Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей

Подождите немного. Документ загружается.

272

Таблица 11.6

Nn x, м y,м U,B Nn x,м y,м U,B

1 0 0 0,021 0 0 0 -1,620

2 1 1 -0,021 10 1 0 -1,598

3 3 3 -0,088 11 3 0 -1,568

4 10 10 -0,195 12 10 0 -1,533

5 30 30 -0,338 13 30 0 -1,523

6 70 70 -0,855 14 60 0 -1,550

7 100 100 -2,066 15 200 0 -1,788

8 130 130 -0,608

9 250 130 -0,318

11.3. Заземленные трубопроводы

Трубопроводы могут быть связаны с искусственными и естествен-

ными заземлениями, которые, обладая низким сопротивлением растека-

нию, существенно снижают эффективность электрохимической защиты.

Искусственные заземления - это заземления корпусов электрообору-

дования, нулевых точек трехфазных сетей, что всегда имеет место в на-

сосных и компрессорных станциях. Кроме того, в газопроводных сетях

используются заземления молниезащиты, устанавливаемые на газорас-

пределительных пунктах (ГРП) и газорегуляторных станциях (ГРС). На

нефтепереливных базах устанавливают заземления от статического элек-

тричества.

Естественные заземления - это заземления через арматуру железобе-

тонных конструкций и фундаментов, всевозможные металлические опо-

ры, кронштейны, футляры и т.д., которые постоянно связаны с землей

или с мокрой поверхностью строительных конструкций.

Наиболее радикальный способ устранения влияния заземлений - ус-

тановка изолирующих фланцевых соединений (ИФС) на стыке между за-

щищаемым трубопроводом и заземлением, что теперь выполняется по-

всеместно. Однако старые газопроводные сети все еще эксплуатируются

273

без ИФС. На негазопроводах в городах ИФС вообще не ставятся. Поэто-

му следует уметь оценивать степень влияния заземления на качество за-

щиты, если они не отсечены электрически от защищаемого трубопрово-

да.

11.3.1. Заземление как эквивалентный трубопровод

Заземление можно включить в расчетную схему трубопроводной се-

ти двумя способами:

А) представить его эквивалентной трубопроводной сетью, макси-

мально приближенной к реальной конфигурации заземления;

Б) заменить заземление простейшим эквивалентным трубопроводом

с соответствующими параметрами.

Способ А можно применять, если конструкция заземления известна,

например, в случае с искусственными заземлителями. Способ Б предпоч-

тителен для естественных заземлений, когда задано только лишь сопро-

тивление растеканию.

Способ А при наличии сложного, громоздкого заземления потребует

разбиение заземления на очень большое число отрезков дискретизации,

что может показаться нецелесообразным по разным причинам, например,

если трубопроводная сеть также сложна и заземление не единственное.

Поэтому большей частью целесообразно использовать оба способа одно-

временно, что и продемонстрировано ниже.

При необходимости эквивалентной замены сложной трубопроводной

сети эквивалентным трубопроводом или упрощенной трубопроводной

сетью будем использовать условия эквивалентности

' = Z

'' ; (11.3)

U ' =

U '',

где Z

', Z

'' - входные сопротивления “по близкой земле” (см.формулу

(6.42)) эквивалентных сетей различной сложности, моделирующих дан-

ное заземление;

U' ,

U '' - смещения потенциала “по близкой земле” в

274

точке связи, вызванные одним и тем же по величине током, приложен-

ным в ней.

Параметры эквивалентного трубопровода будем определять по сле-

дующей методике.

1. Назначим конфигурацию эквивалентного трубопровода, например,

в виде одиночного вертикального стержня или простейшего прямоуголь-

ного контура.

2. Выберем произвольно диаметр d

экв

и толщину стенки t

экв

эквива-

лентного трубопровода.

