Расчет длины защищаемого участка при катодной защите МН
Мощность СКЗ определяется:
| P=Jдр×Dj,, | (1) |
где:
Jдр – ток СКЗ в точке дренажа, а;
Dj - напряжения на зажимах источника постоянного тока, В.
Общее число СКЗ:
 | (2) |
где:
Lобщ – общая длинна трубопровода, км;
L – расчетная длинна защищаемого участка трубопровода, км.
Расчетную длину защищаемого участка трубопровода можно определить по формуле:
 , | (3) |
Вышеприведенные потенциалы связаны между собой выражением:
 | (4) |
Величины потенциалов при защите подземных металлических сооружений от коррозии измеряют по отношении к медно-сульфатному электроду сравнения (МСЭ).
Многочисленными сравнениями установлено, что величина естественного потенциала подземных металлических сооружений колеблется в интервале от –0,23 до –0,72 В, причем практический диапазон изменения Еест составляет от –0,45 до –0,60 В. Поэтому, если не имеется точных данных о величине естественного потенциала стали в данном грунте, принято считать Еест=-0,55 В (по МСЭ).
Отсюда, пользуясь формулой (4), легко получить предельные значения наложенного потенциала, для стального изолированного трубопровода:
| Emax=-1,1-(-0,55)=-0,55 В, Emin=-0,85-(-0,55)=-0,30 В, |
где:
кв-коэффициент, учитывающий влияние смежной СКЗ:
 , | (5) |
где:
a-постоянная распространения тока вдоль трубопровода:
 , | (6) |
где:
RТ – продольное сопротивление трубопровода вычисляют по формуле:
 , | (7) |
где:
rт – удельное электросопротивление трубной стали, rт»0,245 Ом×мм2/м;
D, d - наружный диаметр трубопровода и толщина стенки;
Rиз – сопротивление единицы длинны изоляции, равно:
 , | (8) |
где:
Rиз(tнс) – сопротивления изоляционного покрытия
Q - коэффициент работы анодного заземления, определяется по формуле:
 , | (9) |
где:
rг – удельное электросопротивление грунта, равно:
 , | (10) |
где:
rгi - удельное электросопротивление грунта на участке длинной Li;
- доля участка длинной Li в обшей протяженности трубопровода L.
Рассмотрим принципиальную электрическую схему катодной защиты (рис. 1). Как следует из этой схемы, для наиболее простого случая катодной защиты общее сопротивление цепи можно представить как ряд последовательно соединенных отдельных сопротивлении: R1 и R5 - сопротивления соединительных проводов; R2 - сопротивление растеканию тока с анодного заземления в окружающую почву; R3 - сопротивление почвы между анодным заземлением и защищаемым сооружением; R4 - общее сопротивление току на пути «почва - металл защищаемого сооружения - точка дренажа».
Рис.1. Электрическая схема катодной защиты для расчета мощности СКЗ.
Если пренебречь относительно малой величиной сопротивления К3 (из-за большого сечения почвенного проводника), то общее сопротивление цепи катодной защиты
| Rк.з= Rа+ Rпр+ Rк, | (11) |
где:
Ra=R2 сопротивление растеканию тока с анодного заземления;
Rпр=R1+R5 - ивление соединительных проводов;
Rк=R4- сопротивление собственно защиты.
Таким образом,
| Dj=IдрRк.з=Dja+Djпр+Djк, | (12) |
где:
Dja =IдрRа; Djпр =IдрRпр; Djк =IдрRк= 
Силу тока в точке дренажа определяют по формуле:
 | (13) |
где:
Zвх – входное сопротивление трубопровода, Ом
 | (14) |
где:
r - удельное электрическое сопротивление грунта, ом×м;
у – расстояние от трубопровода до анодного заземления, м, у=50…500 м;
Сопротивление растеканию тока одиночного вертикального электрода в коксовой засыпке (при lа<<4h: da << 21a)
 , | (15) |
где:
d,da,la – соответственно диаметр электрода, диаметр и длина засыпки (табл. 4);
h – расстояние от поверхности земли до середины электрода;
ra – удельное сопротивление засыпки ом×м; ra=0,2 ом×м.
