуем требования международных EPC-компаний, это бесценный опыт. Так что положительный импульс для отечественных производителей очевиден», — говорит Артур Даутов.
Перечисленные выше и другие временно недоступные технологии активно замещаются. По словам Анастасии Бакуновой, на стадии внедрения и вывода на рынок находятся следующие продукты:
- измерительные преобразователи с выносными мембранами различных конструкций для особых сфер применения, таких как измерение высоковязких, абразивных, химически активных сред;
- расширенная функциональная диагностика параметров технологического процесса (указатель закупорки или застывания среды в импульсных линиях; фиксация и запоминание воздействия, превышающего давление; отображение дополнительных рабочих показателей: температуры рабочей и окружающей сред, статического давления);
- многопараметрический датчик давления, способный работать в режиме отображения измеряемых параметров: дифференциального давления, статического давления и температуры — или в режиме вычисления значений массового или объёмного расхода протекающей среды; расчётные значения при измерении уровня.
Нельзя недооценивать работу по импортозамещению, которая была проведена отечественными компаниями, убеждена представитель «ИТеК ББМВ».
«За это время пройден большой путь: проведено переоснащение производственных участков; закуплено современное обрабатывающее и сборочное оборудование; внедрены высокоточные и производительные калибраторы и эталоны давления, приборы электрических измерений; обновлено климатическое и испытательное оборудование.
Проведены ОКР по внедрению конструкторских и технологических решений, алгоритмов обработки сигналов, совершенствованию математической модели обработки результатов измерения, которые позволяют говорить, что на сегодняшний день отечественные датчики давления соответствуют мировым стандартам по точности, стабильности, надёжности и функциональности.
Процесс планомерного развития и требования скорейшего импортозамещения привели к высококачественным изменениям полевых приборов», — перечисляет Анастасия Бакунова.
Китайские датчики давления не конкуренты российским?
Часто можно услышать, что место западных производителей заняли китайские компании. Как обстоят дела в случае с датчиками давления для нефтегаза?
«Если говорить о датчике давления как готовом продукте, то массового замещения китайским продуктом не наблюдается, возможно, какие‑то единичные объекты. Мы изучали некоторые датчики давления китайских производителей и пришли к выводу, что в качестве чувствительных элементов используют ёмкостные ячейки предыдущих поколений (на которые перестали действовать патенты) или пьезорезистивные кристаллы западного производства.
Таким образом, никакой новизны они не предлагают. На сегодняшний день можно сказать, что заказчик развернулся в сторону российских производителей. И в части производства полевых приборов в РФ есть достаточно компаний-производителей», — считает Анастасия Бакунова.
«Не стоит недооценивать китайский потенциал, но в конечном итоге критерием выбора заказчика является не только цена, но и возможность выполнения специфических требований, и на последнее следует обращать особое внимание, если играть вдолгую», — добавляет Александр Симчук.
Артур Даутов, в свою очередь, подчёркивает, что китайским компаниям ещё предстоит пройти долгий путь адаптации к требованиям российских заказчиков по метрологии, климатическим условиям, наличию адекватного сервиса и представителей на территории РФ.
«В части метрологической культуры наши производители имеют серьёзный опыт и понимание системы требований. Поэтому место западных брендов заняли российские компании в разном соотношении, и доли рынка существенно перераспределились.
Возможно, продукции из КНР будет проще попасть на рынок РФ через блочные поставки крупного оборудования для российских заводов (различные типы компрессоров, турбин и т. д.), так как китайские производители стараются использовать „своих” поставщиков датчиков давления. Но нашим конечным заказчикам важно понимание и уверенность в надёжности продукции, и они выставляют требования использовать российские приборы для китайских подрядчиков.
Поэтому сейчас нередко наши датчики давления мы поставляем иностранным подрядчикам в Китай, Индию и другие страны», — рассказывает Артур Даутов.
Выбор в пользу российских решений в данном случае безопаснее и с точки зрения санкционной угрозы.
«Многие китайские компании в основе датчика давления имеют чувствительный элемент американского или европейского производства, что создает определённые риски для применения их в российской промышленности в связи с вероятностью дальнейшего санкционного давления», — объясняет Александр Демченко.
В тесном тандеме с заказчиком
Каковы же перспективы российского рынка датчиков давления? Эксперты выделили факторы, как способствующие, так и препятствующие развитию этого рынка.
