1.6.4 Электродренажная защита трубопровода

Метод защиты трубопроводов от разрушения блуждающими токами, предусматривающий их отвод (дренаж) с защищаемого сооружения на сооружение - источник блуждающих токов, либо специальное заземление,

называется электродренажной защитой. Применяют прямой, поляризованный и усиленный дренажи.

Прямой электрический дренаж – это дренажное устройство двусторонней проводимости (рисунок 20 а) . Прямой электрический дренаж применяется в тех случаях, когда потенциал трубопровода постоянно выше потенциала рельсовой сети, куда отводятся блуждающие токи. В противном случае дренаж превратится в канал для истекания блуждающих токов на трубопровод.

1 – трубопровод; 2 – электрифицированная железная дорога; 3 – диод; 4 – регулируемое сопротивление; 5 – предохранитель; 6 рубильник; 7 – шунт; 8 – амперметр; 9 – дроссель-трансформатор.

Рисунок 7 - Схема установки дренажной защиты

Поляризованный электрический дренаж – это дренажное устройство, обладающее односторонней проводимостью (рисунок 20 б). От прямого дренажа поляризованный отличается наличием элемента односторонней проводимости (вентильный элемент) ВЭ. При поляризованном дренаже ток протекает только от трубопровода к рельсу, что исключает натекание блуждающих токов на трубопровод по дренажному проводу.

Поляризованные дренажные установки по принципу исполнения устройства односторонней проводимости разделяются на электромагнитные и вентильные.

Преимущества вентильных дренажей по сравнению с электромагнитными – отсутствие движущихся частей и контактов, недостаток – чувствительность к повышению температуры и мгновенным перегрузкам по напряжению и току в прямом и обратных направлениях, обусловленная характеристикой вентильных элементов. Кроме того, электромагнитная дренажная установка не может быть применена для усиленного дренажа.

Усиленный дренаж применяется в тех случаях, когда нужно не только отводить

блуждающие токи с трубопровода, но и обеспечить на нем необходимую величину защитного потенциала. Усиленный дренаж представляет собой обычную катодную

станцию, подключенную отрицательным полюсом к защищаемому сооружению, а положительным – не к анодному заземлению, а к рельсам электрифицированного транспорта (рисунок 20в).

Усиленный дренаж применяется сравнительно редко из-за того, что накладываемый положительный потенциал дополнительного источника тока, подключенного к рельсам, мешает эффективности работы электрического дренажа; в случае достаточной эффективности электродренажа работа дополнительного источника тока вызовет непроизводительные затраты электроэнергии; применение рельсов в качестве анодного заземления заметно увеличивает их износ.

Поляризованные протекторные системы в отличие от обычных протекторных установок автоматически включаются в анодный импульс. Это позволяет применять такие системы в зонах значительного влияния блуждающих токов на магистральных трубопроводах.

Наличие обычных (неполяризованных) протекторов в катодной и знакопеременной зонах на трубопроводе увеличивает плотность входящего в трубопровод тока, а следовательно, и стекающего тока (в анодных зонах). Такое явление может привести к образованию глубоких отрицательных потенциалов на катодных участках трубопровода, разрушающих антикоррозионное покрытие последнего, и повысить коррозионную опасность в анодных зонах.

Конструктивно поляризованная протекторная система представляет собой обычную систему протекторов, подключаемых к защищаемому трубопроводу с помощью полупроводниковых диодов, пропускающих ток только в направлении от трубопровода к протектору. Наличие таких протекторов в катодной зоне трубопровода не влияет на величину блуждающих токов, входящих в трубопровод, так как она определяется только переходным сопротивлением трубопровода.

В анодных зонах блуждающие токи стекают в основном с протекторов через

открытый вентиль (диод). Этим предупреждается коррозионное разрушение

трубопровода. Доля коррозионного тока, стекающего с протекторов, тем больше, чем ниже сопротивление цепи «трубопровод – протектор – грунт» по сравнению с переходным сопротивлением трубопровода.

Перспективно применение сдвоенных систем: эффективного анода (протектора из металла, имеющего более отрицательный потенциал, чем металл трубопровода), подключаемого к трубопроводу через диод, и эффективного катода, потенциал которого имеет более положительное значение, чем металл сооружения, подключаемого к трубопроводу через транзистор обратной проводимости. Эффективный катод системы ограничивает отрицательный потенциал трубопровода от глубокой поляризации блуждающими токами в период катодного импульса. Ограничение осуществляется включением в базу транзистора управляющего электрода из определенного сплава, установленного в активатор. Такой электрод имеет постоянный потенциал относительно окружающего грунта.

При потенциале сооружения, имеющим более отрицательное значение, чем потенциал управляющего электрода, на базу транзистора поступает сигнал положительной полярности, транзистор открывается, и эффективный катод начинает поляризовать сооружение анодно, происходит торможение катодной

поляризации защищаемого сооружения, т.е. снижение избыточного катодного потенциала сооружения до уровня потенциала управляющего электрода. При этом эффективный анод отключен от сооружения диодом. Его включение происходит в некоторый момент, характеризующийся потенциалом сооружения более положительным, чем потенциал эффективного анода.