Оптимальное число электродов анодного заземления
 | (16) |
где:
Сэ – Стоимость электроэнергии, руб\кВт;
hu – коэффициент использования электрода; hu=0,95;
t - время работы СКЗ в году;
(e+s) – норма амортизированных отчислений;
Са – стоимость установки одного электрода, руб.;
h - КПД катодной установки; h=0,7;
hв – коэффициент кранирования электродов при выбранном расстоянии между ними (табл. 2).
Таблица 1
Техническая характеристика комплектных анодных заземлителей
| Тип | Материал электрода | Размеры, мм | Масса, кг | Эл. хим. эквивалент кг/А∙год | ||||
| электрод | общие | электр. | общая | |||||
| диаметр | длина | диаметр | длина | |||||
| АК-1 | сталь | 1,0 | ||||||
| АК-3 | железокрем. | 0,12 | ||||||
| АК-1 Г | 0,12 | |||||||
| АК-2Г | 0,12 | |||||||
| ЗЖК-12-КА | ... | 0,12 | ||||||
| ЗЖК-41п-КА | 0,12 | |||||||
| АКЦ | сталь | - | - | 1.0 |
Таблица 2
Коэффициент экранирования вертикальных трубчатых заземлителей,
размещенных в ряд (hв)
| Число труб | Отношение расстояния между трубами к длине трубы | ||
| Формула | Формула | Формула | |
| 0.84-0.87 | 09-0.92 | 0.93-0.95 | |
| 0.76-0.8 | 085-0.88 | 0.9-0.92 | |
| 0.67-072 | 0.79-083 | 0.85-0.88 | |
| 0.56-062 | 072-0.77 | 0.79-0.83 | |
| 0.51 -0.56 | 0.66-073 | 0.76-0.80 | |
| 0.41 -05 | 0.65-0.7 | 0.74-0.79 | |
| 0.38-0.43 | 0.56-0.63 | 0.68 - 0.74 |
 | (17) |
Сопротивление растеканию тока с анодного заземления
Оптимальная плотность тока в дренажной линии
  , | (18) |
где:
rпр - удельное сопротивление металла проводов, принимаемое rпр=0,029 м×м2/м;
Сl – стоимость прокладки дренажной линии
Оптимальное сечение дренажного провода
 | (19) |
Сопротивление дренажной линии
 | (20) |
Проводник стали
 | (20) |
где:
rпр= удельное сопротивление металла проводов, принимаемое rпр=0,029×10-6 Ом×м.
Sпр= 16 мм2
lпр= длинна проводника.
Среднее значение потребляемой мощности СКЗ r=Jдр×Dj
В зависимости от величины ×Dj подбирается соответствующая марка СКЗ.
На основании закона Фарадея срок анодного заземления ( в годах), установленного в грунт определяется по формуле:
 | (21) |
где:
G – общий вес рабочих электродов заземления, кг;
hи – коэффициент использования электродов; (hи=0,95);
q – электрохимический эквивалент материала электродов, кг/а год.
57. Методы определения состояния коррозионной защиты нефтепроводов
Метод нахождениядефектных участков и определения состояния катодной защиты
Если предположить, что на трубопроводе имеются повреждения покрытия, расположенные почти равномерно, то в первом приближении вокруг трубопровода находится цилиндрическое поле постоянного тока. На этом основывается точка зрения, что измерение потенциалов на оборудованных КИПах дает значение, представленное для значительных участков.
Если же рассматривать трубопроводы с большими различиями в площадях дефектов покрытия, то необходимо учитывать, что с увеличением размеров дефектов плотность защитного тока при прочих одинаковых условиях уменьшается. В уравнении 1 и 2 представлена эта зависимость для дефекта покрытия круглой формы без учёта переходного и поляризационного сопротивления. Следствием этого может быть недостаточная поляризация в местах больших повреждений покрытия. Это означает, что на больших дефектах коррозия может возникать и тогда, когда во всех других метах имеется достаточный потенциал. Чтобы определить состояние катодно-незащищённых дефектов применяется метод интенсивных измерений. При этом с интервалом в 5 метров вдоль оси трубопровода измеряется потенциал труба/земля и параллельно этому вызванные защитным током воронки напряжения между электродом сравнения, установленным на земле, и электродом сравнения, установленным над трубопроводом.