3. Вычислим значение удельного электрического сопротивления изо-

ляции эквивалентного трубопровода R

из.экв

в следующей последователь-

ности:

- назначим модельный трубопровод, полностью соответствующий по

параметрам эквивалентному, но с произвольным значением R

из.м

;

- нагрузим модельный трубопровод в точке связи током произволь-

ной величины I и вычислим в этой точке смещение потенциала

- по формуле (6.42) найдем величину входного сопротивления мо-

дельного трубопровода Z

u.м

;

- вычислим R

из.экв

эквивалентного трубопровода из пропорции

из.экв

= R

из.м

/ Z

u.м

, (11.4)

где Z

- входное сопротивление исследуемого заземления .

Формула (11.4) получена исходя из условий (11.3) с учетом (6.42) и

(6.5), откуда следует

j' R''

из

= I' Z'

; (11.5)

j'' R''

из

= I'' Z''

При условии пропорциональности j' / j'' = I' / I'', всегда имеющей ме-

сто для фиксированной точки, объединив оба равенства (11.5), получим

R''

из

= R''

из

/ Z''

( I' j'' / I'' j' ). (11.6)

275

Поскольку значение выражения в круглых скобках всегда равно 1, то

получим формулу (11.4).

Пример расчета 8

Пусть заземление выполнено в виде четырехстержневой конструкции

по схеме рис.11.7,а, где горизонтальные стержни также рабочие. Разо-

бьем всю кострукцию на 24 отрезка дискретизации, каждый из которых

представим трубой диаметром 50 мм, что соответствует стержню уголко-

вого профиля примерно 40х40х4. Удельное сопротивление изоляции при-

мем равным R

из

= 2 Ом

, если заземлитель работает катодом, и R

из

0,5 Ом

, - если он анод. Поскольку стержни неизолированны, то R

из

это фактически удельное поляризационное сопротивление (Р

или Р

Удельное электрическое сопротивление земли примем равным ρ =

20 Ом

м.

Рис.11.7. Расчетные схемы контура заземления (а) и эквивалент-

ного ему вертикального стержня-трубопровода (б).

Расчет заземлений дал следующие результаты:

- исследуемое заземление (рис.11.7,а):

= 0,183 Ом;

- модельный трубопровод (рис.11.7,б):

276

экв

= 18 м, d

экв

= 50x2, Z

u.м

= 0,679 Ом при R

из.м

= 2 Ом

;

- эквивалентный трубопровод (рис.11.7,б):

экв

= 18 м, d

экв

= 50x2, R

из.экв

= 2

0,183 / 0,679 = 0,539 Ом

Погрешность замены сложной эквивалентной сети простейшим эк-

вивалентным трубопроводом связана с различием их конфигурации. В

данном случае расхождение величин Z

для исследуемого заземления и

эквивалентного трубопровода не превысило 2,5 %.

Кроме того расчет показал, что эквивалентный трубопровод в виде

простейшего контура размером 8×8 м, размещенного у поверхности зем-

ли, при 4-х узлах дискретизации дает практически ту же ошибку замены,

но с другим знаком.

11.3.2. Влияние заземления на эффективность защиты

Прежде чем отсечь с помощью ИФС защищаемый трубопровод от

мешающего ему заземления, количественно оценим эффект вредного

влияния на качество ЭХЗ.

Прежде всего следует иметь ввиду, что заземление с входным сопро-

тивлением Z

отвлекает на себя ток I =

U / Z

. Так, при U = −0,85 В, U

ст

= −0,55 В и Z

= 0,183 Ом в точке связи, как это принято в предыдущем

примере расчета, ток натекания на заземление будет равен I = 1,64 А. При

общем токе защиты равном, например, I

cкз

= 16 А это составит 10%, с

чем уже следует считаться.

Однако в реальной ситуации при катодной защите сети это далеко не

так все однозначно, о чем свидетельствуют результаты расчета, приве-

денные ниже.

Пример расчета 9

Газопроводы низкого и среднего давления одновременно заземлены

на контур молниезащиты газораспределительного пункта (рис.11.8). Диа-

метр и толщина стенки газопроводов - 200х6 мм, удельное электрическое

сопротивление изоляции - 100 Ом

, общая протяженность - 3000 м,

удельное электрическое сопротивление земли - 20 Ом

м.

