Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей

Подождите немного. Документ загружается.

262

Рис.11.3. Расчетные схемы совместной защиты двух трубопроводов:

а) I

скз

= 15A, x

= 0, y

= 15м ; б) то же, но с перемычкой стальной шиной

150 мм

; в) две СКЗ: I

= 15A, I

= 50A, x

= 0, x

= 0 (или х

а2

= 80м),

= y

= 20м.

Таблица 11.3

NN Коорди- Схемы по рис.11.3

уз-

лов

ната, х , м

а б

а2

= 0 х

а2

=80 м

1 0 -2,777 -1,334 -6,348 -2,651

2 10 -2,051 -1,460 -4,374 -2,085

3 20 -1,709 -1,204 -3,292 -1,875

4 40 -1,411 -0,942 -2,121 -1,805

5 80 -1,238 -0,790 -1,377 -2,616

6 200 -1,100 -0,705 -0,959 -0,935

7 500 -0,964 -0,662 -0,826 -0,857

8 1000 -0,838 -0,635 -0,790 -0,783

9 2000 -0,807 -0,640 -0,855 -0,797

10 0 -3,480 -2,800 -6,929 -2,256

11 10 -1,029 -1,090 -2,757 -1,192

12 20 -0,726 -0,740 -1,746 -0,976

13 40 -0,596 -0,647 -1,133 -0,919

14 80 -0,545 -0,596 -0,857 -2,698

15 100 -0,527 -0,571 -0,712 -0,599

16 500 -0,529 -0,560 -0,639 -0,579

17 1000 -0,538 -0,535 -0,595 -0,564

18 2000 -0,552 -0,552 -0,567 -0,556

Как и следовало ожидать, при отсутствии каких-либо мер по совме-

стной защите (рис.11.3, а), часть тока, стекающего с анодного заземли-

теля и идущего в конечном счета на защиту газопровода, сначала натека-

263

ет на водопровод с узлах 10...13, т.е. на ближайший участок длиной 40 м,

а затем стекает с него по всей оставшейся длине.

Нетрудно подсчитать, что на водопровод натекает и, разумеется, за-

тем стекает с него ток 4,75 А, который за один год растворит около 44 кг

железа. Единственная надежда, что стекающий ток распределится вдоль

трубы равномерно и средняя скорость коррозии будет незначительной.

Действительно, если анодной зоной считать участок длиной 1000 м, то

средняя линейная плотность тока утечки будет равна j′= 0,00475 А/м. То-

гда средняя поверхностная плотность тока утечки при диаметре d = 0,2 м,

принятом в расчете, составит j

′′

= 0,00755 А/м

, что эквивалентно средней

скорости коррозии v = 0,00895 мм/год. Даже, если неравномерность ско-

рости коррозии оценить коэффициентом пористости s = 0,05, что при

плохой изоляции явно завышено, то местная или язвенная коррозия не

будет превышать 0,18 мм/год, с чем какое-то время еще можно мириться.

Подключим потенциалвыравнивающую перемычку, например, сталь-

ную шину сечением 150 мм

длиной 10 м, между трубопроводами к точке

дренажа (рис.11.3,б ) и оставим в работе ту же катодную станцию. Нега-

тивные последствия этого очевидны: не защищен ни тот, ни другой тру-

бопроводы. Если без перемычки зона защиты газопровода достигала 900

м, то с перемычкой - только лишь 70 м. При этом удалось защитить всего

лишь 15 м водопровода.

Можно попытаться увеличить ток катодной станции. Так, увеличение

тока катодной станции, например, до 50 А - при включенной перемычке -

ведет к перезащите и на том, и на другом трубопроводах, но не вызывает

заметного увеличения защитной зоны.

Вероятнее всего в данной ситуации каждый трубопровод следует за-

щищать отдельными катодными станциями, но при обязательном согла-

совании их режимов работы.

При подключении двух катодных станций соответственно к точкам 1

и 10 или одной катодной станции, но с двумя регулируемыми выходами

на те же точки (рис.11.3,в), картина не меняется к лучшему, если у этих

катодных станций один общий анодный заземлитель (табл.11.3,вар.1),

расположенный против точек дренажа, т.е. в точке с координатами х

а1

0, х

а2

= 0 и y

= 20, y

= 20 (м).

