«ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СТАНЦИЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ...»

Нижегородский Государственный Технический Университет

На правах рукописи

НИКУЛИН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СТАНЦИЙ КАТОДНОЙ

ЗАЩИТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность:

05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Титов В.Г.

Нижний Новгород – 2014 ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

СТАЛЬНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ И МЕТОДОВ.............. КОНТРОЛЯ ИХ ЗАЩИЩЕННОСТИ

1.1 Условия эксплуатации и коррозионное состояние магистральных газопроводов

1.2 Пассивная защита труб от коррозии

1.3 Активная защита от коррозии

1.4 Электрохимическая защита магистральных газопроводов от коррозии.... 1.5 Методы контроля защищенности магистральных газопроводов от коррозии

1.6 Обзор существующих методик оптимизации работы средств электрохимической защиты

1.7 Выводы

2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ

РАСПРЕДЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ, МЕТОДЫ СТРУКТУРНОЙ

ОПТИМИЗАЦИИ

2.1 Введение понятия стороннего потенциала наложенного неизвестными источниками

2.2 Методы структурной оптимизации

2.3 Выводы по главе

3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ МОДУЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ И ОСНОВНЫХ

АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ

3.1 Постановка задачи исследования

3.2 Структура модуля оптимизации

3.3 Ранжирование участков между СКЗ по степени коррозионной опасности 3.3.1 Назначение и характеристика

3.3.2 Оценка коррозионного состояния участков между СКЗ

3.3.3 Учет весов влияния факторов на каждом участке между СКЗ................. 3.3.4 Расчет интегрального показателя коррозионного состояния участков между СКЗ

3.3.6 Алгоритм ранжирования участков по коррозионной опасности.............. 3.3.7 Алгоритм ранжирования участков по коррозионной опасности на основе интегрального показателя

3.4 Определение возможности отключения СКЗ

3.4.1 Определение режимов функционирования СКЗ

Найденная матрица коэффициентов влияния А используется при определении защитных потенциалов для обеспечения поддержки принятия решения об отключении СКЗ, а также для решения задачи оптимизации.

3.4.2 Проверка граничных условий на выходные данные СКЗ

3.4.3 Проверка условия на наличие участка ВКО в зоне защиты СКЗ.............. 3.4.4 Проверка условия на наличие блуждающих токов в зоне защиты СКЗ.. 3.4.5 Принятие решения о возможности отключения СКЗ

3.4.6 Алгоритм определения максимального защитного потенциала............... 3.4.7 Алгоритм определения минимального защитного потенциала................ 3.5 Алгоритм поддержки принятия решения об отключении СКЗ

3.5.1 Определение количества соседних СКЗ, существенно влияющих на зону защиты

3.5.2 Расчет режимов работы соседних СКЗ для поддержания достаточного защитного потенциала при отключении рассматриваемой СКЗ

3.5.3 Проверка расчетных режимов на соответствие условиям по критериям 3.5.4 Расчет суммарного изменения мощности после предполагаемого отключения рассматриваемой СКЗ

3.5.5 Сравнение вариантов отключения СКЗ

3.5.6 Формирование предложения по отключению СКЗ

3.5.7 Алгоритм решения

3.6 Оптимизация параметров защиты СКЗ

3.6.1 Оценка необходимости оптимизации режимов СКЗ

3.6.2 Расчет значений напряжения на выходе СКЗ по критериям защищенности

3.6.3 Алгоритм решения

3.7 Расчет электрических характеристик трубопровода

3.7.1 Назначение и характеристика

3.7.2 Входное сопротивление трубопровода

3.7.3 Переходное сопротивление трубопровода в единицу длины

3.7.4 Решение обратной задачи по определению постоянной распространения тока

3.8 Выводы по главе

4 ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО НАХОЖДЕНИЮ

ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО СУММАРНОГО

ПОТЕНЦИАЛА НА ДЕЙСТВУЮЩЕМ ОБЪЕКТЕ МГ

4.1 Постановка задачи исследования

4.2 Описание объекта исследования, программы исследования и оборудования

4.3 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы Магистральные газопроводы эксплуатируются в различных климатических условиях, грунтах различной коррозионной активности, а также в морской воде.

Для обеспечения антикоррозионной защиты газопроводов используется комплексное сочетание пассивной (изоляционные покрытия) и активной (электрохимической) защиты. Критерием оценки эффективности электрохимической защиты является защитный потенциал и защитная плотность тока, которые зависят от физико-химических свойств коррозионной среды и могут меняться в широких пределах.

Защита трубопроводов осуществляется за счет поддержания минимального (отрицательного) защитного потенциала на концах зоны защиты. Завышение защитных потенциалов относительно значений, необходимых для оптимальной степени защиты магистральных газопроводов от коррозии, приводит к отрицательному эффекту «перезащиты», перерасходу электроэнергии и в целом значительно удорожает эксплуатацию системы катодной защиты. В свою очередь «недозащита» газопроводов приводит к повышению скорости коррозионного поражения стенки трубопровода и как результат, к преждевременному выходу его из строя.

Существующие системы управления станциями катодной защиты работают по одному заданному параметру без адаптации к изменяющимся условиям нагрузки, что в целом снижает эффективность применения устройств электрохимической защиты. Основными параметрами работы станций катодной защиты являются напряжение «труба-земля» и поляризационный потенциал.

При этом контроль защитного потенциала ведется только в точке дренажа, что не позволяет системе реагировать на изменения параметров нагрузки по трассе трубопровода. Кроме того, на ряде объектов, степень защищенности которых составляет 100%, тем не менее обнаруживаются коррозионные дефекты.

В условиях отсутствия информации по всем факторам, влияющим на коррозию, в том числе и изменяющихся во времени (блуждающие токи, в т.ч.

и индуцированные, плотность постоянного и переменного токов, режимы работы смежных станций катодной защиты (СКЗ) либо смежных объектов, включенных в совместную защиту или имеющих электрическую связь между собой, удельное сопротивление грунта, температура и т.д.) практически невозможно специалистам служб защиты от коррозии принять решение об оптимальных выходных режимах работы СКЗ, обеспечивающих 100% защищенность по протяженности и во времени на всех сооружениях одновременно с минимальными энергозатратами.

Цель работы Усовершенствование методик оптимизации режимов работы станций катодной защиты, решение проблемы развития автоматизированных средств управления и оптимального регулирования станциями катодной защиты Основные задачи

исследований:

обобщить и проанализировать критерии, влияющие на показатели защищенности магистральных газопроводов;

разработать методику проведения расчетов оптимальных режимов работы СКЗ в зависимости от распределения суммарных и поляризационных потенциалов по всей протяженности линейного участка магистрального газопровода;

синтез динамической модели на основе идентификации модели «труба-земля»;

разработать алгоритмы оптимизации режимов управления СКЗ;

нахождение методов решения многокритериальной задачи оптимизации;

провести апробацию полученных результатов на объекте МГ.

Научная новизна Выделены критерии, влияющие на состояние защищенности магистральных газопроводов, выделены связи между влияющими критериями. Определены критерии эффективности работы системы.

Разработана методика проведения измерений потенциалов по трассе МГ для идентификации модели изменения параметров «труба-земля».

Разработана динамическая модель изменения параметров защищенности в зависимости от управляющего воздействия, позволяющая в отличие от известных моделей использовать в качестве U0i величины собственного (стационарного) суммарного и поляризационного потенциала металла трубопровода в данных условиях Uстор в совокупности с неизвестным влиянием смежных СКЗ и неопределенных источников тока, что способствует сокращению времени на измерения и повышению точности дальнейшего расчета.

Разработаны алгоритмы управления системой ЭХЗ, включающей в себя ряд СКЗ.

Применены методы структурно-параметрической оптимизации для решения многокритериальной задачи нахождения оптимальных параметров СКЗ.

Защищаемые положения 1. Разработана иерархия критериев влияющих на состояние защищенности и определены связи смежных критериев.

2. Усовершенствована существующая модель изменения параметров защищенности в зависимости от режимов работы СКЗ.

3. Многокритериальный подход решения задачи оптимизации, применение методов структурной оптимизации.

Практическая значимость Полученные результаты были использованы для проведения работ по оптимизации режимов работы средств ЭХЗ магистрального газопровода «Саратов-Горький» на участке между 92 и 147 километрами.

Апробация работы Основные результаты работы были доложены и обсуждены на конференциях:

Научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики», 22 – 23 ноября 2012 г. – НГТУ, Нижний Новгород.

Научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов научно-исследовательских и проектных организаций ОАО «Газпром» «Актуальные вопросы проектирования объектов добычи и транспортировки газа», 24 – 27 сентября 2013 года – ОАО «Гипрогазцентр», Нижний Новгород.

V Международная молодежная научно-практическая конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность», – 22 ноября 2013 г. – ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Москва.

XX Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии. ИСТ – 2014», 15 – 17 апреля 2014 г. – XIII Международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки», 23 мая 2014 г. – НГТУ, Нижний Новгород.

VI Всероссийская научно-практическая конференция «Нечеткие системы и мягкие вычисления. НСМВ – 2014», 27-29 июня 2014 г. – СПИИРАН, Санкт Петербург.

I Научно-практическая конференция молодых специалистов ОАО «Гипрогазцентр» «Актуальные вопросы проектирования объектов транспорта нефти и газа», 17-18 сентября 2014 г. – ОАО «Гипрогазцентр», Нижний Новгород.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 – в изданиях, входящих в «Перечень…» ВАК Минобрнауки РФ;

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов. Материал изложен на 148 страницах, содержащих 53 рисунка и 23 таблицы. Список цитируемой литературы включает 146 наименований работ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

СТАЛЬНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ И МЕТОДОВ

КОНТРОЛЯ ИХ ЗАЩИЩЕННОСТИ

1.1 Условия эксплуатации и коррозионное состояние магистральных газопроводов В настоящее время общая протяженность магистральных газопроводов в нашей стране составляет более 156 тыс. км и продолжает увеличиваться.

Магистральные газопроводы за долгие годы эксплуатации зарекомендовали себя как надежный, дешвый и бесшумный трубопроводный транспорт, способный перемещать на большие расстояния огромное количество энергоносителя.

Природно-климатические условия эксплуатации магистральных газопроводов очень сложные. Они могут быть проложены под землей, в морской воде и горах. На их пути встречаются болота, озера и реки. При этом, газопроводы могут эксплуатироваться как при положительных так и при отрицательных температурах.