277

Пусть входное сопротивление заземления будет равно Z

= 0,183 Ом,

т.е. заземление имеет конфигурацию и параметры по рис.11.7,а. Заменим

его эквивалентным трубопроводом по рис.11.7,б с параметрами L

экв

= 45

м, d

экв

= 50х1 мм и расчетным удельным электрическим сопротивлением

изоляции R

из.экв

= 1,4 Ом

, что обеспечивает задание Z

с погрешностью

менее 1%. Число узлов дискретизации трубопроводной сети - 17, в том

числе на эквивалентном трубопроводе - 4.

Результаты расчета при различных режимах катодной защиты рас-

сматриваемых трубопроводов для узлов 1-8 приведены в табл.11.7.

Режим 1. Трубопроводы заземлены. Попытка эффективно, т.е. в нор-

мативных пределах −2,5 < U

защ

< −0,85 В, защитить заземленный трубо-

провод катодной станцией, подключенной к узлу 8, не дала результатов

из-за недозащиты в точке связи (узел 1, х = 0).

Рис.11.8. Газопроводы Г1 и Г2 (а), связанные с контуром заземления

1 ГРП 2 и отделенные затем изолирующими фланцевыми соедине-

ниями 3 с возможным шунтированием с помощью перемычек 4 и 5; б

- расчетная схема, где узлы 9...11 расположены на эквивалентном

трубопроводе.

Таблица 11.7

nn уз-

лов

x, м

Разность потенциалов труба-земля, U

защ

, В , в

различных режимах защиты

1 2 3 4 5

278

1 0 -0,777 -0,851 -0,863 -1,010 -0,850

2 5 -0,997 -1,144 -0,863 -1,013 -1,146

3 15 -1,063 -1,231 -0,864 -1,018 -1,242

4 50 -1,124 -1,313 -0,867 -1,041 -1,360

5 150 -1,171 -1,375 -0,875 -1,105 -1,520

6 500 -1,261 -1,495 -0,910 -0,929 -1,208

7 1000 -1,422 -1,708 -0,982 -0,858 -1,083

8 2000 -2,500 -3,141 -1,493 -0,850 -1,070

Ток CKЗ, А 17,9 23,8 8,5 6,9 13.1

Режим 2. То же, но допущена перезащита. Если все же допустить

перезащиту в узле 8 (х = 2000 м), то для того, чтобы повысить уровень

защиты в точке х = 0 до U

защ.min

= −0,85 В, необходимо увеличить ток ка-

тодной станции с I

скз

= 17,9 А до I

скз

= 23,8 А.

Режим 3. Заземление отключено. Эффективная защита обеспечива-

ется на всем протяжении трубопроводов, причем с малым током I

скз

= 8,5

А.

Режим 4. Точка дренажа перенесена в узел 5, заземления нет. Еще

лучше, если катодную станцию переместить ближе к центру трубопрово-

да.

Режим 5. То же, что и режим 4, но с заземлением. И даже без отсо-

единения заземления защиту можно считать эффективной, если катодная

станция размещена вблизи заземления (с точкой дренажа - в узле 5). Бо-

лее того, как показал дальнейший расчет, если точку дренажа совместить

с точкой связи с заземлением, то ток - еще меньше: с I

скз

= 13,1 А он сни-

жается до I

скз

= 10,6 А.

Таким образом, для катодной защиты

хуже не то заземление, которое рядом, а то, которое на периферии.

Воронка напряжения.

Присутствие заземления на трубопроводе обнаруживается по нали-

чию “воронки напряжения”. На рис. 11.8,а показано изменение разности

потенциалов труба-земля (U) заземленного в точке х = 0 трубопровода

279

при измерении, например, выносным электродом. Наличие заземления

весьма ощутимо: потенциал U непосредственно над заземлением приоб-

ретает положительное смещение равное U

− U

= 0,29 В.

