Пример расчета совместной катодной защиты сети газопроводов и водопроводов

1. Пусть на территории площадью 10 га после завершения строительства будут размещены газопроводы (ГП) и водопроводы (ВП) диаметрами и длинами соответственно d;_r, lj_r и dj_B, lj_B по табл. П1:

РД 153-39.4-091-01

Таблица Ш

2. Определяем по формуле (П.1) суммарную поверхность всех
газопроводов:

S_T= 3,14 х Ю³ (200 х 750 + 150 х 640 + 100 х 400 + 89 х 150) =

940 м²,

по формуле (П.2) - суммарную поверхность всех водопроводов: S_B= 3,14 х 10"³ (200 х 450 + 100 х 520 + 300 х 80 + 150 х 170) =

601 м².

3. Суммарная поверхность всех трубопроводов:
S= S_r + S_B = 940 + 601 = 1541 м²

4. Определим среднее удельное сопротивление грунта у трубо­-
проводов, исходя из опытных данных табл. П2, где представлены
результаты измерений р ;_г и р j_B вдоль каждого из участков трубо­-
проводов, где эти величины можно считать постоянными (эти уча­-
стки не обязательно совпадают с участками по табл. Ш).

Таблица П2

РД 153-39.4-091-01

4. Суммарная длина газопроводов (по любой из табл. П1 или П2)

5. Суммарная длина водопроводов

6. По формуле (П.4) определяем среднее удельное сопротивле­-
ние грунта у трубопроводов, используя данные табл. П2.

7. По формулам (П.5) и (П.6) вычисляем доли площади поверх­-
ности газопроводов и водопроводов в суммарной поверхности тру-­
бопроводов:

8. Вычисляем коэффициенты Ь_ги Ь_впо- формулам (П.7) и (П.8):

9. По формуле (П.9) вычисляем среднюю плотность защитного
тока для всех трубопроводов:

10. По формуле (П. 11) вычисляем суммарную силу защитного
тока

11. С учетом п. П. 13 используемой «Методики» принимаем ток
катодной станции 25 А и число катодных станций равным 2.

12. Вычисляем коэффициент К по формуле (П. 14):

К = (1541/10) = 154,1 м²/га и по формуле (П.13) радиус действия каждой катодной станции

По совмещенному плану круги с центрами в местах расположе­ния анодных заземлений и радиусами по 161 м охватывают всю территорию размещения проектируемых трубопроводов (при этом каждая станция охватывает по 8,14 га из 10 га). Следовательно, из­менять число катодных станций и их расположение не нужно.

РД 153-39.4-091-01

Приложение Р

(Информационное)

Информация о пакете программ АРМ-ЭХЗ-6П

Проектирование электрохимической защиты

трубопроводной сети»²⁾

Р.1 Общие положения

Р. 1.1Пакет программ предназначен для расчета и проектирова­ния электрохимической защиты от коррозии сети подземных ме­таллических трубопроводов различного назначения и сложности, в том числе:

- разветвленных;

- закольцованных;

- связанных перемычками заданного сечения;

- рассеченных изолирующими вставками;

- связанных с различного рода заземлениями;

- с неоднородной изоляцией;

- в неоднородных грунтах;

- в поле блуждающих и защитных токов смежных сооружений;

- с учетом гальванической неоднородности участков сети и пр.
Р.1.2Основные решаемые задачи:

- определение оптимального количества и схемы размещения
установок ЭХЗ, величины их токов и распределения суммарного
защитного потенциала (U), исходя из условий минимума суммарно­
го защитного тока и заданного диапазона изменения U в исследуе­-
мой области (оптимизационная задача, код Ml);

- определение удельного электрического сопротивления изоля­-
ции в заданных точках трубопроводной сети по известному (изме-

² Разработчик - Волгоградская Государственная архитектурно-строительная академия (ВолгГАСА). Тел.: 44-91-68.

РД 153-39.4-091-01

ренному) распределению защитного потенциала и токам катодных станций (обратная задача, код МЗ). Р. 1.3 Прочие решаемые задачи:

- подготовка сметы и спецификации на строительно-монтажные
работы;

- расчет параметров анодных заземлителей и установок гальва­-
нической защиты;

- анализ поля токов в земле;

- построение эпюры потенциала в поле блуждающих и защит­-
ных токов;

- оценка поля токов продольных коррозионных макропар;

- распечатка проектных материалов, в том числе графических
файлов типовых анодных заземлителей различной конфигурации.