После ввода трубопровода в эксплуатацию производится регулировка параметров работы системы защиты от коррозии. При необходимости

а – прямой; б – поляризованный; в – усиленный.

Рисунок 20 – Схема установки дренажной защиты

С учетом фактического положения дел могут вводиться в эксплуатацию дополнительные станции катодной и дренажной защиты, а также протекторные установки. Существует несколько методов, в первом из них, получившем наибольшее распространение, предусматривают дезактивационную обработку агрессивной среды введением ингибиторов (замедлителей) коррозии. Ингибиторами коррозии называют соединения, которые присутствуя в коррозионной системе в достаточной концентрации, уменьшают скорость коррозии без значительного изменения концентрации любого коррозионного реагента.

Действие ингибиторов сводится в основном к адсорбции на поверхности металла молекул или ионов ингибитора, тормозящих коррозию. К этому способу можно отнести и удаление агрессивных компонентов из состава коррозионной среды.

Целью деаэрации электролита почвы является снижение концентрации растворенного кислорода воздуха как агрессивного реагента, участвующего в катодной и анодной реакциях, протекающих в режиме истинной кинетики.

Уменьшение опасности биокоррозии достигается путем добавления в засыпаемый грунт различных ядохимикатов (например, наиболее дешевым материалом является известь).

Гидрофобизация грунтов обеспечивает защиту изоляции трубопровода от механических повреждений, вредного воздействия окружающей среды и замедляет процесс ее старения. Под термином «гидрофобизированные» подразумеваются грунты, обработанные вяжущими продуктами и имеющие повышенную водостойкость, водонепроницаемость, низкую коррозионную активность и воздухопроницаемость. Замену грунта на менее агрессивный осуществляют с целью уменьшения коррозионной активности грунта, т.е. улучшение его физико-механических свойств. С этой же целью производят нейтрализацию грунта кислотами и щелочами.

1.7 КИП и А

Аппаратура и оборудование линейных участков трубопровода работает в условиях прямого воздействия окружающей среды и на значительном удалении от источников энергии и центров обслуживания. В таких условиях эксплуатации линейные объекты должны иметь высокую автономность и надежность, для обеспечения которых необходима полная автоматизация всех процессов и операций. Оперативная связь с этими объектами для контроля и управления может осуществляться только по каналам телемеханики. К таким объектам относятся установки катодной защиты, конденсатоотводчики и линейные запорные органы.

Установки катодной защиты предназначаются от почвенной коррозии стальных трубопроводов, заглубленных непосредственно в грунтах весьма высокой и повышенной коррозионной активности. С помощью установок катодной защиты, располагаемых вдоль трассы на теле трубы, создается отрицательный относительно грунта потенциал напряжения, оптимальное значение которого лежит от 0,87 до 2,5 В. При потенциале меньше 0,87 В снижается эффективность антикоррозионной защиты, а при потенциале более 2,5 В происходит интенсивный электролиз грунтовых растворов с выделением кислорода и водорода, что может привести к наводораживанию металла труб и снижению их прочности. Установки катодной защиты содержат преобразователь для преобразования энергии питающей сети в защитный потенциал, анодное заземление и соединительные линии. Режим установок катодной защиты, а, следовательно, и потенциал трубы могут изменяться вследствие изменения влажности грунтов, колебаний питающего напряжения, растворение анодных заземлителей и т. д., поэтому задача автоматизации установок катодной защиты состоит в обеспечении стальных оптимальных потенциалов.

Контрольно-измерительный пункты КИП предназначенные для контроля (регулировки) параметров электрохимической защиты (ЭХЗ) и обозначения трасс трубопроводов.

Преимущества конструкции

̶ функциональность;

̶ простота в эксплуатации;

̶ надежность конструкции, стойка имеет армированные углы (не менее 2,5 кН сопротивление стойки на излом, не смотря на малый вес до 18 кг.);

̶ конструкция контактных зажимов не требует выполнения дополнительных действий по подготовке кабеля и проводов к подключению;

̶ возможность размещения различных блоков и оборудования ЭХЗ внутри стойки, что в свою очередь на порядок повышает сохранность и надежную работу дополнительного оборудования;

̶ материала стойки не является экранирующим (что позволяет размещать внутри стойки оборудование коррозионного мониторинга, приемо-передающее оборудование без выноса антенн наружу);

̶ информативность КИП;

̶ износостойкая информационная маркировка;

̶ антивандальность;

̶ материал стойки КИП – не горюч;

̶ обеспечивают надежную и устойчивую работу в условиях воздействия следующих климатических факторов:

̶ верхнее значение температуры окружающего воздуха + 45°С;

̶ нижнее значение температуры окружающего воздуха минус 45°С;

̶ степень защиты оболочки IP 34.