 , | (1) |
 , | (2) |
где:
R - сопротивление растеканию, р - удельное сопротивление грунта, d - диаметр дефекта покрытия, U - потенциал без омической составляющей, потенциал включения, Js - плотность защитного тока, I - защитный ток на дефекте покрытия.
На рис. 1 показывается распределение потенциалов в области катодно-незащищённого дефекта. В пунктах измерения МК 111 (км 51/700) и МК 112 (км 52,690) имеется достаточный для катодной защиты от коррозии потенциал, в то время как на км 52/470 на расстоянии всего лишь около 220 м, от пункта измерения наблюдается существенное превышение критерия защитного потенциала. При шурфовании было установлено, что в данном месте трубопровод имеет металлопроводный контакт со шпунтовой стенкой.
Рис. 1. распределение потенциалов в области катодно-незащищённого дефекта
Двухэлектродный метод
Для проведения оценки измерений потенциал трубопровод - грунт не должен быть искажен омическим падением напряжения в грунте. Падение напряжения, вызываемое защитным током, следует элиминировать (устранять) кратковременным отключением защитного тока.
Рис. 2. Изменение потенциала при его измерении включением: 1 - сферическое поле; 2 - изменение потенциала у поверхности земли; 3 - цилиндрическое поле; 4 - усилитель-вольтметр; 5 - электрод сравнения Cu/CuS04; 6 -потенциал «включения»; 7 - потенциал «выключения»; 8 - анод (анодный заземлитель)
Падение напряжения, обусловленное компенсационным током, можно элиминировать по разности потенциалов DU двух электродов сравнения, подключенных к трубопроводу перпендикулярно. Потенциал UIR-frei, не содержащий омического падения напряжения, в этом случае может быть определен по формуле
(2)
Требование об исключении омического падения напряжения в грунте между электродом сравнения и трубопроводов обусловлено тем, что защитные потенциалы, проводимые в литературе, всегда относятся непосредственно к поверхности защищаемого металла. На рис. 2. показано, что при обычном измерении потенциала измерительным электродом с поверхности земли над трубопроводом, кроме поляризации, при катодной защите на границе раздела фаз металл — электролит наблюдается еще омическое падение напряжения в местах дефектов изоляции трубопровода и на сопротивлении распространению тока в местах этих дефектов от трубопровода до поверхности земли или же до несколько более удаленного электрода сравнения. Однако фактором, определяющим потенциал катодной защиты, является только напряжение поляризации на границе раздела фаз металл - раствор электролита, которое складывается из поляризации прохода и концентрационной поляризации. Эти виды поляризации и омическое падение напряжения в грунте имеют различные постоянные времени. Для металлов с чистой поверхностью постоянная времени омического падения напряжения обычно составляет около 10-7 с, постоянная времени для поляризации прохода равна примерно 10-4 с, а для концентрационной поляризации она обычно не меньше 10-2 с и может достигать нескольких секунд и даже часов. В частности, у трубопроводов, подвергающихся поляризации в течение длительного времени, и в грунтах, способствующих образованию покровных слоев на трубопроводе, значительное снижение поляризации нередко происходит только через несколько суток. Оценки показывают, что поляризация прохода у железа в грунте пренебрежимо мала (<50 мВ). При быстро затухающей поляризации измерения можно проводить и методом выключения.
Для выключения защитного тока применяют синхронизированные реле времени, которые через равные промежутки времени прерывают (выключают) защитный ток.
Требования нормативной литературы выполняются при использовании так называемых неполяризуемых электродов сравнения. Они представляют собой "полуячейки", т.е. металлы, погруженные в раствор, который содержит ионы тех же металлов. В технике защиты от коррозии в первую очередь применяют прочные и легко изготавливаемые электроды. Для электродов сравнения длительного действия при получении данных о потенциале от показывающих приборов применяют медносульфатные электроды, внутреннее сопротивление которых Ri»100 Ом.
На нефтепроводе, уложенном в землю, на поверхности трубы образуются гальванические элементы. Электрический ток выходит с поверхности трубы на анодных участках и входит на катодных. Этот ток создает в почве вокруг трубы электрическое поле, по которому можно определить распределение анодных и катодных зон. Определяют потенциальные зоны измерениями поперечного градиента потенциала. Согласно ГОСТ 9.602-89 измерение градиента потенциала производится двухэлектродной установкой методом выноса электрода.