Р. 1.4 Прилагается постоянно обновляемая база данных по пре­образователям, гальваническим анодам и электродренажам, прей­скурант цен на строительно-монтажные работы, каталоги на вспо­могательное оборудование и материалы, сметные коэффициенты. При этом предусмотрена корректировка, добавление и запоминание произвольных статей сметы.

Р. 1.5 Прилагается специализированный графический редактор, позволяющий заготавливать рабочие чертежи узлов и деталей сис­тем ЭХЗ.

Р.1.6Пакет АРМ ЭХЗ-6П является составной частью комплекса АРМ ЭХЗ-6, куда входят пакеты АРМ ЭХЗ-6Э «Эксплуатация средств ЭХЗ»» и АРМ ЭХЗ-6У «Обучение производственного пер­сонала служб ЭХЗ».

Р. 1.7 Комплекс АРМ ЭХЗ-6 эксплуатируется во многих проект­ных и наладочных организациях России.

Р.1.8Программы могут быть использованы в любых модифика­циях ПЭВМ от 286 до Pentium и выполняются с операционной сис­темой как DOS, так и Windows.

РД 153-39.4-091-01

Р.2 Постановка задачи исходные данные

Р.2.1Исходные данные вводятся в диалоге с программой ввода и сопровождаются комментариями и пояснениями.

Для решения основных задач (Ml, M2 и МЗ) требуются:

- масштабированный план трубопроводной сети с произвольно
назначенной системой прямоугольных координат;

- координаты контролируемых точек сети: вводы трубопрово­-
дов в здания, повороты трасс, точки разветвления, пересечения с
соседними подземными сооружениями и рельсами трамвая, КИПы
и пр.

- диаметр, толщина стенки, удельное сопротивление изоли­-
рующего покрытия трубопроводов;

- удельное электрическое сопротивление грунта;

- фактическое количество установок ЭХЗ и их токи (задачи М2
и МЗ) или предполагаемое количество установок ЭХЗ и предельно
допустимые защитные потенциалы в рассматриваемой сети (задача
Ml);

- предполагаемое (задача Ml) или фактическое (задачи М2 и
МЗ) положение анодных заземлителей и точек дренажа установок
ЭХЗ на плане сети;

- координаты контролируемых точек рельсовой сети как источ­-
ника блуждающих токов и эпюра распределения потенциала рель-
сы-земля.

Р.2.2При постановке задач следует учитывать ряд особенно­стей.

Р.2.2.1Минимальное расстояние между контролируемыми точ­ками (или узлами дискретизации) на участке сети не лимитируется и определяется степенью точности ожидаемого решения и требуе­мой детализацией (дискретизацией) задачи. Например, вблизи анодного заземлителя шаг дискретизации может быть принят рав­ным 10 м и менее, а на прямолинейных протяженных участках до­пустим шаг 500 м и более.

РД 153-39.4-091-01

Возможны незначительные спрямления и искажения реальной схемы сети (замена расчетной схемой) с целью уменьшения объема ввода узлов дискретизации. Общее число узлов дискретизации - не более 200, начало нумерации - произвольное.

Р.2.2.2 Удельное электрическое сопротивление изоляционного покрытия R_H3 для проектируемого городского трубопровода прини­мают приближенно, прорабатывая варианты с вилкой «новая - из­ношенная» изоляция, ориентируясь, вероятно, на худший вариант, взятый, например, из интервала R_ro = 200 ...50 Ом.м², имея ввиду, что изоляция стареет, и фактические значения R_H3 могут быть на порядок меньше.

При проработке вариантов с различными значениями R_H3 удобно пользоваться коэффициентом старения изоляции, заложенным в разделе «Исходные данные», позволяющим пропорционально ме­нять величины R_H3 сразу во всем массиве участков.

Р.2.2.3 Один из способов определения фактических значений R_H3 для узлов дискретизации в действующей трубопроводной сети представлен задачей МЗ. Точность решения задачи МЗ зависит от степени достоверности результатов натурных измерений защитных потенциалов, созданных катодными станциями: изменение потен­циала труба-земля в режиме включено - выключено должно быть зафиксировано с точностью ± 0,01 В.