Как любой другой вид транспорта трубопроводный транспорт подвергнут естественному старению и коррозионному воздействию окружающей его среды [1].

В настоящее время коррозия остается основной причиной аварий на подземных магистральных трубопроводах, причем на наружную коррозию приходится 95% отказов и, только 5% – на внутреннюю коррозию.

Обеспечение длительности безаварийной эксплуатации трубопроводов и снижение общего количества отказов, связано с решением комплексной проблемы повышения качества проектирования, строительства и эксплуатации [2].

Среди прочих причин аварий является нарушение требований к противокоррозионной защите магистральных газопроводов и контролю ее эффективности.

Для постоянного поддержания магистральных газопроводов в работоспособном состоянии необходимо их защищать от коррозии, контролировать эффективность противокоррозионной защиты, обслуживать и ремонтировать.

Защита от коррозии подземных и морских газопроводов независимо от коррозионной агрессивности коррозионной среды, осуществляется с помощью комплексной защиты, включающей защитные покрытия (пассивную защиту) и электрохимическую защиту (активную защиту).

Требуемый уровень противокоррозионной защиты магистральных газопроводов достигается совершенствованием существующих средств электрохимической защиты, методов и устройств контроля защищенности трубопроводов и оптимизацией параметров защиты [3].

Пассивная защита труб от коррозии Изоляционные покрытия обеспечивают первичную, пассивную защиту трубопроводов от коррозии, выполняя функцию «диффузионного барьера», через который затрудняется доступ к металлу коррозионноактивных агентов (воды, кислорода воз-уха и др.) [13, 14, 19, 34, 39].

Для того чтобы защитное покрытие эффективно выполняло свои функции, оно должно удовлетворять целому ряду требований, основными из которых являются: низкая влагокислородопроницаемость, высокие механические характеристики, высокая и стабильная во времени адгезия покрытия к стали, стойкость к катодному отслаиванию, хорошие диэлектрические характеристики, устойчивость покрытия к ультрафиолетовому и тепловому старению. Изоляционные покрытия должны выполнять свои функции в широком интервале температур строительства и эксплуатации трубопроводов, обеспечивая их защиту от коррозии на максимально возможный срок их эксплуатации.

Для изоляции нефтегазопроводов в трассовых условиях в настоящее время наиболее широко применяют три типа защитных покрытий: а) битумномастичные покрытия; б) полимерные ленточные покрытия; в) комбинированные мастично-ленточные покрытия (покрытия типа «Пластобит») [79].

Более эффективным наружным антикоррозионным покрытием является заводское трехслойное полиэтиленовое покрытие труб, конструкция которого состоит из двухслойного полиэтиленового покрытия наличием еще одного слоя – эпоксидного праймера. Трехслойное полиэтиленовое покрытие отвечает самым современным техническим требованиям и способно обеспечить эффективную защиту трубопроводов от коррозии на продолжительный период их эксплуатации (до 40-50 лет и более) [76-77].

Конструкция заводского полипропиленового покрытия аналогична конструкции заводского трехслойного полиэтиленового покрытия труб. Для нанесения покрытия используются порошковые эпоксидные краски, термоплавкие полимерные композиции и термосветостабилизированные композиции полипропилена. Из-за высокой ударной прочности полипропиленового покрытия его толщина может быть на 20-25 % меньше толщины полиэтиленового покрытия труб (от 1,8 мм до 2,5 мм).

Для противокоррозионной защиты трубопроводов малых и средних диаметров (до 530 мм) в последние годы довольно широко и успешно используется комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие. Конструктивно покрытие состоит из слоя адгезионной грунтовки, слоя дублированной полиэтиленовой ленты и наружного слоя на основе экструдированного полиэтилена. Общая толщина комбинированного ленточно-полиэтиленового покрытия составляет 2,2-3,0 мм [101, 16].

При появлении в покрытии трубопровода дефектов предусматривается система катодной защиты трубопроводов, т.н. активная защита от коррозии.

Катодная защита. Сущность катодной защиты заключается в искусственной поляризации трубопровода (катода) таким образом, чтобы его потенциал, по крайней мере, стал равным потенциалу анода коррозионной пары.

Это можно сделать, подключив к двухэлектродной (катод – анод) коррозионной паре третий электрод с более отрицательным потенциалом (рисунок 1.2).

В результате такой поляризации катода работа коррозионной пары прекращается. Однако это может быть лишь при определенном более отрицательном потенциале и соответствующей силе защитного тока. Защитная поляризация катода может быть осуществлена наложением защитного потенциала от источника постоянного тока или применением в качестве дополнительного анода специальных материалов [5, 11, 12, 22, 38, 40].

Рассмотрим случай поляризации постоянным током. Такая схема поляризации называется катодной защитой трубопровода.

Трубопровод, расположенный в грунте, является катодом по отношению к электролиту, заполняющему в той или иной мере поры грунта. Соответственно грунт является анодом по отношению к трубопроводу. Отрицательный полюс источника тока подключается к трубопроводу (катод), а положительный – к специально устраиваемому заземлению (анод). Источник тока 2 – станция катодной защиты (СКЗ). Каждая станция в зависимости от коррозионных свойств грунта, качества изоляции, мощности самой станции может защитить трубопровод 1 на участке определенной длины L. В пределах этой длины защитный потенциал, создаваемый станцией катодной защиты, обеспечивает отсутствие на катоде (трубопроводе) электрохимической коррозии. В то же время анод (заземление) вследствие активизации анодного процесса интенсивно разрушается. Показанная на рисунке 1.1 кривая 3 характеризует распределение защитной разности потенциалов U в пределах длины участка L (труба-грунт). Наибольшее значение Uт-3 MAX фиксируется обычно напротив анода, т.е. заземления.

1 – трубопровод; 2 – станция катодной защиты (СКЗ); 3 – анодное заземление; 4 – график распределения поляризационного потенциала магистрального трубопровода при защите одиночной станцией защиты Рисунок 1.1 – Схема катодной защиты При катодной защите трубопроводов различают три значения потенциала:

– естественный (стационарный) потенциал металла трубы, существующий до включения защиты;

– наложенный (расчетный) потенциал, дополнительно накладываемый на трубопровод в результате действия защиты;

– защитный (общий) потенциал сооружения, установившийся после подключения защиты.

Эффективно защитный потенциал может выполнять свое назначение только в том случае, если он не меньше определенного, так называемого, минимального защитного потенциала U3min. Отметим, что смещение защитного потенциала в область более отрицательных значений не оказывает существенного влияния на коррозию металла. Но при чрезмерном увеличении V по сравнению с U3min между изоляцией и поверхностью металла скапливается водород, выделяющийся в результате катодного процесса. Это может привести к отслоению изоляции ухудшению защитных свойств покрытия. Таким образом, можно сказать, что качество покрытия оказывает существенное влияние на параметры катодной защиты. Чем лучше качество покрытия, тем требуется меньший защитный потенциал, тем большую длину участка L можно защитить от одной станции, и наоборот – чем больше повреждений на изоляционном покрытии, тем меньше длина защищаемого участка L.

Исходя из указанных особенностей, предельные значения защитного потенциала ограничиваются значениями, приведенными в ГОСТ 9.015 – 74.

Таблица 1.1 – Значение потенциалов Максимальная для всех сред:

- трубопроводы без покрыНе ограничивается В соответствии с ГОСТ 9.015 – 74 катодная поляризация трубопроводов должна осуществляться таким образом, чтобы создаваемое на всей поверхности этих сооружений значение минимальных поляризационных защитных потенциалов было по отношению к медносульфатному ЭС (по абсолютной величине) не менее - 0,85 В. Значение максимального защитного потенциала для любых сред составляет - 1,1 В. Общий перерыв в катодной поляризации допускается не более 10 суток в году.

На действующих стальных изолированных трубопроводах, не оборудованных специальными контрольно-измерительными пунктами для измерения поляризационных потенциалов, ГОСТ 9.015–74* допускает осуществлять катодную поляризацию сооружения таким образом, чтобы значения потенциала трубы по отношению к медносульфатному ЭС (включающие поляризационную и омическую составляющие) находились в пределах от – 0,87 до – 2,5 В.

Катодную поляризацию подземных металлических сооружений следует осуществлять так, чтобы исключить вредное влияние ее на соседние подземные металлические сооружения. Вредным влиянием катодной поляризации защищаемого сооружения на соседних, металлических сооружений считается:

уменьшение по абсолютной величине минимального или увеличение по абсолютной величине максимального защитного потенциала на соседних металлических сооружениях, имеющих катодную поляризацию; появление опасности электрохимической коррозии там, где ранее не требовалось защиты от нее. В случаях, когда при осуществлении катодной поляризации нельзя избежать вредного влияния ее на соседние металлические сооружения, должна осуществляться совместная защита этих сооружений или приниматься меры, устраняющие вредное влияние.

1.4 Электрохимическая защита магистральных газопроводов от коррозии Высокая надежность работы магистральных газопроводов может быть обеспечена за счет бездефектного изоляционного покрытия и ввода в эксплуатацию системы электрохимической защиты в процессе строительства магистрального газопровода и не допускающей снижения защитного поляризационного потенциала ниже (по абсолютной величине) минимально допустимого значения на всем протяжении сооружения, в процессе всего периода эксплуатации [4].

Электрохимическая защита – метод защиты от коррозии, сущность которого заключается в замедлении коррозии сооружения под действием катодной поляризации при смещении его потенциала в отрицательную сторону под действием постоянного тока, проходящего через границу раздела «сооружение – окружающая среда».

В настоящее время имеется полная возможность обеспечить достаточно надежно функционирующую электрохимическую защиту, эффективность которой будет возрастать по мере внедрения новых разработок.

Основным критерием защищенности металла от коррозии является потенциал, достигаемый при его катодной поляризации. Особенностью процессов электрохимической защиты является однозначная связь между степенью защиты (снижением скорости защиты) и потенциалом защищаемой поверхности.

Защитным потенциалом считается потенциал, при котором скорость растворения металла принимает предельно низкое значение, допустимое для данных условий эксплуатации.

Величина защитного потенциала стали зависит от физико-химических свойств коррозионной среды и может изменяться в широких интервалах.