Для его измерения поперечного градиента потенциала, методом выноса электрода, требуются 2 медно-сульфатных электрода, многофункциональный измерительный прибор, играющий роль многопредельного милливольтметра и записывающего устройства, а также соединительные провода. Методика измерения следующая (рис. 3). Устанавливают один электрод над нефтепроводом, а другой - в стороне, на расстоянии 5 м от оси нефтепровода. Подключают многопредельный милливольтметр при помощи соединительных проводов с электродами, учитывая, что положительная клемма прибора подключается к электроду, установленному над нефтепроводом, а отрицательная - к электроду, установленному в стороне от нефтепровода. По окончании измерения переносят установку по оси нефтепровода на 10 м. В новой точке измерения повторяют аналогично предыдущему и так далее по всей исследуемой трассе. При падении потенциала т.е. при обнаружении анодной зоны на нефтепроводе трассу обследуют более детально. Устанавливают шаг измерений в 1м для более точного обнаружения дефекта, и отходят к точке предыдущего замера. Замеры с шагом 1м. продолжают до подъема потенциала на уровень предшествующий падению.
Измерение поперечного градиента потенциала позволяет определить потенциальную зону, в которой находится исследуемый участок трубопровода. В анодных зонах, где коррозионный ток стекает с нефтепровода в землю, потенциал находящегося над ним электрода будет выше потенциала второго электрода и прибор покажет положительное значение, что соответствует положительному градиенту потенциала. В катодных зонах, где коррозионный ток входит в нефтепровод, потенциал находящегося над ним электрода будет ниже потенциала второго электрода и прибор покажет отрицательное значение, что соответствует отрицательному градиенту потенциала.
Если при измерении поперечного градиента потенциала выявятся высокие значение потенциала или частое чередование полярности или если изменились условия залегания нефтепровода, то необходимо провести контрольные измерения с переносом электрода на другую сторону трубопровода.
Рис. 3. Схема измерения поперечного градиента потенциала методом переноса электродов
а - размещение электродов над нефтепроводом: б - схема переноса.
1 - медносульфатный электрод сравнения; 2 - соединительные провода: 3- милливольтметр; 4 -- нефтепровод.
Интенсивные измерения проводятся группой состоящей из 4х человек (рис. 4.).
Помощник ставит электрод сравнения на расстоянии 5 м от трубопровода и считывает показания измерительного прибора для воронки напряжения, другой помощник располагает электрод над трубопроводом и измеряет потенциал труба/земля, он также переносит катушку с кабелем для осуществления электрического подключения к трубопроводу, третий помощник осуществляет разметку трубопровода.
Специалист по катодной защите записывает результаты измерений и обрабатывает их.
Рис. 4. Схема проведения интенсивных измерений
Например, при использовании комплекса германской фирмы Weiklekes elektronik многофункционального измерительного прибора «MoData», обработка данных измерений производится на ПК с помощью программы Intmess (разработка «Weilekes elektronik») и PipeGraf (разработка НИИ БТ НГК). При обработке данных можно увидеть следующую картину распределения потенциальных зон на трубопроводе рис. 5.
Рис. 5. График потенциала «труба/земля» (программа PipeGraf).
С точки технических измерений, двухэлектродый метод является простейшим, так как показания снимаются непосредственно на КИК-ах, без суммирования расчетов.
При двухэлектродном методе необходимо непосредственное подключение к КИК-ам. Для этого соответственно, требуется кабель, минимальная длинна которого должна быть равна как минимум половине расстояния между двумя измерительными контактами.
Необходимое измерение воронки напряжения с как можно большим и постоянным поперечном удалением от оси трубопровода (например 10м) осложняет снятие показаний на труднопроходимых участках и в черте города.
Трехэлектродный метод
Трехэлектродный метод – это расширенный двухэлектродный метод. В отличии от двухэлектродного метода, при трехэлектродном методе измеряются два значения воронки напряжения симметрично с обеих сторон оси трубопровода.
Благодаря одновременному измерению потенциала и обеих воронок напряжения слева и с права оси трубопровода.
Трудоемкое измерение требует довольно-таки большого количества персонала. Двухстороннее измерение воронки напряжение с как можно большим и постоянным расстоянием между электродами (например, 20м между левым и правым электродом) приводит к уменьшению дневной выработки на труднопроходимых участках.
