Повышение надежности эксплуатации газопроводов с применением технологии электрического секционирования при защите от коррозии

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальности:

25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

05.17.03 - Технология электрохимических процессов и защита от коррозии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

повышение надежности эксплуатации газопроводов с применением технологии электрического секционирования при защите от коррозии

ПОПОВ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

Москва - 2012

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью “Газпром трансгаз Екатеринбург”.

Научный руководитель:	доктор технических наук Кузьбожев Александр Сергеевич.
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Глазов Николай Петрович - главный научный сотрудник ОАО “ВНИИСТ”;
	кандидат технических наук Запевалов Дмитрий Николаевич - зам. директора НТЦ ООО "Газпром ВНИИГАЗ".
Ведущая организация:	ОАО “Гипроспецгаз”, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится “28” марта 2012 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 511.001.02, созданного при ООО “Газпром ВНИИГАЗ” по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО “Газпром ВНИИГАЗ”.

Автореферат разослан “____” февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. Курганова И.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Обеспечение надежной и безопасной работы магистральных газопроводов (МГ) и предотвращение их разрушения по причине коррозии достигается за счет реализации комплекса мероприятий, важнейшим из которых является активное противодействие негативным процессам при помощи электрохимической защиты (ЭХЗ).

Наиболее распространенным способом ЭХЗ на протяженных участках газопроводов является установка по трассе через 7-10 км мощных установок катодной защиты (УКЗ) с использованием глубинных анодных заземлений. Основным недостатком данной технологической схемы является низкая ее эффективность в нестационарных условиях эксплуатации, например, при массовом образовании локальных участков неполной защиты в местах с дефектами защитных покрытий. Также фактором неоднородности и нестационарности коррозионных процессов и параметров ЭХЗ, свойственных газопроводам ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург”, являются техногенные блуждающие токи.

Известны несколько способов устранения неоднородности ЭХЗ газопроводов, среди которых основными являются протяженные гибкие аноды (ПГА), малые УКЗ, расставляемые по трассе с частым шагом, технические решения по ограничению действия блуждающих токов. Однако, известные технические решения имеют недостатки применительно к специфике региональных коррозионных условий ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург”. В частности, ПГА могут локально повреждаться с обрывом электрической цепи. Поэтому крайне важным является также своевременный и информативный мониторинг ПГА, методов проведения которого в достаточной степени не разработано.

Устранение неоднородности катодной защиты может быть также реализовано за счет установки в существующую систему ЭХЗ дополнительных катодных станций или станций малой мощности, однако это ведет к необходимости нового строительства и эксплуатации протяженной и разветвленной сети линий электропередач, что потребует существенных затрат.

Известны решения по ограничению блуждающих токов на газопроводах в виде изолирующих вставок (ИВ). При этом существует ряд проблем оптимизации работы изолирующих вставок в системах ЭХЗ в методическом плане и в вопросах их конструкционной надёжности. Поэтому повышение надежности эксплуатации газопроводов на основе совершенствования технологии электрического секционирования является актуальной задачей.

Цель работы: Повышение надежности эксплуатации газопроводов на основе совершенствования технологии электрического секционирования системы их электрохимической защиты.

Задачи исследования:

- обобщить и проанализировать факторы, вызывающие развитие неоднородности и нестационарности коррозионных процессов на газопроводах;

- провести анализ технических и методических проблем, возникающих при эксплуатации противокоррозионной защиты газопроводов в нестационарных условиях;

- разработать методику и принципы ранжирования протяженных участков газопроводов по совокупности влияющих коррозионных факторов для рационального размещения элементов электрического секционирования;

- разработать методику и средства экспериментальных измерений для оптимизации режимов работы изолирующих вставок на газопроводах;

- усовершенствовать конструкцию электроизолирующей вставки на основе опытно-эксплуатационных испытаний;

- оптимизировать работу автономных устройств подачи электрического тока для секционированной электрохимической защиты газопроводов на основе мониторинга и настройки параметров и режимов эксплуатации.

Научная новизна:

Получена экспериментальная зависимость скорости коррозии трубной стали в грунте от параметров внешней поляризации электрохимической защиты, оптимизированы рабочая область потенциалов, частота следования и крутизна фронтов изменения тока и потенциала предложенного средства измерения (зонд-модуля).

Получена расчетно-экспериментальная зависимость плотности тока обкладок изолирующей вставки от силы тока в трубопроводе с учетом электрического сопротивления вставки.