При катодной защите железа и его сплавов следует строго ограничивать величину максимально допустимого защитного потенциала. Превышение максимально допустимого защитного потенциала (по абсолютной величине) оказывает отрицательное воздействие на стальную изолированную поверхность. При потенциале более отрицательном, чем минус 1,05 В относительно медносульфатного электрода, на защищаемой поверхности выделяется водород, который вызывает отслоение изоляционного покрытия и изменяет физические свойства металла.

Минимальный защитный потенциал определяют либо из термодинамических соотношений, определяющих возможность протекания рассматриваемых коррозионных процессов, либо экспериментально – путем непосредственных исследований зависимости скорости коррозии металла в данной среде.

Максимальный потенциал определяют из условий, ограничивающих допустимый уровень поляризации рассматриваемого металлического сооружения, например, из условий воздействия катодной поляризации на защитное покрытие.

При определении максимально допустимого потенциала для катодной защиты стальной конструкции необходимо учитывать возможные изменения сопротивления окружающей среды в течение всего расчетного времени ее эксплуатации.

Минимальный защитный потенциал может быть определен на основе теории многоэлектродных коррозионных систем. Согласно этой теории, для прекращения коррозии конструкцию необходимо заполяризовать до потенциала наиболее отрицательной анодной составляющей ее поверхности [18,24].

Металлы, находящиеся в равновесии с собственными ионами в растворе, называются электродами первого рода. Так как эти электроды обратимо обменивают катионы с раствором, то их потенциалы называют электродными потенциалами, обратимыми (или равновесными) относительно катиона.

Для прекращения коррозии стальной конструкции ее необходимо заполяризовать до обратимого потенциала железа в данном электролите. Обратимый потенциал железа в электролитах может быть рассчитан по формуле где Fe – стандартный потенциал железа, В;

T – абсолютная температура;

aFe 2 - активность ионов железа в при электродном слое электролита.

Так как при рН > 5,5 взаимодействие ионов железа с гидроксидными ионами приводит к образованию трудно-растворимого гидроксида железа (II), для определения активности ионов железа в предыдущей формуле можно воспользоваться произведением растворимости Fe(ОН)2. В этом случае уравнение примет вид где LFe(OH ) aFe aOH - произведение растворимости гидроксида железа (L = 1,6510-15);

aOH, aH - активность гидроксильных и водородных ионов в приэлектродном слое электролита.

Подставив численные значения входящих в уравнение (3) величин, получим Так как грунт является стабильным не перемешиваемым электролитом, а величина рН в при электродном слое электролита при коррозии железа изменяется в интервале от 8,3 до 9,6, то теоретическое значение защитного потенциала стали в грунте колеблется в пределах от минус 0,54 до минус 0,61 В и составляет в среднем минус 0,58 В по отношению к стандартному водородному электроду (н.в.э.). Уравнение не учитывает изменение кинетики коррозионного процесса и часто не соответствует экспериментальным данным.

Расчетная формула определения защитного потенциала с применением основных закономерностей кинетики электродных процессов, представляющая собой зависимость скорости электродной реакции от потенциала по уравнению Тафеля, предложена в различных работах [19,32,36].

b – тафелевский коэффициент, который для реакции Fe=Fe2++2e равен 0,059;

iстац – токовое выражение скорости коррозии при стационарном потенциале, ;

iзащ – токовое выражение допустимой скорости коррозии В общем случае уравнение (1.4) представляет собой известную зависимость скорости электродной реакции от потенциала по уравнению Тафеля при замедленной стадии ионизации (или разряда), что является ограничением метода. Кроме этого этот метод не учитывает изменения рН приэлектродного слоя, а величина может существенно зависеть от различных внешних факторов.

В России, как и за рубежом, принят минимальный защитный потенциал для стальных сооружений, равный минус 0,55 В относительно нормального водородного электрода (н.в.э.) или минус 0,85 В относительно медносульфатного электрода сравнения [24,37 - 40,44,45].

Указанное в технической литературе стандартизированное значение защитного потенциала равное минус 0,85 В относительно медносульфатного электрода сравнения, во многих случаях оказывается завышенным (по абсолютной величине). Если катодную защиту технически грамотно контролируют по поляризационному потенциалу, то завышение минимального защитного потенциала (установлено, что, начиная с некоторого катодного потенциала, скорость коррозии железа и углеродистых сталей перестает зависеть от потенциала) приводит к неоправданному или бесполезному увеличению защитной плотности тока, количества катодных станций, анодных заземлений и так далее [49].

Критерий минимального защитного потенциала отрицательнее потенциала коррозии на 0,1 В применяется с 1969 года [47].

В соответствии с [34] для снижения скорости коррозии газопровода до допустимого значения 10-3 мм/год, достаточен катодный сдвиг потенциала на 70-85 мВ [49]. Минимально необходимая величина катодного сдвига потенциала на 100 мВ рассматривается как приемлемый общий критерий защищенности стального сооружения катодной поляризацией от подземной коррозии, если потенциал коррозии находится в активной области.

Во всех случаях эффективность действия электрохимического метода защиты можно охарактеризовать степенью защиты P, % [47] где Wкор – потеря массы металла за определенный период времени с единицы поверхности в условиях самопроизвольной коррозии г/(м2ч);

Wзащ – потеря массы металла за определенный интервал времени с единицы поверхности при применении электрохимической защиты г/(м2ч);

мм/год;

к – допустимая скорость коррозии при катодной защите, мм/год.

Если в качестве допустимой скорости коррозии принять величину потери массы 0,001 г/(м2ч) [14,47], то необходимую степень защиты можно найти из следующей формулы:

где K – скорость коррозии, мм/год.

Соответствующую данному состоянию защитную плотность тока можно рассчитать по формуле:

где iкор = 0,96 K – токовое выражение скорости коррозионного процесса.

Если К определена в г/(м2ч), то плотность тока коррозии и защитная плотность тока выражаются в А/м2. Заданной плотности тока будет соответствовать определенное смещение потенциала В соответствии с данными [14,29] в таблице 2 и на рисунке 8 приведены значения параметров катодной защиты в зависимости от скорости коррозии стали.

Практика эксплуатации показывает, что скорость коррозии стали в высокоомным электролите составляет, примерно, от 0,02 до 0,03 мм/год [28]. В соответствии с таблицей 2 указанной скорости коррозии соответствует величина защитной плотности тока, находящаяся в пределах от 0,085 до 0,157 А/м и величина смещения потенциала катодной поляризации от стационарного потенциала стали, которая находится в пределах от 0,069 до 0,085 В. Указанные параметры защиты соответствуют степени защиты равной 95 – 96,7 %. Данное смещение достигается непосредственно в момент включения тока, а в дальнейшем потенциал конструкции непрерывно смещается в отрицательную сторону, что обусловлено концентрационной поляризацией по кислороду [14].

Таблица 1.2 – Параметры катодной защиты стали в зависимости от скорости коррозии Одним из критериев защиты авторами работы [5] принята величина минимального защитного потенциала без омической составляющей, значения которой находятся в пределах от минус 0,65 до минус 0,95 В относительно неполяризующегося медносульфатного электрода сравнения. При этом, в случае повреждения участка газопровода коррозией более 10 % толщины стенки трубы, для замедления коррозионных процессов, минимальные защитные потенциалы должны быть на 0,05 В отрицательнее минимальных значений [4].

а – смещение от стационарного значения потенциала; б - плотность тока катодной поляризации Рисунок 1.2 – Зависимость изменения степени защиты (Р, %) и скорости коррозии стали г/(м2ч) от величины смещения потенциала от стационарного значения (а) и плотности тока катодной поляризации (б) При этом, авторами работы [48] установлено (рисунок 1.2), что степень защиты от коррозии равной 98 % достигается смещением потенциала катодной защиты на 0,1 В, или при плотности тока около 0,10 А/м2 (б).

Е.Я. Люблинский [48] отмечает, что практически полная защита стали от коррозии достигается при плотности тока равной около 0,12 А/м2.

Авторы [49] в результате проведенных исследований скорости коррозии стали в различных грунтах, с различной аэрацией, при варьировании влагосодержания в течение 30 суток, в качестве критерия достаточности катодной защиты приняли, что средняя скорость коррозии не должна превышать 0,025 мм/год при отсутствии питтингов на поверхности стали. При этом, удельное электрическое сопротивление грунта меняли от 0,8 до 8000 Омм.

При положительных температурах и отсутствии сульфатвосстанавливающих бактерий защитные величины составляли от 50 до 100 мВ. Показано, что в таких широко распространенных условиях электрохимическая защита стали при смещении потенциала катодной поляризации от стационарного значения на 100 мВ столь же эффективна, как и при потенциале, равным минус 0,85 В относительно медносульфатного электрода, но намного более целесообразна с технико-экономической точки зрения.

В целом же в литературе отсутствуют данные, позволяющие определить параметры электрохимической защиты стали в средах, характеризующих все разнообразие условий эксплуатации магистральных газопроводов.

1.5 Методы контроля защищенности магистральных газопроводов от коррозии Для повышения эффективности электрохимической защиты магистральных газопроводов от коррозии необходимо в процессе эксплуатации осуществлять контроль защищенности от коррозии [3,9,11,13], причем результаты контроля должны отражать действительное состояние противокоррозионной защиты. В тоже время авторы работ [4, 9,10] утверждают, что неточности контроля при эффективной противокоррозионной защите не всегда приводят к коррозионным отказам.

Основным критерием оценки уровня защищенности стального подземного сооружения служит потенциал катодной поляризации [4].

Метод контроля защищенности по потенциалу заключается в контроле потенциала стального подземного сооружения и поддержании его в регламентированных нормативными документами пределах. В настоящее время существует множество методов контроля потенциала катоднозащищаемого сооружения [4].

Применяемые методы определения защищенности стальных подземных сооружений, как в нашей стране, так и за рубежом рассмотрим ниже.

1) Контроль защищенности по потенциалу:

- метод выносного электрода;

- метод выключения катодной поляризации;

- метод отключения тока поляризации вспомогательного электрода;

- метод применения капилляра Габера-Луггина;

- метод определения поляризационного потенциала с применением электрохимической ячейки.

2) Контроль по смещению потенциала от его стационарного значения.

3) Контроль по плотности тока катодной защиты.