КИП обладает повышенной информативностью, на гранях стойки наносятся информационные и предупреждающие надписи, а так же информация о владельце трубопровода (эксплуатирующей организации). Все надписи, логотипы, обозначения наносятся на изделие в заводских условиях, методом исключающим возможность их уничтожения или повреждения.

Печать осуществляется методом «трафаретной печати». Данный метод позволяет выполнять печать различных надписей и логотипов в кротчайшие сроки.

Лакокрасочные покрытия имеют адгезию к поверхности стойки не более 2 баллов. Срок службы информационных надписей составляет не менее 10 лет.

Контрольно-измерительные пункты могут комплектоваться дополнительными устройствами системы противокоррозионной защиты, (блоками совместной защиты, регулирования, мониторинга и пр.), километровым знаком (трассоуказателем), запасными инструментами и принадлежностями (ЗИП), другими устройствами, расширяющими функциональное назначение контрольно-измерительных пунктов.

Типы производимых КИП:

̶ 1 тип ∆ 180мм;

̶ 2 тип □ 200мм;

̶ 3 Т - □ 200мм; (имеет откидную верхнюю часть);

̶ 4 тип для установки на наземный трубопровод;

̶ 5 тип для использования на промышленных и технологических площадках, городских условиях, КИП «КОВЕР».

2 Расчетная часть

2.1 Расчет катодной защиты трубопровода

Исходные данные:

Д_н - 1220мм (диаметр наружний)

σ - 16мм (толщина стенки трубопровода)

L - 260км (длина участка трубы)

R_пн - 9000 Ом*м²(Начальное пе­реходное сопротивление «трубопровод - грунт»)

β - показатель скорости старения, 1/год

τ_нс - нормативный срок службы СКЗ

Таблица 3 ̶ Распределение грунтов различного электросопротивления на трассе трубопровода

Доля длины трубопровода, Ɩ/L	0,1	0,1	0,2	0,1	0,2	0,3
Удельное электросопротив­ление, Ом • м	170	180	70	40	20	10

Среднее значение удельного электросопротивления грунта вдоль трассы трубопровода

где r_r.ср - среднее удельное электросопротивление грунта;

r_ri - удельное электросопротивление i-го типа грунта на трассе трубопровода;

l_i - доля длины трубопровода.

Продольное сопротивление единицы длины трубопровода

(2)

где ρ_т ̶ удельное сопротивление трубной стали, в среднем ρ_т=0,245 Ом*мм²/м;

R_Т=продольное сопротивление трубопровода;

Д- диаметр наружный;

σ- толщина стенки трубопровода.

Сопротивление единицы длины изоляции к концу норматив­ного срока службы СКЗ

(3)

где R_из(τ_нс)-сопротивление единицы длины изоляции к концу нормативного срока службы СКЗ;

R_пн- переходное сопротивление «трубопровод – грунт» в начале эксплуатации ,Ом*м²;

β – показатель скорости старения ,1/год;

τ_нс –нормативный срок службы СКЗ.

То же в среднем за нормативный срок службы СКЗ по формуле:

(4)

Среднее значение входного сопротивления трубопровода за нор­мативный срок эксплуатации катодных установок

(5)

где R_Т- продольное сопротивление трубопровода.

То же к концу нормативного срока эксплуатации по формуле

(6)

Постоянная распределения токов и потенциалов вдоль трубо­провода к концу нормативного срока эксплуатации катодных установок

(7)

Задаем удаление анодного заземления от трубопровода У = 350 м и определяем параметр θ

(8)

где Z_к – входное сопротивление изолированного трубопровода на конец нормативного срока службы;

у – удаление анодного заземления.

Коэффициент взаимного влияния СКЗ по формуле

(9)

где Е_max – максимальное допустимое значение потенциала;

E_min – минимальное допустимое значение потенциала;

Протяженность зоны защиты трубопровода одной СКЗ к концу нормативного срока эксплуатации по формуле

(10)

где К_в – коэффициент, учитывающей влияние смежной.

Среднее значение силы тока нагрузки СКЗ по формуле

(11)

Примем, что глубина заложения середины электродов анодного заземления h равна 2,2 м, а расстояние между ними равно 7м. Тогда сопротивление растеканию с одиночного вертикального элек­трода электрода

(12) где L_э – длина электрода.

Примем число электродов анодного заземления n= 5 и по формулам вычислим коэффициенты A_i и Б_i.

Таблица 4 – Расчет коэффициентов

i	1	2	3	4
Ai	0,63	0,31	0,21	0,16
Bi	0,1	0,06	0,033	0,025

Сопротивление растеканию с центрального электрода зазем­ления по формуле

(14)

где F_i – функция, равная

Сопротивление растеканию с крайнего электрода анодного заземления по формуле

(15)

Коэффициент экранирования электродов анодного заземления

(16)