Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей

Подождите немного. Документ загружается.

ние разности потенциалов труба-земля сравнительно с аналогичной раз-

ностью потенциалов в соседней точке.

Рассмотрим эту ситуацию несколько подробнее. Но прежде опреде-

лимся с одним из часто используемых в практике терминов - стационар-

ным потенциалом металлического сооружения. Будем называть стацио-

нарным потенциалом трубопровода - разность потенциалов “труба-

земля” при отсутствии токов электрохимической защиты.

Стационарный потенциал реального металлического сооружения - не

очень строгий термин из электрохимического лексикона. В общем случае

это есть разность потенциалов

ст

= ϕ

− ϕ

+ U

, (3.8)

где U

ст

- стационарный потенциал трубопровода; ϕ

- потенциал тела

трубопровода относительно бесконечно удаленной точки земли, т.е. от-

носительно той точки, где полем токов коррозии можно пренебречь;

- потенциал земли вблизи трубопровода, также отсчитанный относи-

тельно “далекой” земли; U

– собственный потенциал измерительного

(медносульфатного) электрода сравнения. При отсутствии каких либо то-

ков в земле ϕ

= 0 и ϕ

= 0.

В электрохимии чаще говорят о стационарном потенциале металла

ст

как потенциале обособленного электрода малого размера.

При измерении стационарного потенциала трубопровода “плюс”

вольтметра (или зажим *) подключают к трубе, “минус” - к измеритель-

ному электроду, который располагают возможно ближе к трубопроводу.

Рис.3.6. Эпюра разности потен-

циалов труба-земля, полученная

при измерении методом выносно-

го электрода.

Метод выносного электрода , представленный на рис.3.6, предпола-

гает, что передвижной измерительный электрод находится на поверхно-

сти земли и его перемещают с небольшим шагом (10...20 м) вдоль трассы

трубопровода, соединив ”+” прибора с ближайшей доступной точкой

трубопровода. Докажем, что наиболее отрицательному значению ста-

ционарного потенциала U

ст

соответствует центр анода.

Пусть, например, в трех соседних точках трубопровода измерены

стационарные потенциалы U

ст.1

, U

ст.2

, U

ст.3

, причем оказалось, что

ст.1

> U

ст.2

< U

ст.3 .

В соответствии с формулой (3.6), полагая U

= const, должно быть

т1

− ϕ

з1

> ϕ

т2

− ϕ

з2

< ϕ

т3

− ϕ

з3

Поскольку эти точки расположены недалеко друг от друга, то можно

допустить

т1

т2

т3

т.е. можно пренебречь изменением потенциала в теле трубопровода (это

допущение легко доказывается, если учесть, что удельное продольное со-

противление трубопровода чрезвычайно мало и составляет 10

-4

...10

-6

Ом/м). Отсюда, сокращая все ϕ

и меняя знаки неравенства на противо-

положные, получим

з1

з2

з3

Это означает, что

- ток в земле направлен от точки 2 к точкам 1 и 3;

- вблизи точки 2 находится “фонтан” тока, т.е. анод, а точки 1 и 3

размещены в катодной зоне.

Таким образом, коррозионно опасными точками вдоль трубопро-

вода являются точки с более электроотрицательной разностью по-

тенциалов труба-земля, если рядом имеются точки с более положи-

тельным потенциалом.

3.3.3. Расчет токов коррозионной макропары

По результатам измерения поперечного градиента потенциала может

быть рассчитана плотность анодного тока. На рис.3.7 представлены коли-

чественно точно построенные эквипотенциальные линии поля токов кор-

розии в земле в поперечном сечении трубопровода. Можно полагать, что

эти линии – есть следы боковых поверхностей соосных полуцилиндров

небольшой, например, метровой длины.

Рис.3.7. Изменение относительной напряженности поперечного по-

ля токов трубопровода в земле, Е

/ Е

: 1 - 0,206; 2 - 0,197; 3 - 0,182;

4 - 0,163, где Е

- напряженность поля в земле у поверхности трубо-

провода; x, y, z – координаты точки земли, где ось 0у – поперечная.

По закону Ома плотность тока в земле в направлении оси 0y опреде-

ляется через напряженность поля токов, т.е.