Александр Симчук основные задачи видит в анализе и удовлетворении потребностей рынка, наращивании интеллектуальных и производственных мощностей.
«Если речь идёт об уникальных разработках, то для нас, как для научно-производственного предприятия, важно проявление „терпимости” потребителей к возможным ошибкам с учётом их дальнейшего исправления. Ведь высокотехнологичную продукцию возможно вывести в серию только за счёт многократных внедрений», — говорит Александр Симчук.
В том, что дальнейшее развитие российского датчика давления необходимо проводить в плотном сотрудничестве с заказчиками, убеждена и Анастасия Бакунова. В «ИТеК ББМВ» в качестве основных направлений работы выделяют:
- внедрение современных коррозионно-стойких сталей, сплавов и покрытий для химической и нефтехимической промышленности (пока такие материалы отсутствует на отечественном рынке);
- изготовление отечественных пьезорезистивных чувствительных элементов (пока передовые разработки, которые позволяют выпускать стабильные высокоточные датчики, принадлежат компаниям из «недружественных» стран);
- импортозамещение электронной базы и внедрение аналогов (речь идёт об электронных компонентах, микроконтроллерах и функциональных микросхемах; в этом направлении появляются отечественные микросхемы, проектируется электронный преобразователь).
Назрело и внедрение беспроводных решений в полевых приборах, в том числе «индустриального интернета вещей». Особенно они востребованы на труднодоступных месторождениях нефти и газа на Севере.
«В скором времени произойдёт переход от унифицированного аналогового сигнала, передаваемого по проводам, к полностью цифровому, и тогда наиболее рациональным решением передачи информации от прибора будет использование самоорганизующейся распределённой беспроводной сети.
Необходимо глобально в рамках всей страны задуматься о разработке отечественного цифрового протокола передачи данных. На данный момент наиболее популярный Hart-протокол, а также Profibus, Fieldbus и т. п., поддерживаются ассоциациями, которые прекратили доступ к развитию этих интерфейсов», — считает Анастасия Бакунова.
Слово экспертам
Александр Демченко, генеральный директор ООО «Валком», канд. тех. наук
«Какие задачи стоят перед российскими производителями? Работать, работать и работать над улучшением достигнутых характеристик. Сейчас в связи с множеством санкций открыто определённое окно возможностей, которое нужно использовать для развития российской промышленности».
Анастасия Бакунова, заместитель директора по коммерческим вопросам ООО «ИТеК ББМВ»
«Если какое‑то время назад можно было сказать, что лидерами и законодателями в этих вопросах были иностранные компании, то на сегодняшний день ситуация значительно изменилась: российские производители датчиков давления готовы предложить нефтегазовой и другим отраслям промышленности оборудование, не уступающее, а где‑то и превышающее технические характеристики зарубежных аналогов».
Артур Даутов, директор по развитию ЗАО «ЭМИС»
«Необходимо уделять внимание поддержке и развитию собственного производства, обеспечить наличие средств производства. Для датчиков давления это сварочное оборудование, климатические камеры, метрологические стенды, оборудование для вакуумирования и заливки, сборочные линии, средства контроля качества и испытательные стенды.
С учётом полученного опыта необходимо планировать производство с дальним горизонтом. Строить цепочки поставки комплектующих с запасными вариантами и отдавать приоритет российским поставщикам.
Параллельно необходимо фокусироваться на НИОКР, чтобы обеспечить те запросы заказчиков, которые сейчас возможно закрыть только через параллельный импорт: многопараметрические датчики давления, погрешности 0,025%, протоколы Profibus, FoundationFieldbus, развитый аппарат самодиагностики датчика, часть типов присоединительной резьбы и конструкционных решений для специфических производств, беспроводные решения без использования внешних адаптеров».
Александр Симчук, главный метролог ООО «ГТЛАБ»
«Специфика применения датчиков в нефтегазовой промышленности накладывает дополнительные требования к их конструктивным особенностям и метрологическим характеристикам. Приборы должны обладать высокой надёжностью, промышленным исполнением, герметичными кабельными заделками и т. п.
Конструкции датчиков и согласующих устройств должны соответствовать нормам взрывозащищённых исполнений: гальваническая изоляция сигнальных выводов от корпуса с соблюдением специальных требований, применение барьеров взрывозащиты. Увеличенный межповерочный интервал (не менее двух лет) также добавляет практичности в использовании».
Текст: Андрей Халбашкеев