Экспериментально установлена зависимость экспоненциального вида плотности анодного тока от потенциала протяженного анодного заземлителя, определен предельно допустимый диапазон потенциалов 1,028-1,34 В, устанавливаемый по скачку подаваемого тока из условия монотонности полученной функции, и предельная плотность тока 0,082-0,083 мА/см², с целью контроля в местах соединения секций заземлителя.

Экспериментально исследован механизм несимметричной поляризации изолирующих вставок газопроводов до 1,25-1,28 В при наличии в газопроводе блуждающих токов до 300-500 А, предложена методика деполяризации вставки путем подбора шунтирующего сопротивления 0,2-2,0 Ом, что приводит к оптимизации токов до 7-10 А.

Защищаемые положения:

- методика экспериментального электрохимического тестирования грунтов, позволяющая учесть воздействие потенциалов электрохимической защиты газопроводов и наличие блуждающих токов;

- методика мониторинга и оптимизации параметров электроизолирующих вставок для секционирования электрохимической защиты газопроводов и создание усовершенствованных конструкций вставок;

- методика мониторинга и оптимизации автономных устройств подачи электрического тока для секционированной электрохимической защиты газопроводов.

Практическая ценность работы заключается в разработке стандартов ОАО “Газпром” “Временные технические требования к вставкам (муфтам) электроизолирующим” (2010 г.), ВСН 39-1.8-008-2002 Указания по проектированию вставок электроизолирующих на магистральных и промысловых трубопроводах, ВСН 39-1.22-007-2002 Указания по применению вставок электроизолирующих для газопровода.

Разработанные рекомендации внедрены при реализации технологии электрического секционирования МГ Бухара-Урал, Свердловск - Нижний Тагил, СРТО - Урал - 2, а также на газопроводах-отводах (более 50 объектов). В результате на основе комплексного коррозионного мониторинга электрически секционированы проблемные участки трубопроводов, что позволило использовать новые принципы управления системой ЭХЗ, уменьшить воздействие блуждающих токов не менее чем в 3,5 раза.

По результатам промышленного внедрения работ по электрическому секционированию газопроводов общества “Газпром трансгаз Екатеринбург” в 2000-2009 гг. получен экономический эффект порядка 15 млн. руб. Эффект обусловленный снижением материальных затрат на эксплуатацию газопроводов, подверженных воздействию блуждающих токов, за счет применения оптимизированной технологии ЭХЗ, позволяющей повысить эффективность противокоррозионной защиты и уменьшить объемы ремонта поврежденных коррозией труб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 6-й, 8-й, 9-й, 12-й, 13-й, 14-й, 15-й, 16-й Международных деловых встречах “Диагностика” (г. Ялта, 1996 г., г. Сочи, 1998, 2005, 2006 г., пос. Лазаревское, 1999 г., Тунис, 2001 г., Мальта, 2003 г., Египет г. Шарм-эль-Шейх, 2004 г.);

- XVII Международной научно-технической конференции “Неразрушающий контроль и диагностика” (УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург, 2005 г.);

- XXV юбилейном тематическом семинаре “Диагностика оборудования и КС” (п. Небуг, 2006 г.);

- 7-й Всероссийской научно-технической конференции “Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России” (РГУНиГ им. И.М. Губкина, г. Москва, 2007 г.);

- Международной конференции “Газотранспортные системы: настоящее и будущее” (GTS-2009), (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2009 г.);

- 3-й Международной конференции “Актуальные вопросы противокоррозионной защиты (РАСР-2009) (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2009 г.);

- 5-й Российской научно-технической конференции “Ресурс и диагностика материалов и конструкций” (ИФМ, УрО РАН, г.Екатеринбург, 2011 г.);

- семинарах, деловых встречах, отраслевых совещаниях и научно-технических советах ОАО “Газпром” и его дочерних обществ за период 1997-2011 г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 6 - в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных Минобрнауки РФ, и 3 патента РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 197 страниц текста, 116 рисунков, 43 таблицы и список литературы из 153 наименований.

ранжирование секционирование газопровод изолирующий

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы, степень ее разработанности, охарактеризованы научно-методические пути ее решения.

В первой главе раскрыты региональные проблемы и особенности эксплуатации газопроводов в нестационарных коррозионных условиях, характерных для ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург”.

Газопроводы региона представляют собой сложную систему, состоящую из участков, различающихся по сроку эксплуатации, типу и состоянию защитного покрытия и находящиеся в различных почвенно-климатических условиях. Отличительной особенностью является и значительная протяженность газопроводов-отводов к крупным городам, вблизи которых они подвержены техногенному воздействию, прежде всего - блуждающими токами. В частности, за период 1990-2000 г. степень защиты газопроводов от коррозии в силу ухудшения защитных свойств покрытия уменьшилась от 95 до 65 %. Это привело к ряду аварийных разрушений, причиной которых стало воздействие блуждающих токов.