Р.2.2.4 При необходимости определения локального значения R_H3 в отдельно взятой точке по трассе существующего трубопрово­да: а) включают опытную катодную станцию; б) измеряют попе­речный градиент потенциала в земле вблизи исследуемой точки; в) измеряют смещение потенциала трубопровода, вызванное током катодной станции; г) по известной формуле вычисляют плотность тока на поверхности трубопровода в исследуемой точке и д) по за­кону Ома вычисляют удельное сопротивление изоляции R_H3.

Р.2.2.5 Поскольку проектируемая трубопроводная сеть, как пра­вило, затем будет соединена с существующей сетью, следует учи­тывать их взаимное влияние, связанное с токами перетекания. С этой целью для узла дискретизации, соответствующего точке элек-

РД 153-39.4-091-01

трического соединения (стыка) сетей на проектируемом трубопро­воде, вводят потенциал, близкий к фактическому потенциалу тру­бопровода со стороны существующей сети в этой точке, например, U = -0,90 В.

Следует учитывать, что задача Ml корректно решается лишь при разделенных сетях. Поэтому после решения Ml с разделенными се­тями следует откорректировать результаты решением в режиме М2 при состыкованных сетях.

Р.2.2.6 При наличии рельсовой сети трамвая или электрифици­рованной железной дороги определяют шаг дискретизации рельсо­вых линий в интервале 1000...200 м с малым шагом в районе точек дренажа. Общая протяженность участка моделируемой рельсовой сети должна быть достаточной для воспроизведения поля блуж­дающих токов на исследуемой территории с минимальными иска­жениями. Для этого целесообразно рассекать рельсовую сеть в точ­ках токораздела на границах зон действия соседних тяговых под­станций. Общее число узлов дискретизации рельсовой сети - не бо­лее 40, нумерация узлов - непрерывная от начала участка.

При наличии ответвления нумерация продолжается от точки разветвления. При этом точка разветвления получает двойной но­мер: по основной линии и по ответвлению.

Р.2.2.7 Переходное сопротивление участка рельсовой сети R_пер можно принять, исходя из технического состояния рельсовой линии (обычно R_пер = 50...200 Ом.м), или рассчитать по результатам изме­рения методом градиента потенциала.

Для расчета R_пер на расстоянии Y = 20...30 м от оси рельсовой линии измеряют поперечный градиент потенциала земли AU/AY; измеряют удельное электрическое сопротивление грунта р, по за­кону Ома вычисляют плотность тока в земле в точке с радиальной координатой Y; вычисляют суммарный ток, пронизывающий боко­вую поверхность полуцилиндра радиуса Y единичной длины; изме­ряют среднее значение потенциала рельсов; по потенциалу рельсов и току вычисляют искомое значение переходного (линейного) со­противления в данной точке.

РД 153-39.4-091-01

Р.2.2.8 При решении задачи Ml, руководствуясь реальными возможностями размещения установок ЭХЗ на данной территории, вначале вводят предполагаемое, причем желательно избыточное, количество установок ЭХЗ, задавая их тип - катодные станции, электродренажи и установки гальванической защиты (протектор­ные). В процессе решения оптимизационной задачи (симплекс-методом) программа отбрасывает излишние установки ЭХЗ и вы­бирает наилучший вариант размещения оставшихся, исходя из за­данной номинальной мощности каждой из них и других указанных выше ограничивающих условий.

Общее количество вводимых установок ЭХЗ - не более 25.

Р.2.2.9 При выборе конструкции анодных заземлителей можно пользоваться типовыми решениями из альбомов рабочих чертежей 5.905-6 и 7.402-5 или же принять нетиповой (собственный) зазем-литель.

Р.2.2.10 При проектировании только гальванической защиты участка трубопроводной сети (обычно в режиме М2) вначале долж­но быть задано количество групп гальванических анодов, их раз­мещение и токи, полагая, что группа - это мини СКЗ. После варьи­рования этими параметрами и отыскания приемлемого решения по распределению потенциала в сети определяют, используя раздел «Анодные заземлители СКЗ», количество гальванических анодов в группе, ток каждого из них и срок службы.