Трехэлектродный метод имеет особенное преимущество при интерпритации данных интенсивных измерений на участках с параллельно пролегающими трубопроводами. Воронка напряжения то соседнего трубопровода с одной стороны оси проверяемого трубопровода можеи быть устранена при обработке данных измеения и могут быть сделаны более правильные выводы при оценке значения измерений.
Часто трехэлектродный метод применяется на участках трубопровода с дефектными изоляции, определенными предварительно по IFO-методу. Измерение левой и правой воронок напряжения в сочетании с расчетом потенциала, свободного от омической составляющей, позволяет в большинстве случаев сделать более точные выводы о катодной защите на участках нарушения изоляции, чем при других методах измерения.
Во время измерений стационарный электрод располагается на месте базового замера. При дальнейшем продвижении вперед, между стационарным электродом и многофункциональным преобразователем требуется более длинный кабель. Если же невозможно дальнейшее увеличение длины кабеля, то надо перенести стационарный электрод, чтобы продолжить интенсивные измерения.
Перенос электрода необходимо производить не только в случае полного использования длины измерительного кабеля, но и при пересечении, например, с железными дорогами или автострадами.
Непосредственно за железной дорогой необходимо производить измерение выносным электродом. После чего произвести перенос стационарного электрода на место последнего измерения выше описанным методом.
Перенос кабеля через препятствие необходим только на время последнего замера.
Метод сложения
Данный метод позволяет путём простого измерения падения напряжений вдоль трубопровода рассчитать потенциал и воронку напряжения в каждой точке объекта. Метод базируется на предположении, что воронка напряжений между двумя электродами, расположенными на нейтральной удалённой земле, равна 0 мВ. Это означает, что, например, при измерении воронки напряжений положение электрода, находящегося на линии, перпендикулярной к оси трубопровода, не имеет значения до тех пор, пока он находится на нейтральной удалённой земле.
Рис. 6. Схема параллельного перемещения электродов сравнения
При этом:
UA1 – UA2 = 0
UA1 = UA2
из этого следует:
UB1 – UA1 = UB1 – UA2
UB2 – UA2 = UB2 – UA1
Электроды, находящиеся на линии, перпендикулярной к оси трубопровода, могут располагаться на любом месте нейтральной земли
Рис. 7 Схема неперпендикулярного перемещения электродов сравнения
При рассмотрения схемы перемещения электродов сравнения, представленной на рис. 7 имеем следующие выражения:
DU1=UB1 - UA1
DU2=UB2 - UA1
после выражения через UA1:
DU1 – UB1, = DU2 - UB2
0=DU1+(UB2-UB1)- DU2
DU2 = UB2 – UB1 + DU1
Это означает, что воронка напряжения DU2 равна сумме разности напряжений UB2 – UB1(падение напряжений вдоль длины трубопровода) и DU1(базового напряжения). Потенциалы определяются аналогичным методом.
IFO-метод
IFO-метод (интенсивное определение участков дефектов изоляции) применяется на новых трубопроводах с очень хорошей изоляцией и малым количеством дефектов изоляции.
IFO-метод служит только для обнаружения мест дефектов изоляции, контроль потенциалов при этом методе не производится. Для контроля потенциалов на КИК-ах во время IFO-измерений необходимо перейти на двухэлектродный метод.
Во время применения IFO-метода во многих случаях ток катодной станции преднамеренно увеличивают (что смещает потенциал в негативную сторону), чтобы оптимизировать измерения наименьших разностей напряжения.
При IFO-методе измеряются падения напряжений включения и выключения вдоль трубопровода. При этом два измерительных электрода располагаются на поверхности вдоль трубопровода на расстоянии 5м или 10м друг от друга. Шаг измерения как правило равен 5м, что означает сто после очередного замера оба электрода перемещают на 5м в направлении измерения.
При обработке данных IFO-измерений рассматриваются разность измерений напряжений включения и выключения. Увеличения разности напряжений с последующим изменением ее знака сигнализирует о возможном дефекте изоляции на данном участке.
Расстояние 10м между двумя переносными электродами предпочтительнее при малых падений напряжений.
Расстояние 5м позволяет, благодаря простому сложению измеренных падений напряжений, определить абсолютные значения воронки напряжения.