264

Но сдвинув один из анодных заземлителей в сторону вдоль трубо-

провода ( х

а2

= 80 м, y

= 0 ), получим, пожалуй, наиболее оптимальный

вариант защиты, хотя и этот вариант не решает проблему.

Если все же есть настоятельная необходимость в защите данного не-

изолированного водопровода, то перебор вариантов надо продолжить, на-

ращивая число анодных заземлителей вдоль трубопровода. Чаще в таких

ситуациях считают, что защита неэффективна и отказываются от совме-

стной защиты с водопроводом до тех пор, пока не будет заменена его

изоляция.

При подготовке расчетной схемы, если ставятся задачи о взаимном

влиянии между трубопроводами, необходимо внимательно отнестить к

выбору шага дискретизации. После первой попытки решения задачи воз-

можно придется уменьшить шаг вдвое и повториться. Шаг дискретизации

может быть увеличивающимся по мере удаления от исследуемой области,

например, по геометрической прогрессии. Желательно, чтобы вблизи

этой области предыдущий шаг дикретизации не превышал последующий

более чем в 2 раза.

11.2.2. Пучек параллельно уложенных трубопроводов

Часто параллельно уложены несколько трубопроводов, например,

при устройстве многониточного магистрального трубопровода. При этом

ставится задача обязательной защиты всех ниток.

Пример расчета 5

На рис.11.4 представлен участок трассы магистрального трубопрово-

да из пяти нитей, уложенных с интервалом 20 м. Участки справа и слева

от рассматриваемого учтены, но не показаны. Шаг дискретизации - уве-

личивающийся в геометрической прогрессии по мере удаления от точки

дренажа. Диаметр всех нитей трубопровода - 200 мм, удельное электри-

ческое сопротивление изоляции - 150 Ом

м, удельное электрическое со-

противление грунта - 20 Ом

м, ток первой СКЗ I

= 50 A, второй - I

20 A.

Включение независимой катодной станции на трубопроводе 1

(рис.11.4,а) вызывает вредное влияние на соседние трубопроводы: начи-

265

ная с точки с координатой х=150 м трубопроводы приобретают анодное

смещение потенциала величиной до +0,06 В.

Рис.11.4. Защитные зоны при различных схемах совместной катодной за-

щиты “пучка” магистральных трубопроводов. а- индивидуальная защита

крайнего трубопровода 1; б- с перемычками R между трубопроводами; в -

то же и два анодных заземлителя с одной точкой дренажа; г - то же и раз-

несенные точки дренажа.

Судя по результатам расчета включение перемычек между трубопро-

водами в точке дренажа (рис.11.4,б) не обеспечивает полной защиты уча-

стка. Попытки улучшить эффект включением перемычек в других местах

также не дали ощутимого результата.

Включение второго анодного заземлителя со стороны 5-й нити и уве-

личение общего тока защиты до 70 А - при наличии одной точки дренажа

(рис.11.4,в) - практически не улучшает картину.

Фактически требуется включение 2-х или даже 3-х катодных станций

с обособленными заземлителями и разнесенными точками дренажа

266

(рис.11.4,г). При этом потенциалвыравнивающая перемычка все же необ-

ходима.

Рассмотренная ситуация типична для нефтепромысловых и магист-

ральных трубопроводов, но всякий раз требует внимательного рассмот-

рения с применением численного эксперимента на базе программ пакета

АРМ- ЭХЗ-7П.

В табл.11.4 приведены разности потенциалов труба-земля для облас-

ти вблизи точки дренажа (х =0) с перемычкой.

Таблица 11.4

Номера трубопроводов

х, м 1 2 3 4 5

-20 -3.377 -2.332 -1.871 -1.779 -2.090

0 -2,348 -1.354 -1.141 -0.979 -1.450

20 -3.319 -2.282 -1.826 -1.738 -2.053

40 -3.314 -2.325 -1.855 -1.719 -1.867

При этом можно отметить особенность, возникающую в системе

взаимовлияющих трубопроводов: в точке дренажа каждого из трубо-

проводов защитный потенциал менее отрицателен, чем в соседней точке

на этом же трубопроводе. Но такая ситуация не может возникнуть в “нор-

мальных” условиях! Объяснить этот эффект можно следующим образом.