Решение задачи гальванической (протекторной) защиты в режи­ме Ml аналогично задаче с катодными станциями, но с заданием малых номинальных (предельных) токов, например, не более 0,2 А для группы гальванических анодов.

Р.2.2.11 К трубопроводу, заземленному на арматуру железобе­тонной конструкции или другое подземное сооружение, не тре­бующее ЭХЗ, подключают эквивалентный трубопровод, модели­рующий данное заземление. Параметры эквивалентного трубопро­вода вычисляют в разделе «Анализ поля токов» и направляют его от точки заземления вглубь земли. При этом, если моделируется железобетонный фундамент, то стационарный потенциал эквива-

РД 153-39.4-091-01

лентного трубопровода берется более положительным, чем основ­ного, т.е. равным, например, - 0,3 В.

Р.2.2.12При определении величины стационарного потенциала Е_ст проектируемого к укладке трубопровода по трассе с неоднород­ным грунтом следует иметь ввиду, что в сухих грунтах потенциал Е_ст более положителен, чем в мокрых. Обычно Е_ст находится в диа­пазоне - 0,45 ...- 0,7 В.

Р.2.2.13Поскольку удельное сопротивление изоляции трубопро­вода (R_ro) зависит от удельного сопротивления водной составляю­щей окружающего грунта, то целесообразно вводить для корректи­ровки R_H3 значения удельного сопротивления грунта (р) для каждой контролируемой точки или группы ближайших точек.

Р.2.2.14При исследовании совокупности разнородных и разде­ленных трубопроводных сетей, т.е. при отсутствии потенциалвы-равнивающих перемычек и гальванических связей между сетями, решают задачу М2. При наличии искусственных или естественных перемычек между трубопроводами возможно решение в режиме Ml.

Потенциалвыравнивающую кабельную перемычку представля­ют эквивалентным по продольному сопротивлению трубопроводом с весьма качественной изоляцией (R_H3 = 20000 Ом.м²) или прини­мают R_H3 = 2...4 Ом.м² - при использовании голой стальной шины.

Р.2.2.15При исследовании поля токов коррозии и защиты в зем­ле, токов перетекания между смежными сооружениями и отдель­ными участками, например, при их гальванической разнородности, поля токов в многоанодной системе ЭХЗ и пр. используют про­граммы раздела «Анализ поля токов». При этом могут быть по­строены линии тока анод-катод, векторы плотности тока, рассчита­на таблица потенциалов земли в трехмерном пространстве; вычис­лены плотности тока и продольный ток трубопровода в исследуе­мой точке сети и т.д.

Р.2.2.16Сметные расчеты на строительно-монтажные работы ведут на основании прейскурантов ПЭЗ-84 с соответствующим ко­эффициентом удорожания. Все сметные коэффициенты могут кор-

РД 153-39.4-091-01

ректироваться пользователем. Могут вводиться нестандартные ста­тьи и калькуляции, которые затем запоминаются для повторного использования.

Спецификация на оборудование и материалы составляется в ав­томатизированном режиме в процессе подготовки сметы и затем распечатывается по принятой форме.

Р.2.2.17 Графический материал - масштабированная схема тру­бопроводной сети с размещенными контрольными точками, уста­новками ЭХЗ, КИПами, изолирующими фланцевыми соединениями и прочими графическими и текстовыми отметками - распечатыва­ется на бумаге формата А4 или A3 (при наличии принтера с широ­кой кареткой), а при необходимости может быть перенесен для об­работки в графический редактор WINDOWS.

ПРИМЕР РА СЧЕТА ПО ПРОГРАММЕ АРМ ЭХЗ-6П

Пусть в соответствии с представленной на рисунке Р1 расчетной схемой требуется определить параметры оптимальной системы ЭХЗ участка трубопроводной сети, находящегося в поле блуждаю­щих токов рельсового транспорта.

Произвольно принимаем положение осей прямоугольной систе­мы координат (X, Y, Z), задаем расположение узлов дискретизации: 1... 12 - на трубопроводе и 1...5 - в рельсовой линии и определяем их координаты.

Рассматриваемый (проектируемый) трубопровод в узле 9 будет врезан в старую трубопроводную сеть с изношенной изоляцией, оборудованную ЭХЗ. Координаты узлов проектируемого трубопро­вода (Х_т, Y_T, Zr), стационарные потенциалы и потенциал в точке врезки приведены в табл. PI (Zj - заглубление).