Наиболее распространенным методом контроля потенциала стального подземного сооружения является метод измерения потенциала между стальным сооружением и неполяризующимся электродом сравнения, находящимся в период проведения измерения над измеряемым объектом [1,56]. При осуществлении измерения таким методом, результаты измерения в значительной степени искажены. Искажение результатов измерений происходит по причине наличия омической составляющей в величине потенциала и приводит к значительным отклонениям потенциала от истинного значения. Кинетика электродных процессов и защищенность от коррозии стальных подземных сооружений характеризуется поляризационным (электрохимическим) потенциалом сооружения.

Омическая составляющая потенциала или IR – погрешность определяется по закону Ома произведением величины сопротивления электролита на величину тока. В реальных условиях, при измерении потенциала стального подземного сооружения, электрод сравнения располагают на различном расстоянии от поверхности сооружения (от нескольких сантиметров до нескольких метров). Если неполяризующийся электрод сравнения расположен на поверхности земли, то измеряемая разность потенциалов «труба - земля», содержит кроме величины поляризационного потенциала, еще и величину падения напряжения между электродом сравнения и металлом трубы.

где Eизм – измеряемая величина потенциала, В;

Eпол – поляризационный потенциал, В;

E ом = IR – омическая составляющая потенциала, В.

Омическая составляющая потенциала по знаку совпадает с поляризационным потенциалом, по этой причине измеренная прибором величина потенциала всегда будет больше поляризационного потенциала по абсолютной величине. Эта причина приводит к ложным выводам о защищенности подземного сооружения.

Омическая составляющая потенциала складывается из:

– падения напряжения в грунте, которое зависит от сопротивления грунта в точке измерения потенциала;

– падения напряжения в изоляционном покрытии, зависящем от качества изоляции и, следовательно, от сопротивления изоляции;

– падения напряжения в электроде сравнения, которое зависит от сопротивления электрода сравнения;

– поляризационного падения потенциала, зависящего от сопротивления металла трубы, удаления от точки дренажа и от сопротивления растеканию тока анодного заземлителя.

Величина омической составляющей зависит от многих факторов и интегрально учесть ее невозможно, так как она имеет максимальное значение в точке дренажа и минимальное значение в конце зоны защиты. Кроме того, ее величина определяется удельным электрическим сопротивлением грунта, размерами сквозных дефектов в изоляционном покрытии и их концентрации на поверхности контролируемого подземного металлического сооружения. Также, огромное влияние оказывают блуждающие токи, как от источников постоянного, так и переменного тока. Все эти факторы, влияющие на потенциал, являются случайными величинами в общей корродирующей системе, в которой одновременно протекает множество различных по своей природе процессов, не поддающихся разграничению. По этой причине контроль противокоррозионной защиты не может быть интегральным, усредняющим. Метод оценки эффективности защиты протяженных стальных подземных сооружений должен учитывать его отдельные точки, в которых больше всего проявляется коррозионное воздействие окружающей среды. Следовательно, необходим дифференциальный подход к оценке эффективности защиты от коррозии.

Таким образом, оценка эффективности защиты стального подземного сооружения от коррозии по величине потенциала с омической составляющей является недостоверной и не отражает истинную картину коррозионного состояния сооружения [58].

Для получения достоверных сведений о защищенности стального подземного сооружения необходимо при измерении потенциала, исключить омическую составляющую и измерять поляризационный потенциал сооружения, то есть потенциал без омической составляющей.

В лабораторных условиях измерение поляризационного потенциала не вызывает особых затруднений у специалистов, исследующих коррозионные процессы, происходящие на сталях в различных средах. Наибольшую трудность представляет измерение поляризационного потенциала на стальных подземных сооружениях в полевых (трассовых) условиях.

Рассмотрим метод выключения катодной поляризации. Используемый метод измерения основан на различии поведения омической и поляризационной составляющих потенциала во времени. При измерениях с помощью выключателя разрывают электрическую цепь установок катодной защиты (УКЗ).

Измерение напряжения регистрируют записывающим постоянное напряжение прибором [57]. При отключении внешнего электрического поля, ток в грунте, за счет источника тока, исчезает за короткое время, определяемое скоростью распространения электромагнитного поля (около 10-7сек). Поляризация стального подземного сооружения осуществляется через точку дренажа и изменение потенциала вдоль трубопровода от точки дренажа осуществляется по экспоненте.

По различным причинам (изменение сопротивления изоляции и удельного сопротивления грунта и др.) изменение потенциала вдоль трубопровода будет отличаться от экспоненциальной кривой. Потенциалы на границе раздела «металл - электролит» вдоль трубопровода могут быть различными. При исчезновении внешнего электрического поля происходит выравнивание падения напряжения в двойном электрическом слое по длине трубопровода. Этот уравнительный ток замыкается через трубопровод, имеющий низкое продольное электрическое сопротивление. Интервал времени, в течение которого протекают уравнительные токи, определяется многими причинами – диаметр трубопровода и его протяженность, состояние изоляционного покрытия, величина поляризующего тока, время предварительной поляризации, удельное сопротивление грунта и прочее.

Зафиксировать и оценить этот интервал времени достаточно сложно.

Аналитических выражений, описывающих протекающие процессы во времени не найдено и в настоящее время пользуются экспериментальными данными или полуэмпирическими формулами [56].

При использовании метода отключения тока защиты важно, чтобы все средства катодной защиты, оказывающие влияние на защиту участка трубопровода, на котором проводится измерение, отключались синхронно. Для этой цели применяют специальные прерыватели тока катодной защиты, синхронизированные по времени, либо отключение воздушной вдольтрассовой линии электропитания, к которой подключены все установки катодной защиты, исследуемого участка трубопровода. В местах измерения потенциала устанавливают записывающие потенциал устройства, которые до отключения тока фиксируют разность потенциалов «труба - земля», в момент отключения – спад омической составляющей и дальнейшую деполяризацию трубы. Участки трубопроводов, расположенных в различных грунтовых условиях и на различном удалении от точек дренажа поляризуются не одинаково [59]. Величины поляризационного потенциала определяются путем дешифрования полученных диаграмм.

При наличии единичного дефекта в изоляционном покрытии протяженного стального подземного сооружения, погрешность, вызываемую уравнительными токами можно устранить, измеряя градиенты потенциала относительно двух электродов сравнения. Один электрод располагают над дефектом, а другой на расстоянии, равном глубине укладки трубопровода перпендикулярно оси трубопровода [60].

Метод измерения поляризационного потенциала отключением источника катодной поляризации вносит в результаты измерения большую погрешность.

По этой причине этот метод не всегда применим.

Таким образом, измерение поляризационного потенциала методом выключения тока защиты является довольно сложным в аппаратном и методическом отношении методом, так как он требует наличия большого количества прерывателей тока и отключения установок катодной защиты (УКЗ) одновременно, что не всегда выполнимо. Кроме того, наличие перетекания токов вдоль по трубопроводу после отключения УКЗ, вносят погрешности в измерения.

Причем, чем ближе проводятся измерения к точке дренажа, тем выше ошибка в результатах измерения.

При этом, метод выключения УКЗ не применим в условиях влияния блуждающих токов, при применении протекторной защиты, при наличии «стационарных» перемычек между рядом расположенными стальными подземными сооружениями (крановые соединения) при многониточном исполнении уложенных в один коридор объектов.

Наибольшее распространение измерения поляризационного потенциала получил метод отключения тока поляризации от датчика потенциала, постоянно подключенного к катодно-защищаемому трубопроводу. Метод заключается в измерении потенциала катодной защиты в момент отключения датчика потенциала от стального подземного сооружения. В различных источниках датчик потенциала может называться вспомогательным электродом или электродом имитатором дефекта [70].

Рассматриваемый метод не требует отключений системы электрохимической защиты стального подземного сооружения.

Следует отметить, что потенциал стального подземного сооружения представляет некую среднюю величину значений потенциалов в местах сквозных дефектов изоляции вблизи точки измерения. Датчик потенциала имитирует сквозной дефект в изоляции стального подземного сооружения, и поскольку он находится в тех же условиях, что и стальное подземное сооружение, измеренный на нем потенциал, отвечает уровню катодной поляризации сооружения в месте сквозного дефекта изоляционного покрытия.

Измерения осуществляют приборами с коммутацией тока, такими как ПКИ-02, 43313.1, ПКО и другие. Эти приборы совмещают в себе вольтметр и коммутирующее устройство. Они позволяют определять потенциал с омической составляющей и поляризационный потенциал, но показания приборов (по разным причинам) не всегда соответствуют действительным значениям поляризационного потенциала. При проведении измерений по этому методу в измерительную величину всегда входит падение напряжения между электродом сравнения и датчиком потенциала. Отсюда следует, что необходимо стремиться к максимальному приближению электрода сравнения к датчику потенциала. Очевидно, что применение метода отключения датчика потенциала ограничивается высоким удельным электрическим сопротивлением грунта в точке проведения измерения и воздействием блуждающих токов на стальное подземное сооружение. В грунтах с высоким удельным электрическим сопротивлением ввиду слабого тока, протекающего через датчик потенциала, поляризация его протекает медленно, и получить достоверные данные при измерении практически невозможно. Кроме того, наличие переменной составляющей потенциала «труба земля» вносит существенную погрешность в измерения. [71].

Таким образом, метод отключения тока поляризации датчика потенциала, не применим в грунтах с удельным электрическим сопротивлением свыше Ом м, в зонах действия блуждающих токов (постоянного и переменного тока) и при наличии переменной составляющей в токе катодной защиты.

Наиболее достоверным методом измерения поляризационного потенциала на стальном подземном сооружении, хотя и очень трудоемким, является метод измерения с помощью капилляра Габера – Луггина. Этот метод используют при тестировании различных методов измерения с целью определения наиболее корректного метода для измерения поляризационного потенциала на обследуемом участке. Схема измерения поляризационного потенциала с применением капилляра Габера – Луггина представлена на рисунке 9.

Для применения капилляра Габера – Луггина при прямых измерениях на стальных подземных сооружениях отрывают шурф до верхней образующей трубы, снимают изоляционное покрытие (наносят искусственный дефект в изоляционном покрытии) на площади поверхности равной площади датчика потенциала (625 мм2). Устанавливают капилляр на поверхности дефекта трубопровода, соединяют его шлангом с воронкой и заполняют 3% водным раствором NaCl.

Обратным грунтом (вынутым из шурфа) засыпают дефект вместе с капилляром, а через воронку в раствор помещают электрод сравнения. Измерения проводят вольтметром с входным сопротивлением не менее 10 МОм через 10 – 12 часов после засыпки шурфа. Рядом с шурфом размещают устройства подлежащие тестированию. Показания тестируемых устройств, которые наиболее близки к показаниям, полученным при измерении с применением капилляра Габера – Луггина считают наиболее применимыми для проведения измерений на исследуемом участке стального подземного сооружения [72].