На любой из трубопроводов в области перемычки действуют:

1) анодный заземлитель, вызывающий отрицательное смещение по-

тенциала труба-земля в ближайших к нему точках (

< 0);

2) соседний защищенный трубопровод, вызывающий положительное

смещение потенциала (

> 0);

3) перемычка, если она выполнена стальной неизолированной шиной,

вызывающая положительное смещение потенциала (

> 0), поскольку

она в данном случае ничем не отличается от соседнего, защищенного

трубопровода, но находится, к сожалению, в непосредственной близости

от рассматриваемого трубопровода.

Алгебраическая сумма этих смещений будет определять величину и

знак потенциала влияния

вл

. В данной ситуации в

267

точке дренажа потенциал влияния - за счет близости неизолированной

перемычки - явно положительный (

вл

> 0) , а по мере удаления от нее

вл

уменьшается и далее может сменить знак.

Это и отмечается в табл.11.4, поскольку в расчете была принята

стальная неизолированная перемычка. Как только в исходных данных

расчета заменили стальную шину изолированным кабелем, этот эффект

исчез, т.е. в точке дренажа потенциал, как и следует в нормальных усло-

виях, стал наиболее отрицательным.

Кстати, представленная в табл.11.4 защитная разность потенциалов

защ

) есть сумма U

защ

= U

пер

вл

, где U

пер

< 0 - разность потенциалов,

вызванная током, отводимым перемычкой непосредственно из трубопро-

вода, в то время как

вл

> 0 - есть смещение, вызванное током, отсасы-

вающимся поверхностью перемычки ( из-за плохой ее изоляции ) из тру-

бопровода через землю. Первая составляющая - защищающая, вторая -

разрушающая.

11.2.3. Близко расположенные трубопроводы

Пример расчета 6

На рис.11.5 приведена схема двух близко расположенных трубопро-

водов при их параллельной укладке и пересечении на одном из отводов.

Предполагается, что трубопроводы были уложены в одной траншее

на расстоянии 0,5 м между их осями. Просвет между трубами в точке пе-

ресечении одной из них с отводом от другой также предельно мал - 0,5 м

между осями.

В табл.11.5 приведены результаты расчета разности потенциалов тру-

ба-земля при защите одного из трубопроводов катодной станцией I = 15

А с точкой дренажа в узле 22 и анодным заземлителем в точке х

=300 м,

= 40 м.

268

Рис.11.5. Расчетная схема участка сети с близко расположенными и

пересекающимися трубопроводами.

Таблица 11.5

nn x, м U, B nn x, м U,B nn y, м U,B

9 0 -0,432 1 0 -0,923 2 0,25 -0,870

10 0,5 -0,442 16 0,5 -0,961 3 0,5 -0,869

11 1 -0,455 17 1 -0,978 4 0,75 -0,867

12 3 -0,484 18 3 -1,004 5 1,5 -0,863

13 10 -0,519 19 10 -1,040 6 3 -0,859

14 30 -0,548 20 30 -1,076 7 10 -0,862

15 100 -0,585 21 100 -1,140

22 300 -2,136

Как и следует ожидать, на незащищенном трубопроводе в точках

9...14 возникла коррозионная опасность, поскольку потенциал здесь по-

лучил анодное приращение (стационарный потенциал везде был принят

равным U

ст

= −0,55 В). В точке 15 уже заметно влияние анодного зазем-

лителя, который здесь вызвал катодное приращение потенциала.

На защищенном трубопроводе в районе пересечения (точки 1...7)

упал эффект защиты. Действительно, градиент потенциала земли (изме-

нение величины разности потенциалов труба-земля на единицу длины)

269

между точками 1...16 оказался много больше градиента потенциала меж-

ду точками 19...20, а именно

19-20

= (U

− U

) / 20 = 0,0018 В/м ;

1-16

= (U

− U

) / 0,5 = 0,076 В/м.

В то же время должно быть наоборот: при отсутствии соседнего трубо-

провода следует ожидать

1-16

19-20

, т.е. по мере приближе-

ния к катодной станции градиент потенциала должен расти, но не па-

дать. Все аномалии с градиентом можно объяснить только влиянием со-

седнего трубопровода.