РД 153-39.4-091-01

Таблица PI

Рис. PI. Схема трубопроводов и рельсового пути к примеру расчета ЭХЗ по программе АРМ ЭХЗ-6П

Учитываемая в расчетах, рельсовая линия находится в пределах зоны действия ближайшей тяговой подстанции, которая подключе-

РД 153-39.4-091-01

на в узле РЗ. Измеренные потенциалы рельс-земля (U_p) и координа­ты узлов дискретизации (Х_р, Y_p) приведены в табл. Р2.

Таблица Р2

Удельное сопротивление изоляции трубопровода (R_H3) в данном примере принято равным 50 Ом.м. Переходное сопротивление рельсовой линии (R_nep) принято равным 50 Ом. м, что характерно для плохого состояния рельсового полотна.

При определении схемы ЭХЗ можно полагать, что в данной си­туации наиболее простой способ защиты (вариант 1) - применение электродренажа между точками 2 трубопровода и 3 рельсов. После ввода данных (из меню «Ввод и корректировка») решим задачу (из меню «Решение основной задачи») по варианту 1. Результаты ре­шения в режиме Ml (оптимизационная задача) приведены в табл. РЗ.

Поскольку наиболее опасный участок анодной зоны на трубо­проводе находится в точках 11 и 12, то целесообразно рассмотреть вариант 2-е катодной станцией: точка дренажа -11, координаты анодного заземлителя - Х_а = 200 и Y_a = - 120 м. Результаты расчета приведены в табл. РЗ, вариант 2.

Для сравнения выполнен расчет по варианту 3 - включены од­новременно и электродренаж, и СКЗ (табл. 3, вариант 3). Решается

РД 153-39.4-091-01

оптимизационная задача на минимум тока защиты. Несмотря на то, что суммарный ток защиты несколько снизился, предпочтение, по-видимому, следует отдать варианту 1.

Таблица РЗ

Расчет дренажного кабеля показал («Результаты расчета»), что по первому варианту необходим кабель сечением 35 мм², а по третьему - 10 мм².

При расчете анодного заземлителя с ферросилидовыми стерж­нями («Расчет анодного заземлителя») по варианту 3 оказалось, что достаточно одного стержня длиной 1,5 м. Его срок службы - 21,7 года, сопротивление растеканию тока - 7,9 Ом.

РД 153-39.4-091-01

При ухудшении качества изоляции трубопровода до уровня R_H3 = 25 Ом. м токи защиты увеличатся примерно в два раза.

Если же оставить R_H3 = 50 Ом. м, но увеличить переходное со­противление рельсовой линии до уровня R_nep = 100 Ом. м, суммар­ный ток защиты уменьшится примерно в два раза, поскольку суще­ственно уменьшится интенсивность блуждающих токов. Так, в узле 8 (катодная зона) потенциал трубопровода изменится от U_g = - 1,03 В до U_g = - 0,82 В, в анодной - от U,₂ = - 0,10 В до U,₂ = - 0,36 В.

РД 153-39.4-091-01

Приложение С

(Информационное)

Информация о компьютерной программе CAG для расчета анодных заземлений систем катодной защиты³⁾

С.1Программа CAG предназначена для расчета одиночных вер­тикальных и горизонтальных заземлителей в однородных и двух­слойных грунтах и однорядных анодных заземлений из идентичных вертикальных заземлителей в однородных и (при определенных ог­раничениях) в двухслойных грунтах. Характеристики грунтов бе­рутся по данным вертикального электрического зондирования (ВЭЗ).

С.2 Программа разработана как программное средство для лю­бых модификаций ПЭВМ от 286 до Pentium, совместимых с IBM PC AT. Программа может выполняться как с операционной систе­мой DOS, так и Windows 95. Все необходимые для работы про­граммы файлы поставляются в комплекте. Запуск осуществляется из рабочего файла. Все комментарии и советы вызываются через Help. Применение мыши, учитывая активную работу с клавиату­рой, не предусмотрено. В результате выполнения программы вы­числяются искомые значения. Они могут, кроме вывода на экран, сохраняться в файле результатов, формируемом по желанию поль­зователя для последующей распечатки и обработки.