= E

/ρ

(3.9)

где Е

= –ΔU

/Δу - составляющая градиента потенциала вдоль оси 0y; j

– осевая составляющая плотности тока в земле; ΔU

– напряжение между

двумя близко расположенными измерительными электродами; Δу – рас-

стояние между этими электродами.

Определив j

и зная площадь боковой цилиндрической поверхности

, которую пронизывает этот ток, можно вычислить суммарный ток кор-

розии I

корр

, а затем по диаметру трубопровода d найти и плотность тока

коррозии, стекающего с единицы длины трубопровода j

корр

Рассмотрим этот алгоритм на примере. Пусть точно известна форма и

длина одной из эквипотенциальных линий поля токов (рис.3.7), например,

та, которая начинается на поверхности земли в точке с координатой

у/h

тр

= 2. Эта кривая определяется с помощью компьютерной программы

АРМ-ЭХЗ-7П, описание которой приведено ниже. Выбранная кривая за-

дает площадь боковой поверхности полуцилиндра S

= 10,35 м

, поскольку

принимаем, что длина полуцилиндра - один погонный метр.

Пусть глубина укладки трубопровода h

тр

=1,5 м, координаты измери-

тельных электродов у

=2,5 м и у

= 3,5 м, градиент потенциала ΔU

= 11,3

мВ при Δу=1 м, удельное электрическое сопротивление грунта ρ = 10

Ом.м.

По формуле (3.7) плотность тока в земле j

= 1,13 мА/м

, суммарный

ток коррозии I

корр

= j

= 11,7 мА.

Если диаметр трубопровода d = 0,5 м, то ток, стекающий с трубопро-

вода единичной длины (Δx =1 м), будет равен

корр

= I

корр

/ (πd

тр

) = 7,44 мА/м

Коррозионный ток такой величины не следует отбрасывать как несу-

щественный. Именно такого порядка плотность тока электрохимической

защиты, причем для трубопроводов с весьма плохой изоляцией. К тому

же известно, что ток защиты, как правило, должен быть в 2-4 раза больше

тока коррозии.

Оценим вычисленное значение коррозионного тока по величине ско-

рости коррозионного проникновения. В соответствии с формулой (2.9)

средняя по поверхности скорость коррозионного проникновения равна

= j

корр

-3

/ 0,85 = 8,77

-3

мм/год.

Но при гальванической неоднородности, т.е. в рассматриваемом слу-

чае, трубопровод корродирует не равномерно, а язвами. Возможно, что в

коррозии участвует лишь 0,01 часть поверхности или даже еще меньшая

ее доля. Поскольку, к сожалению, мы пока это определить не сможем, но

опыт подсказывает, что скорость язвенной коррозии может на 2-3 поряд-

ка превышать скорость равномерной коррозии, т.е. можно ожидать ско-

рость язвенной коррозии порядка 0,8…1,0 мм/год.

3.4. Численный анализ работы коррозионной макропары

Ниже использован метод расчета, представленный в главе 6, и реали-

зованный в одной из программ комплекса АРМ-ЭХЗ-7П, описанного в

главе 7.

Пусть методом выносного электрода в точках L

, L

,...,L

измерены

значения разности потенциалов U между телом трубы и точками, распо-

ложенными на поверхности земли вдоль оси трубопровода (U = U

,...,U

). Состояние U ≠ const вдоль трассы свидетельствует о наличии

токов коррозии. Задача состоит в отыскании распределения плотности

тока j (анодного и катодного) в этих точках.

Для расчета трубопровод разбивают на N отрезков, называемых от-

резками дискретизации (

,...,

), которые в данном случае пред-

ставляют собой расстояния между точками измерения, т.е.

= L

−

i−1

где i = 1,2,...N. Поскольку эти отрезки связаны между собой и токи взаи-

мозависимы, то образуется система уравнений N-го порядка относительно

неизвестной j. Эту систему удобно представить в виде двух матричных

уравнений

(BA − E)j = −Bϕ

cт

;

из

j + ϕ

cт

(3.10)

где j - искомый вектор плотности тока трубопровода; R

из

- вектор удель-

ного сопротивления изоляции; В,A - матрицы, определяющие параметры

трубопровода, его конфигурацию, взаимовлияния участков и связи между

N узлами дискретизации; E - единичная матрица; ϕ

cт

- электродные (ста-

ционарные) потенциалы каждого из отрезков дискретизации; U - вектор

измеренных значений разности потенциалов труба-земля.