Для предотвращения последующих аварий на газопроводах требовались изменения системы противокоррозионной защиты с применением новых, адаптацией и отработкой известных технических решений по ЭХЗ.

Комплексными исследованиями коррозии и ЭХЗ газопроводов в разное время занимались академические институты РАН ИМЕТ им. А.А. Байкова, ИФХиЭ им. А.Н. Фрумкина, ИХР, ИОиНХ им.Н.С.Курнакова, ФГУП “НИФХИ им. Л.Я. Карпова”, УрО РАН, учебные институты РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, МГУ им. М.В. Ломоносова, РХТУ им. Д.И. Менделеева, ГТУ МИСиС, отраслевые: ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина, ВНИИСТ и Газпром ВНИИГАЗ.

Среди отечественных ученых следует выделить Акимова Г.В., Алексашина А.В., Антонова В.Г., Герасимова В.В., Глазкова В.И., Глазова Н.П., Дорошенко П.Г., Запевалова Д.Н., Зинкевича А.М., Котика В.Г., Маршакова А.И., Михайловского Ю.Н., Петрова Н.А., Петрова Н.Г., Притулу В.В., Тычкина И.А., Фатрахманова Ф.К., Харионовского В.В., Шамшетдинова К.Л.

Несмотря на большое число работ и выполненных исследований в данном направлении, отмечен ряд проблем оптимизации работы изолирующих вставок в системах ЭХЗ в методическом плане и в вопросах их конструкционной надёжности. В частности, с 2000 г. на объекты ОАО “Газпром” был поставлено более 4500 электроизолирующих вставок диаметром от 50 до 1400 мм. За 5 лет эксплуатации (до 2005 г.) произошло одиннадцать отказов по причине нарушения герметичности вставок. Отмечено несколько случаев разгерметизации ИВ в ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург”, в частности на газопроводах-отводах к г. Верхний Тагил (2000 г.). и к г. Первоуральск (2005 г.).

Так как ИВ находят всё более широкое применение в трубопроводах, такие показатели надёжности считаются недопустимыми.

Имеется положительный опыт использования ПГА на участках МГ, подверженных интенсивным блуждающим токам. Однако в этом направлении также существует ряд научно-технических и методических проблем.

Помимо задачи по обеспечению нормативного уровня защищённости участка МГ, необходимо было решить и проблему длительной работоспособности ПГА. Для эксплуатирующегося газопровода, с его неоднородным качеством изоляции, сочетанием разнотипных грунтов, блуждающими токами и т.д. попытки оценки номинальных плотностей токов расчетным путём не дают однозначного ответа. Поэтому упор был сделан на методическую и экспериментальную составляющие работы по опытной отработке и мониторингу ПГА в эксплуатационных условиях газопроводов.

Для электрически секционированных участков МГ в качестве источника электроэнергии для систем ЭХЗ применяются автономные источники тока (АИТ). Наиболее просты и поэтому получили распространение термоэлектрические генераторы, работающие за счет перепада температур на термоэлементах. Вместе с тем, данные устройства не отработаны в нестабильных эксплуатационных условиях нестационарного воздействия блуждающих токов и переменных температур. Эксплуатация АИТ в данных условиях требует оптимизации параметров и режимов работы устройств на основе проведения опытно-эксплуатационного мониторинга.

Во второй главе усовершенствована методика оценки коррозионного состояния протяженных участков газопроводов для электрического секционирования.

МГ находятся в эксплуатации под коррозионным воздействием грунтовой среды, окружающей трубопроводы. Воздействие среды на трубопроводы неравномерно по линейным показателям и зависит от ряда факторов, к которым относятся состояние металла труб, технологические условия эксплуатации, качество изоляционных покрытий, параметры электрозащиты и т.д. Одним из важных положений является совокупное воздействие факторов, характеризующих коррозионную активность среды околотрубного пространства на подземный трубопровод.

В условиях ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург” для стареющих газопроводов практическая эксплуатационная оценка защищенности труб от коррозии с применением традиционных методик становится неэффективной.

В связи с этим, актуальным и перспективным направлением совершенствования системы коррозионного мониторинга трубопроводов является разработка и внедрение электрохимических методов, основанных на измерении параметров вольтамперной и хроноамперной характеристик системы трубопровод - защитное покрытие - вспомогательный образец - грунт.