Практика эксплуатации показывает, что метод применения капилляра Габера - Луггина обеспечивает высокую стабильность и точность показаний поляризационного потенциала на стальном подземном сооружении. Однако данный метод требуют больших трудозатрат при монтаже и подготовке к проведению измерений. Кроме того, происходит нарушение изоляционного покрытия на исследуемом стальном подземном сооружении, которое после проведения измерений необходимо восстановить.

Таким образом, в соответствии с утверждением, сделанном в работе [10], можно согласиться с тем, что идеального контроля не бывает, но к этому необходимо стремиться.

1 – трубопровод; 2 – капилляр Габера - Луггина; 3 – шланг; 4 – воронка;

5 – электрод сравнения; 6 – вольтметр; 7 – штатив; 8 – контрольноизмерительный пункт; 9 – катодный вывод; 10 – воронка с 3% водным раствором NaCl Рисунок 1.3 – Измерение потенциала с помощью капилляра Габера – Луггина На участках воздействия блуждающих токов и удельного электрического сопротивления, не превышающего 1000 Ом м применяют метод определения поляризационного потенциала с применением электрохимической ячейки.

При этом методе используется электрохимическая ячейка, представляющая собой диэлектрическую емкость в которой размещается вспомогательный электрод (ВЭ), электрод сравнения и дополнительный анод (рисунок 10).

Электрохимическая ячейка соединяется с измерительным прибором (типа 43312, который работает в режиме поляризационного потенциала), через коммутатор прибора с трубопроводом и с анодным заземлителем. При наличии нескольких типов грунтов на исследуемом участке, необходимо иметь достаточное количество ячеек (для каждого типа грунта свою ячейку). Заполнение ячейки осуществляется грунтом, непосредственно вынутым из шурфа. При заполнении ячейки грунтом необходимо уплотнять грунт послойно и принимать меры по устранению высыхания грунта. После того как произойдет стабилизация индикаторной шкалы прибора, результаты измерения фиксируют. В зоне действия блуждающих токов, стабилизации показаний шкалы прибора не происходит и рекомендуется снимать показания прибора с определенной периодичностью, через несколько минут после подключения ячейки и включения прибора в работу. Полученные результаты усредняют.

1 – грунт; 2 – контрольно-измерительный пункт; 3 – измерительный прибор; 4 - электрод сравнения; 5 – ячейка; 6 – вспомогательный электрод; 7 – дефект в изоляционном покрытии; 8 – анод в ячейке; 9 – грунт в ячейке; 10 – временный анод в грунте Рисунок 1.4 – Определение поляризационного потенциала с применением электрохимической ячейки Таким образом, при определении поляризационного потенциала необходимо наличие специальных ячеек и специального измерительного прибора.

Кроме того, уплотняя в ячейке грунт, взятый из шурфа, происходит обогащение его кислородом из атмосферного воздуха и изменение влажности, что приводит к искажению получаемых результатов.

В основе данного метода контроля защищенности по смещению потенциала лежит контроль защищенности стального сооружения по разности потенциалов между катодно-защищаемым трубопроводом и вспомогательным электродом, не подключенным к трубопроводу, но находящимся вблизи стенки трубы. Потенциал при этом, контролируется с применением электрода сравнения, по возможности максимально приближенного к вспомогательному электроду. Для применения данного метода в условиях укладки трубопровода в грунт, необходимым условием является измерение потенциала трубопровода и потенциала вспомогательного электрода с минимальной погрешностью, то есть, потенциалов без омической составляющей. В связи с этим, данный метод не применим в зонах действия блуждающих токов, в высокоомных и многолетнемерзлых грунтах. Кроме того, вспомогательный электрод должен находиться строго в тех же условиях, что и трубопровод, что в условиях грунта трудновыполнимо.

Таким образом, методы контроля эффективности электрохимической защиты по поляризационному потенциалу, исключающие омическую составляющую, являются наиболее достоверными. При этом все известные методы имеют ряд недостатков связанных при их применении с повышенной трудоемкостью: отключением системы электрохимической защиты, нарушением изоляционного покрытия на трубопроводе. Кроме того, они не унифицированы по возможному их применению во всех условиях эксплуатации магистральных газопроводов.

В системах контроля эффективности электрохимической защиты магистральных газопроводов от коррозии применяют электроды сравнения, относительно которых измеряют потенциалы стали. При этом, контроль потенциала может осуществляться как при разовых так и при длительных измерениях.

Обзор существующих методик оптимизации работы средств электрохимической защиты Поле токов катодной защиты в условиях коммуникаций сложной конфигурации весьма неоднородно, поэтому невозможно получить аналитическую зависимость изменения разности потенциалов какого-либо участка коммуникаций от координат этого участка и от величины токов, стекающих с анодных заземлений. В связи с этим, коммуникации промплощадки рассматриваются как система или набор точек, в которых выполняются измерения потенциалов.

В этом случае, при фиксированной системе анодных заземлений, задача определения параметров ЭХЗ сводится к нахождению зависимостей потенциалов каждой точки от величины токов стекающих с анодных заземлений. Эта задача решается с применением методов регрессионного анализа.

Результаты исследований проведенных на различных площадках, расположенных в различных почвенно-климатических условиях показали, что эти зависимости адекватно и с высокой предсказательной способностью, описываются системой линейных уравнений [81]:

где U i - потенциал i-ой точки промплощадки, i = 1;2;…k;

I j - ток j-ой станции катодной защиты, j = 1;2;…n.

Ank - коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов.

Система функций (1.9) для k шт. точек, репрезентативно представляющих промплощадку и n шт. СКЗ характеризует параметры ЭХЗ коммуникаций конкретной промплощадки и позволяет решать задачи регулирования токов УКЗ с определением оптимального режима. Задача определения оптимальных режимов может быть сформулирована следующим образом:

Определить такие I1 ; I2 ;... In, которые, при выполнении условий:

минимизируют уравнение:

где Ij - ток j-ой УКЗ;

Ri - сопротивление внешней цепи i-ой УКЗ;

Аij - коэффициенты из системы (1.9);

Uminj ; Umaxj - максимально допустимые и минимальные защитные потенциалы j-ой точки, соответственно.

Физический смысл сформулированной задачи сводится к следующему:

Определить такие токовые режимы работ УКЗ, при которых будет обеспечена полная защищенность всех коммуникаций ПП без перезащиты, при минимальном расходе на это электроэнергии.

Описанная задача соответствует канонической форме задачи математического программирования, она всегда имеет решение при достаточно больших Сj и отсутствии ограничений.

Исследования коэффициентов Аij системы (1.9) показывает, что в пределах одной конкретной промплощадки коэффициенты Аij, с достаточной для инженерных нужд точностью, являются функцией расстояния от каждой точки до анодного заземления (при схеме защиты с сосредоточенными анодным заземлителем). При этом определено, что наиболее подходящим видом аппроксимации является степенная функция, вида:

где Aij - коэффициенты из системы (1.9), dij -расстояние от i-ой точки до j-го анодного заземления;

М; - коэффициенты определяемые методом наименьших квадратов.

ряд задач связанных с определением оптимального местоположения средств ЭХЗ (при схеме защиты с сосредоточенными АЗ) и управлением системы защиты.

Задача определения оптимального режима СКЗ с обеспечением полной защиты коммуникаций ПП и минимальным расходом электроэнергии сводится к решению задачи (1.10) со следующими верхними ограничениями по току:

где W - номинальная мощность преобразователя СКЗ;

U; I - максимальные напряжение и ток преобразователя СКЗ;

R - сопротивление внешней цепи УКЗ.

Задача определения текущей защищенности и выявления незащищенных участков коммуникаций определяется подстановкой в систему (1.9) значений текущих токов СКЗ и расчетом потенциалов каждой точки; по результатам этих расчетов можно определить незащищенные участки коммуникаций или участки, потенциалы которых оказываются наиболее положительными и, следовательно, наиболее коррозионно-опасными.

Согласно существующей методики, для каждой точки измерения определяются коэффициенты Ank. Коэффициенты A0k численно равны собственному потенциалу при выключении всех влияющих станций и деполяризации потенциала. Коэффициенты A0k зависят от металла и среды в которую он помещен, т.е. от марки стали и химических свойств грунта (а также от электрода сравнения относительно которого проводили измерения).

Далее включается одна из станций, например №1. Ступенчато повышают силу выходного тока на станции катодной защиты (на рисунке 1.5 показан пример с шагом 0,5 А) и определяют потенциал в i-той точке.

Потенциал относительно МСЭ, Рисунок 1.5 – График изменения потенциала при повышении силы защитного тока В данном примере аппроксимацией с достоверностью R2=0,9973 установлено, что зависимость между потенциалом и силой тока описывается уравнением:

Таким образом, данными измерениями установлено что для первого уравнения системы (1.9) А01=0,6702 В, А11=0,1011. Аналогичным образом устанавливаются все последующие коэффициенты уравнения.

Далее задаются определенными значениями защитного потенциала, которым должен соответствовать потенциал в каждой точке измерения. Например, согласно ГОСТ 51164-98 для трубопроводов изолированных битумом, транспортирующих среду с температурой более 20 С, Ui (-1,05; -2,5)В. После чего подбирают силы токов на каждой из станций защиты, которые удовлетворяют условию Ui (-1,05; -2,5)В.

Для анализа распределения тока в сетях произвольной конфигурации применяют различные методы компьютерного моделирования. Газопровод рассматривают, как множество элементов с дискретно заданными параметрами, постоянными в пределах каждого участка, и описывают связи между отдельными элементами. Расчет распределения тока и потенциала в сети сводится к решению системы уравнений, число которых соответствует числу элементарных участков [15]. Так, в комплексе программ АРМ ЭХЗ-5 для решения подобной системы уравнений использованы принципы матричной алгебры.

В последнее время получил распространение метод объектноориентированного программирования (ООП), позволяющий описывать сложные системы из набора взаимно подчиненных объектов. Каждый объект функционально автономен в своем поведении и способен реагировать определенным образом на "внутренние" и "внешние" события, возникающие при работе программы. По аналогии с физическими моделями процесса, объектноориентированная модель строится из набора объектов-кирпичиков, однако при этом сохраняются все преимущества численных методов расчета. Этот принцип используют при разработке пакета «Underground».