Неизвестны электродные потенциалы ϕ

cт

отрезков дискретизации,

однако это не вызывает проблемы, поскольку в системе (3.10) два урав-

нения для двух неизвестных. Но поскольку, как правило, плохо опреде-

лен еще и параметр R

из,

то решение системы становится плохо обуслов-

ленным. Поэтому решение удобнее вести итерационным методом, задава-

ясь прежде нулевым приближением R

из

= R

и доверительным интерва-

лом для ϕ

cт

= −0,5 ±0,2 В.

Расчетное значение j есть плотность тока на единице длины трубопро-

вода (А/м). Поэтому для отыскания действительной плотности тока на

единице площади, т.е. плотности тока на оголенной части трубопровода,

понадобилось ввести коэффициент пористости изоляционного покрытия

пор

как отношение суммарной площади пор на один квадратный метр

общей площади поверхности трубопровода.

Для удовлетворительной, плохой и очень плохой изоляции коэффи-

циент пористости можно взять из интервала s

пор

= 0,02…0,2.

После решения задачи (3.10) действительную плотность тока и ско-

рость коррозии (на анодных участках) вычисляют по формулам

корр

= j / (πds

пор

) ; (3.11)

v = 1,18 j

корр

где j

корр

- действительная плотность тока коррозии в порах покрытия,

А/м

; j - расчетная плотность тока на единице длины трубопровода, А/м;

d - диаметр трубопровода, м; v - скорость коррозионного проникновения,

мм/год (см.формулу (2.9)).

На рис.3.8 приведены искомые зависимости скорости коррозии (v) от

удельного электрического сопротивления грунта (ρ) для достаточно мощ-

ных макропар различной протяженности. При этом за длину макропары

( L ) принята длина участка трубопровода между двумя катодами и одним

анодом между ними, например, как это показано на рис.3.5, а величина U

есть предельное (амплитудное) изменение стационарного потенциала, т.е.

U = U

max

− U

min

где U

max

, U

min

- предельные значения измеренной разности потенциалов

труба-земля на исследуемом участке.

Отметьте, что скорость коррозии весьма существенна в грунтах с

низким значением ρ < 20 Ом.м. Не зря в нормативных документах грани-

ца между грунтами высокой и средней агрессивности проходит через точ-

ку ρ = 20 Ом.м.

Рис.3.8. Зависимость ско-

рости коррозии от удель-

ного сопротивления грунта

для трубопровода диамет-

ром d = 0,2 м c макропарой

длиной L и пористостью

покрытия s

пор

= 0,12.

Из графиков, представленных далее на рис.3.9, следует, что скорость

коррозии, вызываемая токами гальванопары, практически линейно зави-

сит от удельной электропроводимости грунта – величины обратной

удельному сопротивлению (1/ρ ), а также пропорциональна амплитуде

изменения стационарного потенциала по трассе трубопровода (U). Такая

особенность позволяет построить простейшие эмпирические формулы.

Прочие результаты расчета показали, что мощная макропара при

U > 0,3 В может быть только при очень плохой изоляции, т.е. с R

из

< 10

Ом.м. При R

из

> 150 Ом.м. следует ожидать U < 0,05 В. Поэтому, как кос-

венный результат расчета, следует отметить: чем больше амплитуда из-

менения потенциала по трассе U, тем хуже изоляция трубопровода.

При U<0,05 В коррозионной гальванопары практически нет.

Если для оценки скорости коррозии ориентироваться на значения U

= 0,2 ± 0,05 В и L = 50 ±20 м, встречаемые на практике, то можно ожи-

дать при ρ = 20 Ом

м коррозию со скоростью v = 0,15...0,2 мм/год. Для

сравнения отметим, что коррозия в однородной среде (при отсутствии

макропар) имеет скорость на порядок ниже, а именно v = 0,01...0,03

мм/год, которую считают безопасной.