С.З Программа может решать следующие задачи:

С.3.1При расчете одиночных заземлителей (число анодов п = 1) при заданных характеристиках анода, грунта и расположения анода в грунте:

- вычисление сопротивления растеканию тока анода R и одно­временно срока службы анода Т, если задана сила тока на анод J, или допустимой силы тока на анод J, если задан срок его службы Т.

Для вертикального анода одновременно вычисляются приведен­ные годовые затраты С.

³ Модифицированная программа ORVG-1. Разработчик - Академия коммуналь­ного хозяйства им. К.Д. Памфилова. Тел. 490-37-23.

РД 153-39.4-091-01

С.3.2 При расчете однорядных анодных заземлений в однород­ном и (с определенными ограничениями) в двухслойном грунте при заданных характеристиках анодов, грунта, расположения анодов в грунте, силе тока на заземление Jp и сроке службы анодов Т:

- при п = 0 и Rg = 0: расчет числа анодов птз в экономически
оптимальном заземлении, минимальных приведенных годовых за­
трат Cmin, сопротивления растеканию тока заземления Rg, сопро­-
тивления растеканию тока одного анода R, допустимой силы тока
на анод J, минимального необходимого числа анодов в заземлении
nm;

- при п = 0 и заданном Rg > 0: расчет числа анодов п, обеспечи­-
вающего получение значения Rg, максимально близкого к заданно-­
му; соответствующее значение Rg, а также значений R, J, nm и С;

- при Rg = 0 и числе анодов п > 2 расчет: значений Rg, R, J, nm
и С.

Подробнее возможности и ограничения расчетов, обозначения и размерности вводимых и вычисляемых параметров перечислены в Help. Выход на Help возможен и в процессе расчетов - клавиша F1.

С.4 После запуска рабочего файла следует в соответствии с по­являющимся запросом выбрать тип рассчитываемых анодов - вер­тикальные или горизонтальные, а затем ответить на запрос: не ну­жен (п) или нужен (имя файла) файл результатов..

С.5 При выборе вертикальных анодов на экране появляются 7 схем возможного расположения вертикального анода в грунте (рис. С1). При выборе горизонтальных анодов на экране появляются 4 схемы возможного расположения горизонтального анода в грунте (рис. С2).

С.6 Для введения исходных данных следует выбрать нужный номер схемы и дать его как двухзначное число (например, 24).

С.7 Для вертикальных анодов ввиду большого количества вво­димых исходных параметров их столбец занимает 2 экрана. Пере­ход от 1-й половины столбца ко 2-й и обратно осуществляется ко­мандами соответственно Page Down и Page Up.

С.8 В столбце исходных параметров, наряду с их обозначения­ми, приведены их произвольные численные величины - кроме ко­эффициента запаса (Eps), а для вертикальных анодов - также нор­мативного коэффициента (Ен), к.п.д. преобразователя (w) и числа

РД 153-39.4-091-01

часов работы заземления в году (Тг). Для этих параметров даны значения, употребительные на момент составления программы. Для изменения значения любого параметра, включая указанные, следу­ет установить курсор на его символе и дать команды: Enter - нуж­ное число - Enter. Могут вводиться параметры как типовых, так и нетиповых заземлителей.

С учетом п. 4.3.17 заглубление анода t, а также толщина верхне­го слоя двухслойного грунта отсчитываются от нижней границы слоя промерзания грунта.

Рис. С1. К программе CAG: схема возможных расположений

вертикального анода в однородном (1.1,1.2) и двухслойном

грунтах (2.1 - 2.5) для выбора расчетного варианта

РД 153-39.4-091-01

Рис. С2. К программе CAG: схема возможных расположений

горизонтального анода в однородном (1.1,1.2) и двухслойном

грунтах (2.1,2.2) для выбора расчетного варианта

С.9 После введения всех нужных численных значений парамет­ров подвести курсор к строке run в столбце исходных данных и на­жать клавишу Enter. Если введенные числа не содержат ошибки (значения L, LI, L2, h, t соответствуют выбранной схеме располо­жения анода в грунте) и не попадают в зону ограничений возмож­ностей программы, в правой половине экрана появляется столбец значений искомых характеристик. В противном случае высвечива­ется информация об ошибке или попадании введенного значения того или иного параметра в зону ограничений возможностей расче­та по программе.