Для моделирования разветвленной сети газопроводов произвольной структуры в пакете «Underground» принята следующая иерархия объектов:

"система" - "линия" - "узел".

Старшим в иерархии является объект "система", включающий в себя набор объектов "линия", которые моделируют отдельные нитки газопровода.

Объект "линия" состоит из комбинации объектов "узел", описывающих поведение отдельных участков газопровода, включая точки дренажа тока. "Система" является "дирижером", согласующим взаимодействие всех объектов, но не вмешивающимся в алгоритмы их функционирования.

Для моделирования участка газопровода с несколькими точками дренажа тока в объекте "система" программно реализован принцип суперпозиции.

Для каждой точки дренажа производится независимый расчет распределения тока. Затем полученные результаты суммируются для каждого элементарного участка сети - "узел".

С точки зрения электротехники, газопровод с катодной защитой может быть представлен, как проводник с продольной утечкой тока в токопроводящую среду (грунт). В объекте "линия" реализован алгоритм моделирования этого процесса.

Для каждого элементарного участка эквивалентной схемы "линии" (рисунок 1.10) ток в теле элемента к обозначим Iп, к, а ток утечки через этот элемент Iу, к.

Тогда для суммарного защитного тока /, подведенного в точке дренажа можно записать:

Рисунок 1.6 – Эквивалентная электрическая схема проводника с утечкой тока по длине. Пунктирной рамкой выделен элементарный участок, соответствующий объекту "узел". Rп – продольное сопротивление тела элементарного участка трубы, Rу - сопротивление утечки для элементарного участка Здесь U - потенциал точки дренажа катодного тока относительно земли.

Применительно к реальному газопроводу это можно рассматривать, как потенциал относительно "далекой земли". Если принять во внимание полуэмпирическую формулу, учитывающую влияния поля близко расположенных анодов [7], то уравнение (1.16) получит вид:

где Ua,к - потенциал земли в точке к, вызванный током анодного заземления.

Таким образом, для моделирования объекта "линия" необходимо чтобы каждый составляющий ее объект "узел" возвращал два параметра: Iп и Iу, алгоритм расчета которых находится полностью в компетенции последнего. При этом "узел" может как соответствовать элементарному участку газопровода с определенным набором свойств (габариты, изоляция, поляризационная характеристика, грунт и т.п.), так и представлять ссылку на дочернюю "линию", которая также может иметь произвольное число ответвлений.

Несложно заметить, что рассмотренным методикам присущи следующие особенности:

Аддитивный механизм совместного воздействия нескольких станций на каждую точку трубопровода, т.е. потенциал в любой точке определяется простым алгебраическим сложением потенциала наводимого каждой станцией. Очевидно, что согласно (1) потенциал U1 определяется сложением потенциала от действия первой станции A11 I1, второй A21 I2 и т.д.

Линейная зависимость потенциала от силы тока.

На зависимости потенциала от силы тока не предполагается наличие точек-экстремумов, по аналогии с кривой «усилие растяжения - деформация», поэтому не нормируется рациональный диапазон применения методики.

Не учитывается влияние на распределения потенциала состояния изоляционного покрытия.

Априори заложена неизменность в процессе эксплуатации параметров среды (удельного электрического сопротивления грунта) и характеристик анодных заземлений (сопротивления растеканию анодных заземлителей).

Не учитывается возможность натекания тока с других сооружений, так и стекания его на другие сооружения.

Предлагается совершенствование существующей методики регулирования режимов работы средств ЭХЗ, включая выполнение следующих мероприятий:

Определение положения подземных сооружений и анодных заземлений.

Анализ измерения потенциала трубопроводов.

Анализ наличия источников сторонних (блуждающих) токов.

Локализация токопроводящих перемычек.

Восстановление токопроводящих перемычек.

Очевидно, что в ряде случаев регулированием режимов ЭХЗ не удастся добиться соответствия потенциала требованиям ГОСТ 51164-98. В этой связи предлагается кроме простого регулирования применение комплекса мер (перечислено по степени трудоемкости их реализации): расчет необходимых выходных параметров и регулирование режимов работы станций защиты; перенос анодных или защитных заземлений; установка дополнительных экранов или анодов; установка или удаление перемычек; ремонт изоляции трубопровода.

1. На примерах показано, что электрическое поле токов катодной защиты трубопроводов носит сложный характер. Распределение этого поля в условиях линейного участка с приемлемой точностью практически невозможно описать математическими зависимостями, т.к. на него влияет большое количество не учитываемых факторов.

2. Задача оптимизации может быть решена только сбором данных на объекте исследования. В этой связи рассмотрены основные принципы и расчетные зависимости оптимизации работы средств ЭХЗ трубопроводов промышленных площадок.

3. Установлено, что существующие методики не учитывают влияние ряда важных факторов: влияние на распределения потенциала состояния изоляционного покрытия, неизбежного изменения в процессе эксплуатации параметров среды и характеристик анодных заземлений, не учитывается возможность натекания тока с других сооружений, так и стекания его на другие сооружения.

4. Предложена структурная схема реализации комплексной методики оптимизации ЭХЗ трубопроводов ПП включающая выполнение трех этапов:

проведение лабораторных исследований с получением эмпирических зависимостей на моделях; анализ данных об объекте исследования; разработка и реализация комплекса мероприятий по оптимизации работы средств ЭХЗ.

5. Установлено, что разработанные методы измерения потенциала трубопроводов не обеспечивают требуемой точности измерений в условиях одиночных дефектов изоляционного покрытия и неравномерности процессов натекания тока катодной защиты.

Цель работы – разработка методики повышения эффективности противокоррозионной защиты линейной части нефтегазопроводов.

2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ

РАСПРЕДЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ, МЕТОДЫ СТРУКТУРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ

2.1 Введение понятия стороннего потенциала наложенного неизвестными источниками Поле токов катодной защиты в условиях протяженного участка магистрального газопровода весьма неоднородно, поэтому невозможно получить аналитическую зависимость изменения разности потенциалов участка магистрального газопровода от координат этого участка и от величины токов, стекающих с анодных заземлений. В связи с этим, участок магистрального газопровода рассматривается как система или набор точек, в которых выполняются измерения потенциалов. В этом случае, при фиксированной системе анодных заземлений, задача определения параметров электрохимической защиты сводится к нахождению зависимостей потенциалов каждой точки от величины токов, стекающих с анодных заземлений. Эта задача решается с применением методов регрессионного анализа.

Результаты исследований проведенных на различных промышленных площадках, расположенных в различных почвенно-климатических условиях показали, что эти зависимости адекватно и с высокой предсказательной способностью, описываются системой линейных уравнений (1.9).

Система функций (1.9) для k точек, репрезентативно представляющих промплощадку из n станций катодной защиты, характеризует параметры электрохимической защиты коммуникаций конкретной промплощадки и позволяет решать задачи регулирования токов станций катодной защиты с определением оптимального режима.

Физический смысл сформулированной задачи сводится к следующему:

Определить такие токовые режимы работ станций катодной защиты, при которых будет обеспечена полная защищенность всех коммуникаций промышленной площадки без перезащиты, при минимальном расходе на это электроэнергии.

Исследования коэффициентов Aij системы (1.9) показывает, что в пределах одной конкретной промплощадки коэффициенты Aij, с достаточной для инженерных нужд точностью, являются функцией расстояния от каждой точки до анодного заземления (при схеме защиты с сосредоточенным анодным заземлителем). При этом определено, что наиболее подходящим видом аппроксимации является степенная функция, вида:

где Aij - коэффициенты из системы (1.9), dij -расстояние от i-ой точки до j-го анодного заземления;

M, – коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов.

С применением рассчитанных, - коэффициентов можно решить ряд задач связанных с определением оптимального местоположения средств электрохимической защиты (при схеме защиты с сосредоточенными анодными заземлениями) и управлением системы защиты.

Задача определения текущей защищенности и выявления незащищенных участков коммуникаций определяется подстановкой в систему (1.9) значений текущих токов станций катодной защиты и расчетом потенциалов каждой точки; по результатам этих расчетов можно определить незащищенные участки коммуникаций или участки, потенциалы которых оказываются наиболее положительными и, следовательно, наиболее коррозионно-опасными.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что данная система уравнений позволяет вычислять влияние силы тока каждой станции катодной защиты на установившийся защитный потенциал в точке измерения для линейной части магистрального трубопровода. Коэффициенты A0k численно равны собственному потенциалу при выключении всех влияющих станций и деполяризации трубопровода. Коэффициенты A0k зависят от металла и среды, в которую он помещен, т.е. от марки стали и химических свойств грунта. Коэффициенты Aij определяются по разработанной методике. Методика заключается в определении изменения защитных потенциалов в точках измерения от изменения выходных параметров станции катодной защиты. Составляются системы линейных алгебраических уравнений, относительно неизвестных коэффициентов влияния станций катодной зашиты на различные точки измерения. Порядок каждой системы уравнений определяется количеством выбранных станций катодной защиты. Количество систем уравнений определяется количеством выбранных точек измерений. Для решения задачи необходимо произвести ряд замеров установившихся значений защитных потенциалов в контрольных точках измерения последовательно отключая каждую станцию катодной защиты. Таким образом, идентифицируется система уравнений влияния силы тока станций катодной защиты на потенциалы в точках, решая каждое уравнение которой, методом оценки множественной регрессии, устанавливаются коэффициенты.

К недостаткам представленной методики можно отнести нахождение коэффициентов, так как они численно равны собственному потенциалу при выключении всех влияющих станций и деполяризации потенциала. В реальных условиях, на действующих объектах магистральных газопроводов получить данный коэффициент не представляется возможным. На действующем объекте магистрального трубопровода с хорошим состоянием изоляционного покрытия, деполяризация участка для нахождения стационарного потенциала трубы в точке измерения может происходить более недели, при этом на данную точку будут оказывать влияние работающие станции катодной защиты, которые могут находиться за сотни километров от исследуемой точки. Следовательно, существующая методика не применима для данных трубопроводов, так как требует выключения большого количества станций катодной защиты на срок, превышающий регламентированный и требует больших материальнотехнических затрат.