Рис.3.9. Скорость коррозии

в зависимости от величины

максимального смещения

потенциала в пределах дей-

ствия макропары длиной L

при различных значениях

удельного сопротивления

грунта.

Использование компьютерных программ комплекса АРМ-ЭХЗ-7П

сводится к диалогу при вводе данных, где требуется назвать все упомяну-

тые выше параметры, а также такие как глубина заложения трубопровода,

относительные координаты узлов дискретизации и ряд других, обычно

известных для рассматриваемого участка сети. Значение удельного элек-

трического сопротивления изоляции R

из

задается приближенно и затем

автоматически уточняется в процессе итерационного счета.

3.5. Количественная оценка качества изоляции

трубопровода

При расчетах токов коррозии, а также токов электрохимической за-

щиты, возникает потребность в количественной оценке удельного элек-

трического сопротивления изоляционного покрытия трубопровода (R

из

Часто возникает необходимость в диагностике физического состояния

трубопровода с целью локализации мест повреждения изоляции и плани-

рования ремонта по определенным количественным показателям.

Расчетная часть изложенной ниже методики базируется на програм-

мах комплекса АРМ-ЭХЗ-7П.

3.5.1. Расчет среднего значения удельного сопротивления

изоляции в трубопроводной сети

Настоящую методику расчета используют при грубой количествен-

ной оценке общего состояния защитного покрытия трубопроводной сети

в пределах микрорайона города с целью получения среднего значения

удельного электрического сопротивления (R

из.ср

Граничные точки микрорайона - это границы зоны действия всей сис-

темы ЭХЗ микрорайона. В граничных точках обычно защитный потенци-

ал трубопровода минимален, а продольный градиент потенциала земли

(разность потенциалов земля-земля, измеренная с малым шагом вдоль оси

трубопровода) равен нулю.

Исходными данными для расчета R

из.ср

являются:

- суммарный ток катодных станций (КС) рассматриваемого микро-

района, I

сум

, А;

- суммарная площадь поверхности защищаемых трубопроводов

микрорайона, S

сум

. м

;

- среднее по микрорайону смещение защитного потенциала трубо-

провода при включенных и выключенных КС,

тр.ср

, В.

Расчет ведут по формуле:

из.ср

= ΔU

тр.ср

сум

/ I

сум

, Ом.м

. (3.12)

3.5.2. Расчет распределения удельного сопротивления

изоляции

в трубопроводной сети

Настоящий расчет выполняют для сравнительной оценки качества

изоляции в соседних точках исследуемой трубопроводной сети с целью

определения степени однородности покрытия и выявления участков с

аномальными значениями R

из

Исходными данными для расчета являются:

- измеренные значения защитного потенциала трубопровода в узлах

расчетной схемы сети, U

тр

;

- значения стационарного потенциала трубопровода в тех же узлах,

ст

;

- значения токов КС, соответствующих измеренным значениям U

тр

;

- удельное электрическое сопротивление грунта,

Расчетная схема должна быть ограничена зоной действия рассматри-

ваемых КС.

Задачу решают с помощью программ АРМ-ЭХЗ-7П в режиме М=3

"Удельное сопротивление изоляции".

В результате расчета определяются значения R

из.i

в узлах i = 1,2,..., N,

где N - общее число узлов дискретизации.

3.5.3. Определение удельного сопротивления изоляции

в произвольной точке сети

В соответствии с данной методикой определяют локальное значение

из

в заданной точке трубопроводного участка. Расчет R

из

по данной ме-

тодике можно рассматривать как корректировку результатов оценочных

расчетов по п.3.5.2.

Первичными исходными данными являются глубина заложения тру-

бопровода в исследуемой точке h

тр

и его диаметр d (м).

Для проведения полевых измерительных работ требуется опытная

или стационарная КС, ближайшая к исследуемой точке.

Схема полевой измерительной установки представлена на рис.3.10.

Периферийные измерительные электроды Э1 и Э2 устанавливаются сим-

метрично относительно оси трубопровода и центрального электрода Э0

на расстоянии

y ≤ 2h

тр

м.

Рис.3.10. Схема размещения

измерительных электродов над

осью трубопровода