О наличии заземления свидетельствует и весьма заметный градиент

потенциала земли ϕ

. Так, потенциал земли непосредственно над зазем-

лением равен ϕ

= −0,44 В (рис.11.8,б). Очевидно, точка над заземлением

имеет наиболее отрицательный потенциал.

Рис.11.8. Параметры “воронки напряжения” вблизи точки заземления

трубопровода: 1 – при наличии заземления, 2 – при его отсутствии.

11.3.3. Многократно заземленная трубопроводная сеть

Городские газопроводы на вводах в жилые дома - за счет связей с не-

изолированными от земли сооружениями - заземляются. На территориях

с плотной застройкой можно считать, что такие связи распределены в се-

ти равномерно с шагом 30...100 м, имея в виду расстояния между подъез-

дами домов и соседними домами. Замена каждого из заземлений отдель-

ным эквивалентным трубопроводом вряд ли целесообразна. Поэтому

можно поступить следующим образом.

280

Пусть в трубопроводной сети с шагом L

(рис.11.10,а) распределены

заземления с входным сопротивлением по “близкой земле” Z

. Заменим

отрезок L

заземленного трубопровода эквивалентным трубопроводом

такой же длины, но без заземления (рис.11.10,б). Реальная многократно

заземленная трубопроводная сеть заменяется, таким образом, эквива-

лентной трубопроводной сетью, отличающейся от реальной только лишь

величиной удельного электрического сопротивления изоляции R

из.экв

и,

разумеется, отсутствием заземления.

Для численной оценки рассмотрим участок L

рис.11.10.

Пример расчета 10

Пусть L

= 60 м, что характерно для газопровода в городском жилом

массиве средней плотности застройки. Примем диаметр трубопровода

равным d = 200x6 мм, удельное электрическое сопротивление грунта - ρ =

20 Ом

м и определим, каков вклад в величину R

из.экв

эквивалентного тру-

бопровода вносит величина входного сопротивления заземления Z

при

различном качестве изоляции реального трубопровода R

из

. Зададимся

весьма широким диапазоном изменения R

из

и Z

и вычислим значения

из.экв

по методике, изложенной выше (см. формулу (11.5)).

Рис.11.10. Расчетная схема при многократно и равномерно

заземленном трубопроводе (а) и отрезок эквивалентного

трубопровода (б).

На рис.11.11 приведены графики R

из.экв

как функции R

из

и Z

. Оче-

видна весьма слабая зависимость R

из.экв

от R

из

. Это позволяет сделать ка-

281

залось бы парадоксальный вывод по поводу требований к качеству изо-

ляции реальных городских газопроводов:

нет смысла бороться за высококачественную изоляцию, если

трубопроводы заземлены на вводах в здания.

Это тем справедливее, чем меньше входное сопротивление заземле-

ния Z

Рис.11.11.Удельное электрическое

сопротивление изоляции эквива-

лентного трубопровода (R

из.экв

замещающего реальный с удель-

ным сопротивлением R

из

, который

равномерно с шагом 60 м зазем-

лен через сопротивление Z

Разумеется, это не есть рекомендация к полному безразличию при

устройстве изоляции трубопровода. Хуже изоляция - больше коррозион-

ные потери и больше ток защиты. Речь идет не о снижении требований к

качеству изоляции, а о необходимости применения изолирующих фланце-

вых соединений на всех вводах газопроводов в здания и соооружения.

Установив ИФС, можно считать проблему ЭХЗ решенной.

Этот вывод, пожалуй, теперь не подлежит сомнению. К сожалению,

в реальных трубопроводных сетях ИФС установлены - так сложилось ис-

торически - далеко не всех газовых вводах.

И, наконец, следует обратить внимание на абсолютные значения

из.экв

. Отбрасывая крайности, можно полагать, что 15 < R

из.экв

< 150 Ом

- есть наиболее вероятный диапазон изменений одного из самых неопре-

деленных расчетных параметров сетевой задачи - удельного электриче-

ского сопротивления изоляции. Наши полевые измерения показали, что

значения Z

для городских газопроводов низкого давления лежат в пре-

делах Z

= 1,8 ± 0,75 Ом.