В качестве решения данной проблемы в качестве коэффициента системы предлагается использовать не собственный потенциал трубопровода, а находить наложенный неопределенными источниками потенциал в точке, с учетом известного влияния определенных станций катодной защиты. Назовем данный потенциал сторонним. Предложенный метод заключается в определении коэффициентов влияния станций катодной защиты на определенную точку и вычислении стороннего потенциала, как разницу между суммарным потенциалом в данной точке и выявленной совокупностью влияний станций катодной защиты. Предполагается, что при определении всех влияний от станций катодной защиты и при отсутствии посторонних источников, вычисленный потенциал по значению будет близок к стационарному потенциалу трубы.

Для проверки данной методики был проведен ряд измерений на действующем объекте магистрального газопровода «Саратов-Горький». Был выбран участок газопровода, на котором располагалось семь станций катодной защиты, между километрами 92 и 147. Точка дренажа центральной станции на километре была выбрана как точка вычисления исследуемого потенциала.

Порядок проведения измерений:

1. Выключают станцию катодной защиты.

2. Производят измерение суммарного защитного потенциала в точке дренажа СКЗ. Измерение производится относительно стационарного электрода сравнения. Измерения выполняются электронными вольтметрами (мультиметрами) с входным сопротивлением не менее 10 МОм в диапазоне измерений 0-5 В. Рекомендуется использовать приборы с точностью измерения напряжения постоянного тока и силы постоянного тока не более 0,1%, например мультиметры Fluke 79/29, производства John Fluke Co., США.

3. Измеряют силу тока на выходе СКЗ. Для измерения силы тока рекомендуется использовать бесконтактные измерители тока.

4. Включают станцию катодной защиты.

5. Увеличивают силу тока выходе станции на шаг регулирования (1 Ампер).

7. Повторяют п. 5 до значения 13 А.

8. Повторяют п. 1-7 восемь раз.

Для данной точки были найдены коэффициенты влияния станций катодной защиты. Для этого были проведены измерения суммарного потенциала в точке в зависимости от изменения силы тока на выходе каждой станции. По полученным данным методом линейной аппроксимации получены уравнения, описывающие взаимосвязь между изменением потенциала в исследуемой точке и изменением силы тока на станции катодной защиты [2]. Пример вычисления уравнения влияния станции на 99 километре на потенциал в точке дренажа на 107 километре представлен на рисунке 2.1.

Рисунок. 2.1 – Влияние станции катодной защиты расположенной на километре на суммарный потенциал в точке дренажа станции на 107 километре В данном примере аппроксимацией с достоверностью R2=0,999 установлено, что зависимость между потенциалом и силой тока описывается уравнением:

где 0,0085 – коэффициент влияния Aij станции катодной защиты, расположенной на 99 километре на суммарный потенциал на 107 километре.

Таким образом, устанавливается влияние каждой станции катодной защиты на исследуемую точку.

Для станции катодной защиты расположенной на 107 километре и точкой дренажа которой является исследуемая, были проведен ряд измерений, для повышения точности нахождения функции влияния и исследуемого потенциала. Сила тока станции повышалась ступенчато от 0 ампер до 13 ампер с шагом в 1 ампер. При этом в точке дренажа производились измерения защитного суммарного потенциала. По результатам измерений также было получено уравнение влияния станции на суммарный потенциал (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Влияние станции катодной защиты расположенной на километре на суммарный потенциал в точке дренажа Для данной совокупности аппроксимацией с достоверностью R 2=0, установлено, что зависимость между потенциалом и силой тока описывается уравнением:

После получения всех коэффициентов влияния составляется уравнение:

Выразим из данного уравнения стационарный потенциал. Так как влияние всех станций катодной защиты не было определено, то данный коэффициент принимает значения стороннего потенциала, включающего в себя как стационарный потенциал, так и потенциал наложенный неизвестными источниками:

Далее была проведена проверка вычисления стороннего потенциала при различных измеренных значениях силы тока станций катодной защиты на километре и суммарного потенциала в точке ее дренажа. Влияние других станций вычислялось с помощью полученных коэффициентов и вычиталось из значения согласно формуле (6).

По результатам вычисления было построено распределение вероятностей стороннего потенциала в точке дренажа (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Изменение вычисленного значения собственного потенциала в точке дренажа станции на 107 километре Для данного распределения было вычислено математическое ожидание значения собственного потенциала по формуле:

Кроме того, из формулы (2.4) вычислено суммарное влияние остальных станций катодной защиты, равное 0,048 В. Сложив данное число с математическим ожиданием значения стороннего потенциала, получаем значение 1,2804 В, что практически совпадает со значением стороннего потенциала вычисленного методом линейной аппроксимации (формула 2.2), при большом количестве и диапазоне измерений.

Таким образом, установлено, что для решения задачи оптимизации можно пользоваться значением коэффициента собственного потенциала точки трубопровода в совокупности с наложенным потенциалом неизвестных источников, предложенное определение - сторонний потенциал в точке. При этом не требуется отключение всех станций катодной защиты на большой промежуток времени, а достаточно последовательно провести их отключение для установления коэффициентов влияния. Кроме того, установлено, что при наличии статистики данных точность вычисления стороннего потенциала возрастает, математическое ожидание данной величины практически совпадает со значением полученным методом линейной аппроксимации.

2.2 Методы структурной оптимизации Управление системой ЭХЗ основывается на определении таких значений управляющих воздействий – силы тока на выходе станций катодной защиты, которые, обеспечивали бы в точках измерения, расположенных по трассе трубопровода, значения защитного суммарного и поляризационного потенциалов в границах коридора, определяемого требованиями ГОСТ.

Задача поддержания защитных потенциалов в пределах заданных границ является необходимым условием, но при этом всегда существует возможность оптимизации. В качестве целевой функции выбирается выходная мощность совокупности СКЗ, принадлежащих объекту магистрального трубопровода.

Рисунок 2.4 – Структурная схема системы управления Определив зависимость изменения защитных суммарных и поляризационных потенциалов от выходных параметров СКЗ, задача поддержания их значений в рамках установленных ГОСТ упрощается. Но для нахождения оптимального решения недостаточно установить поляризационный потенциал в пределах нормы, кроме этого необходимо решить задачу условной оптимизации, включающую в себя:

- мощность потребления каждой станции;

- коэффициент полезного действия (КПД) каждой станции;

- скорость коррозии на защищаемом участке;

Задача осложняется тем, что магистральный трубопровод представляет собой протяженный объект, с изменяющимися факторами коррозии и критериями регулирования, как по протяженности трубопровода, так и во времени.

Проведенный анализ показал, что на управление системой ЭХЗ значительное влияние оказывает совокупность факторов и критериев, таких как:

- изменение нагрузки для СКЗ в зависимости от меняющихся во времени сопротивления грунта, изоляции и анодного заземления и др.;

- влияние источников блуждающих токов (электрифицированный транспорт, смежные системы ЭХЗ);

- влияние переменного тока промышленной частоты (блуждающего и индуцированного);

- отношение плотностей катодного и переменного тока на сооружении;

- необходимость оптимизации по поляризационному потенциалу и потребляемой мощности СКЗ одновременно.

Как было обозначено ранее, в качестве целевой функции выбрана выходная мощность СКЗ. Для нахождения решения применяются принципы структурной оптимизации. Так как метод структурной оптимизации применим только для одного критерия, минимизации подвергается суммарная выходная мощность, а остальные показатели, такие как коэффициент полезного действия станций катодной защиты, границы потенциала, технические возможности СКЗ, переводятся в разряд ограничений.

Выходная мощность каждой станции определяется по формуле:

где U выхi - выходное напряжение СКЗ, В;

I выхi - выходная сила тока СКЗ, А;

Z вхСКЗi - сопротивление нагрузки СКЗ, Ом.

После решения задачи структурной оптимизации в среде MathCAD для участка, на котором расположены две СКЗ, получен график, на котором изображена допустимая область решений при различном сочетании выходных токов СКЗ (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Область допустимых решений минимизации выходной мощности СКЗ Пример расчета оптимальных режимов работы СКЗ в среде MathCAD приведен в приложении А.

2.3 Выводы по главе Введено понятие стороннего потенциала наложенного неизвестными источниками, определяющего стационарный потенциал в совокупности с наложенным неизвестными источниками. Введение данного параметра в модель распределения трубопровода привело к возможности нахождения оптимальных параметров действующего трубопровода без отключения СКЗ на продолжительный срок, что способствует облегчению проведения процедуры оптимизации.

Применение метода структурной оптимизации дало возможность решать задачу оптимизации для совокупности СКЗ с возможность минимизации выходной мощности, увеличения КПД, и при этом поддержания защитных потенциалов в границах определяемых ГОСТ.

3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ МОДУЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ И ОСНОВНЫХ АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ

3.1 Постановка задачи исследования Анализ теоретических, экспериментальных и эксплуатационных данных показывает, что повышение срока службы магистральных газопроводов возможно при оптимальных значениях критериев электрохимической защиты и повышении эффективности контроля защищенности от коррозии.

При этом для определения значений критериев электрохимической защиты должны использоваться устройства, обеспечивающие достоверность их значений.

Для решения указанной задачи были определены следующие направления исследований и разработок, которые легли в основу настоящей работы:

- разработка методики проведения измерений на трассе МГ для выявления зависимостей влияния выходных параметров СКЗ на распределение защитных потенциалов, развитие существующих моделей распределения потенциалов;

- разработка ряда алгоритмов оптимального управления, учитывающих режимы работы СКЗ, электрические характеристики трубопровода, внешние факторы;

- нахождения метода решения многокритериальной задачи оптимизации;

3.2 Структура модуля оптимизации До настоящего времени отсутствует инструмент, позволяющий по определенным правилам управлять системой ЭХЗ в целом, давать предложения по оптимизации работы средств ЭХЗ и производить аналитическую зависимость совокупного влияния факторов на состояние защищенности.

Для определения работы модуля оптимизации была составлена структурная схема, включающая в себя:

блок обработки исходных данных о состоянии защищенности и основных характеристиках МГ;

блок ранжирования участков между СК по степени коррозионной опасности;

блок определения возможности отключения или оптимизации режимов работы СКЗ;

блок расчета параметров защиты при отключении СКЗ;

блок корректировки математической модели;

блок предложения оптимальных решений оператору;

Рисунок 3.1 – Модуль оптимизации режимов СКЗ 3.3 Ранжирование участков между СКЗ по степени коррозионной опасности 3.3.1 Назначение и характеристика Определение коррозионного состояния участков газопровода. Мониторинг скорости коррозии. Ранжирование зон коррозионной опасности по скорости коррозии и по интегральному показателю, учитывающему факторы коррозионной опасности.