При анализе потенциального поля следует иметь ввиду, что градиент

потенциала между i-й и k-й точками на трубопроводе

есть гради-

ент потенциала в земле между соответствующими точками у поверхности

трубопровода, поскольку

= ((ϕ

тi

− ϕ

зi

) − ( ϕ

тk

− ϕ

зk

))/ΔL

= (ϕ

зk

− ϕ

зi

)/ΔL

, (11.1)

так как изменением потенциал тела трубы (ϕ

) на небольшом отрезке

можно пренебречь. Поэтому, чем больше изменение разности потенциа-

лов труба-земля вдоль трубопровода, тем больше градиент потенциала в

земле и тем больше плотность тока ( j ) между этими точками земли, по-

скольку

= −

/ ρ . (11.2)

Совместная защита начинается, как правило, с установки перемычки

между трубопроводами. Рассмотрим ряд вариантов защиты.

Вариант 1. Соединим электрически точки 3 и 9 и увеличим ток ка-

тодной станции с 15 А до 20 А. Расчет показывает, что в точке дренажа

(т.22) потенциал трубопровода превысит максимальный защитный

защ.max

= −2,5 В), поэтому дальше ток увеличивать нельзя. В то же время

в точках 2,3 и 4 - недозащита: там защитный потенциал будет положи-

тельнее величины −0,82 В.

270

Вариант 2. Включим дополнительную СКЗ-2 в районе пересечения

трубопроводов, не снимая перемычки. Подсоединим СКЗ-2 в точке 4,

анодный заземлитель установим в точке х

а2

= 10 м, y

= 10 м.

Результаты решения задачи, выполненной в оптимизационном режи-

ме, следующие:

= 13,3 А, I

= 1,9 А, U

= −1,937 В, U

= −0,85 B.

Т.е. для защиты нужен ток 15,2 А, что меньше, чем в варианте 1, но

требуются капитальные затраты на установку еще одной катодной стан-

ции.

Вариант 3. Отключим СКЗ-2 и оставим СКЗ-1 на прежнем месте, но

удалим анодный заземлитель еще на 20 м, т.е. примем у

= 60 м. В этом

случае имеется оптимальное решение для условия U

защ.min

< U

защ.

защ.max

при токе I

= 21,5 А. Вероятно, вариант 3 является более пред-

почтительным из рассмотренных.

В более сложных случаях взаимного расположения трубопроводов

потребуется перебор большего числа вариантов совместной защиты.

11.2.4. Пересекающиеся трубопроводы вблизи анодного

заземлителя

Пример расчета 7

На схеме рис.11.6 представлена одна из наиболее опасных ситуаций,

требующая незамедлительных мер по совместной защите.

Пусть соседний трубопровод проходит вблизи анодного заземлителя

«чужой» катодной станции c током 15 A, а затем пересекается с трассой

защищаемого трубопровода под углом 45

. Часть тока натекает на сосед-

ний трубопровод у заземлителя и стекает с него в районе пересечения,

что хорошо видно из результатов расчета в табл.11.6.

В точках 1...5 образуется весьма активная коррозионная зона с мак-

симальной величиной анодного смещения потенциала

= +0,57 В (ста-

ционарный потенциал принят везде U

ст

= −0,55 В). Средняя плотность

тока коррозии в точке 1 при принятом в расчетах значении удельного со-

противления изоляции R

из

= 50 Ом

м и диаметре трубопровода d = 0,2 м

составит

271

= 0,5 / (

из

) = 0,016 А/м

Рис.11.6. Расчетная схема для двух трубопроводов, пересекающихся

под углом.

При удельном анодном поляризационном сопротивлении P

= 0,5

Ом

коэффициент пористости изоляции будет равен

s = P

/ (πdR

из

) = 0,016.

Отсюда скорость язвенной коррозии

= 1,18 j

/ s = 1,18 мм/год.

Однако такую “страшную” коррозию можно легко предотвратить,

включив перемычку между трубопроводами в точке их пересечения. Рас-

чет показал, что при этом условии оптимальная совместная защита воз-

можна при токе 12,2 А. При этом в точках 1 и 0 защитный потенциал бу-

дет равен −0,85 В, а в точке дренажа (т.15) он составит −1,21 В. Наиболее

отрицательный потенциал ожидается на трубопроводе вблизи анодного

заземлителя (т.7), где он составит −2,59 В.