Задача осложняется тем, что магистральный трубопровод представляет собой протяженный объект, с изменяющимися факторами коррозии и критериями регулирования, как по протяженности трубопровода, так и во времени.

Таким образом, мы получаем задачу с различной совокупностью факторов и критериев, таких как:

1) Нормативно-справочная информация по трубе.

2) Наличие блуждающих постоянных токов.

3) Наличие блуждающих переменных токов.

4) Наличие водорастворимых солей больше заданной величины.

5) Температура транспортируемого продукта больше заданной установки.

6) Удельное электрическое сопротивление грунта меньше заданной установки.

7) Наличие индуцированного переменного напряжения на трубопроводе.

8) Наличие болотистых, черноземных почв.

9) Наличие подводных переходов и пойм рек.

Наличие пересечения с авто, ж/д дорогами.

Наличие пересечения с трубопроводами.

Наличие стоков, свалок мусора и шлаков.

По полученной информации необходимо составить ряд массивов, используемых при дальнейшем вычислении. Кроме того, для ранжирования участков необходимо учитывать коррозионное состояние МГ, определяемое по данным, поступающим с датчиков скорости коррозии.

Таблица 3.1 – Описание массивов входных данных Температура транспортируемого продукта произошли коррозионные отказы (разрывы, свищи) или обнаружены коррозионные 3.3.2 Оценка коррозионного состояния участков между СКЗ Коррозионное состояние участка МГ оценивается с помощью датчиков коррозии на основе измерения изменений сопротивления металлического элемента, спроектированного в виде контрольной пластины. В процессе коррозии металлического элемента происходит его утонение (потеря веса), что приводит к возрастанию электрического сопротивления элемента. Поскольку сопротивление элемента также меняется в связи с колебаниями температуры, для компенсации температуры используется второй элемент, который имеет покрытие для защиты от коррозии. Элемент, помещенный в коррозионную среду, является контрольной пластиной, а элемент, защищенный от коррозии покрытием, является контрольным образцом. Эти два элементы термически соединены в целях эффективного уравнивания любых температурных расхождений между ними.

Значения сопротивления двух отдельных элементов обычно измеряются проведением возбуждающего тока через элементы и измерением напряжения, сгенерированного по всей длине элемента возбуждающим током Сопротивление металлического элемента датчика ЭС [18]:

где (T ) – удельное сопротивление металлического элемента как функция температуры, Ом. м l – длина металлического элемента, м;

b – ширина металлического элемента, м;

– толщина металлического элемента, м.

Отсюда находим зависимость между толщиной корродируемого металлического элемента и его сопротивлением:

где Rc (t ) – измеряемое сопротивление металлического элемента в произвольный момент времени t, Ом;

Rr (t ) – измеряемое сопротивление контрольного образца в произвольный момент времени t, Ом;

0) – измеряемое сопротивление металлического элемента в начальRc (t ный момент времени t, Ом;

0) – измеряемое сопротивление контрольного образца в начальный момент времени t, Ом;

0) – толщина металлического элемента в начальный момент времеt ни, м.

Среднюю скорость коррозии за некоторый выбранный промежуток времени находим по формуле:

где t i – момент времени измерения сопротивления, с;

– толщина металлического элемента при измерении сопротивления в моi мент времени t i, м.

Единицы измерения, полученного значения U корр (м/с) следует перевести в мм/год с использованием множителя 103. t c, где t c – число секунд в году.

Ранжирование зон коррозионной опасности подземных трубопроводов в зависимости от скорости коррозии приведено в таблице 2.2 (СТО Газпром 9.0-001-2009).

Таблица 3.2 – Ранжирование зон коррозионной опасности трубопроводов В соответствии с ГОСТ Р 51164-98 к участкам высокой коррозионной опасности относят участки между установками электрохимической защиты, на которых произошли коррозионные отказы (разрывы, свищи) или обнаружены коррозионные язвы и трещины глубиной свыше 15 % толщины стенки трубы, а также участки, на которых скорость коррозии превышает 0,5 мм в год.

Основным показателем опасности коррозии является скорость коррозии.

Оценка опасности коррозии осуществляется на основе показателя допустимой скорости коррозии, K доп, которая определяется по формуле где У – допустимая величина утонения, мм;

T – расчетный срок службы сооружения, год.

Критерием опасности коррозии является превышение значения фактической скорости коррозии K по отношению к допустимой скорости коррозии K доп Информация о степени коррозионной опасности (табл. 3.2), о коррозионных отказах и показатель допустимой скорости коррозии K доп, используются при приятии решений о возможности отключения отдельных СКЗ.

Критерием опасности коррозии является превышение значения фактической скорости коррозии по отношению к допустимой скорости коррозии Информация о степени коррозионной опасности (табл. 3.2), о коррозионных отказах и показатель допустимой скорости коррозии K доп, используются при приятии решений о возможности отключения отдельных СКЗ.

3.3.3 Учет весов влияния факторов на каждом участке между СКЗ 1) наличие блуждающих постоянных токов, w1 ;

2) наличие блуждающих переменных токов, w2 ;

3) наличие водорастворимых солей больше заданной величины, w3 ;

4) температура транспортируемого продукта больше заданной уставки, 5) удельное электрическое сопротивление грунта меньше заданной 6) наличие индуцированного переменного напряжения на трубопроводе, 7) наличие болотистых, черноземных почв, w7 ;

8) наличие подводных переходов и пойм рек, w8 ;

9) наличие пересечения с авто, ж/д дорогами, w9 ;

Весовые коэффициенты (баллы) могут быть выставлены и на основании экспертных оценок.

3.3.4 Расчет интегрального показателя коррозионного состояния участков между СКЗ Значения весовых коэффициентов (баллов) факторов п. 3.3.3 могут быть использованы для оценки коррозионного состояния участков между СКЗ относительно друг друга в соответствии с интегральным показателем. Интегральный показатель для произвольного участка между СКЗ определяется по формуле где wi – весовой коэффициент ( i 1,11);

n i – количество i -го фактора по всем участкам мониторинга;

nij – количество i -го фактора на j -ом участке мониторинга;

участке присутствует соответствующий фактор; Id ij 0, если на j -ом участке отсутствует соответствующий фактор).

Использование интегрального показателя позволяет получить ранжированный список участков между СКЗ по относительной степени коррозионной опасности.

3.3.5 Ранжирование участков между СКЗ по степени коррозионной опасности Ранжирование участков между СКЗ по степени коррозионной опасности проводится на основании сравнения U корр по каждому участку с табл. 2. (СТО Газпром 9.0-001-2009).

Если значение U корр более 0.3 и K доп, то соответствующее значение l ЭСП положения датчика ЭС в зоне ВКО записывается в массив ВКО.

Кроме того, к участкам ВКО в соответствии с ГОСТ Р 51164-98 следует отнести участки между СКЗ, на которых произошли коррозионные отказы (разрывы, свищи) или обнаружены коррозионные язвы и трещины глубиной свыше 15 % толщины стенки трубы, а также участки, на которых скорость коррозии превышает 0,5 мм в год.

Если значение U корр от 0.1 до 0.3, то соответствующее значение l ЭСП поср ложения датчика ЭС в зоне ПКО записывается в массив ПКО.

Если значение U корр менее 0.1, то соответствующее значение l ЭСУ положеср ния датчика ЭС в зоне УКО записывается в массив УКО.

В соответствии с интегральным показателем осуществляется ранжирование участков между СКЗ по степени убывания его значения.

Результатом ранжирования является массив значений интегрального показателя в порядке убывания его величины по каждому участку между СКЗ.

В соответствии с интегральным показателем осуществляется ранжирование участков между СКЗ по степени убывания его значения.

Результатом ранжирования является массив значений интегрального показателя в порядке убывания его величины по каждому участку между СКЗ.

3.3.6 Алгоритм ранжирования участков по коррозионной опасности

ПКО УКО ВКО

Рисунок 3.2 – Блок-схема алгоритма ранжирования участков по степени коррозионной опасности 3.3.7 Алгоритм ранжирования участков по коррозионной опасности на основе интегрального показателя Рисунок 3.3 – Блок-схема алгоритма ранжирования участков по степени коррозионной опасности на основе интегрального показателя 3.4 Определение возможности отключения СКЗ 3.4.1 Определение режимов функционирования СКЗ Чтобы убедиться, что отдельные СКЗ можно отключить, необходимо:

1. Определить находятся ли в смежных с предполагаемой для отключения СКЗ участках зоны ВКО или блуждающие токи (раздел 2).

2. Проверить находится ли защитный потенциал в допустимом коридоре.

3. Убедиться в том, что режимы СКЗ не превышают номинальных значений.

Для того, чтобы определить находится ли защитный потенциал в допустимом коридоре используется выражение зависимости защитного потенциала по длине участка МГ от выставленных выходных токов СКЗ [26] где I U е – собственный потенциал;

А – матрица коэффициентов влияния, которая имеет вид Результаты исследований показывают, что зависимость защитных потенциалов от выходных токов СКЗ адекватно описываются системой линейных уравнений [2]:

где m – количество СКЗ;

n – количество точек измерения защитного потенциала.

При известных выходных токах СКЗ и известных защитных потенциалах можно найти коэффициенты влияния матрицы А. Для этого производятся замеры защитных потенциалов в некоторых зафиксированных выбранных точках при различных режимах функционирования СКЗ (меняются выходные токи).

Матрица коэффициентов влияния определяется выражением q – количество выбранных СКЗ для исследования;

r – количество выбранных точек для измерения защитных потенциалов.

определении защитных потенциалов для обеспечения поддержки принятия решения об отключении СКЗ, а также для решения задачи оптимизации.

3.4.2 Проверка граничных условий на выходные данные СКЗ Проверка выполнения граничных условий при отключении СКЗ осуществляется в соответствии со следующим неравенством где U 0 – верхняя граница защитных потенциалов (п. 2.5.1);

U M – нижняя граница защитных потенциалов (п. 2.5.2);

отключенной СКЗ. В общем случае может быть отключено несколько СКЗ, что будет определяться соответствующими нулями в векторе выходных токов.

Напряжение на выходе катодной установки Выходная мощность катодной установки При этом должны выполняться условия k R - коэффициент, учитывающий изменения внешнего сопротивления УКЗ.