Метод поляризационного сопротивления был адаптирован для трассового контроля грунтов в околотрубном пространстве газопроводов с применением зонд-модульной технологии обследования противокоррозионной защиты.

В отличие от множества подобных методов, оценивающих скорость коррозии при стационарном потенциале, новым в предлагаемой методике измерений является возможность учета наложенного потенциала систем ЭХЗ, чего ранее не выполнялось. Также впервые применена зонд-модульная технология для диагностирования блуждающих токов плотностью в дефектах изоляции до 10 мА/см² , на основе длительного мониторинга с получением больших массивов данных и последующей статистической их обработкой для целей коррозионного мониторинга.

Поскольку блуждающие токи имеют случайный, непредсказуемый характер (вариации поляризационного потенциала от минус 1,2 В до плюс 0,6-0,8 В), оценку осуществляли по результатам статистической обработки данных зонд-модуля за несколько суток с периодом регистрации 2-5 секунд (30-40 тыс. значений).

Применив известные методы статистического анализа (программы Excel и Origin) делали сокращение количества значений с сохранением их достоверности. При разделении участков возрастания и снижения значений токов, построили зависимость потенциала от плотности тока, описывающая двунаправленный характер процесса (рис. 1, а), которая далее преобразована в поляризационную диаграмму (рис. 1, б).

Установлено, что при отключении блуждающего тока происходит снижение скорости коррозии (рис. 1, в), при отключении катодной защиты - чаще некоторое увеличение скорости коррозии (рис. 1, г). Данные зависимости аппроксимированы формулой следующего вида:

,(1)

где - скорость коррозии, мм/год; a, b - коэффициенты, характеризующие скорость коррозионных процессов (табл. 1), t - время опыта, мин.

Таблица 1

Коэффициенты скорости коррозии при внешней поляризации

Потенциал, мВ	a	b
-1250	0,1286	0,338
-1100	0,1831	0,1039
-1000	0,1937	-0,0412
-900	0,1685	-0,1692
-452	0,4753	-1,1959
-326	1,0628	-1,5955
-200	0,5781	-0,5281
-100	3,0959	-0,9906
0	3,1317	-0,7397
300	2,2077	-0,3298

В третьей главе разработаны методы мониторинга и оптимизации параметров электроизолирующих вставок для секционирования электрохимической защиты газопроводов. Для экспериментальных измерений и оптимизации режимов работы ИВ на газопроводах использовали зонд-модуль, долговременные электронные регистраторы токов и напряжений, электроды сравнения (рис. 2).



Рис. 1 Зависимость потенциала от плотности тока (а), поляризационная диаграмма (б) и результаты оценки скорости коррозии в анодной (в) и катодной (г) областях поляризации

1 - увеличение значений тока, 2 - уменьшение значений тока

Синхронную регистрацию параметров защиты и блуждающих токов проводили в несколько этапов. На первом этапе оценивалось влияние режима работы близлежащих установок дренажной защиты (УДЗ) путем измерения параметров защищенности МГ и отвода при включенных и выключенных дренажных установках.

Рис. 2 Схема измерений на изолирующих вставках

1 - газопровод, 2 - вставка изолирующая, 3 - зонд-модуль, 4 - измерительный пункт, V - вольтметр, ц - долговременный регистратор потенциала, Rk - шунт калиброванный, R - переменный резистор

Кратковременное (60 сек) отключение - включение дренажа проводили в моменты максимальных дренажных токов. Аналогичная методика использовалась для оценки дальнодействия ИВ. Замыкания вставки производились также при возникновении больших значений блуждающих токов (моменты определялись по контролю напряжения). Проверку адекватности выявленных закономерностей и оптимальной схемы шунтирования ИВ проводили по зафиксированным значениям напряжения на разомкнутой вставке и синхронно измеренными токами ВО зонд-модулей по разные стороны обкладок ИВ. Определяли граничное значение напряжения, при котором обкладки ещё практически не поляризуются в анодную область. Граничное напряжение определяли по точке пересечения с осью абсцисс аппроксимирующих прямых токов поляризации (рис. 3). Возможность линейной аппроксимации обусловлена малым рассеянием опытных данных и достаточным коэффициентом детерминации не менее 0,92.

Результаты экспериментального определения электрических параметров ИВ представлены на рис. 4. Результаты измерений вольтамперных характеристик содержат от 2000 до 4000 значений, поэтому обработка данных проводилась методами статистического анализа (рис. 5). Рассчитаны стандартные статистические показатели, на основе анализа которых была установлена функциональная зависимость среднего значения и среднеквадратичного отклонения (СКО) (пульсации) вольтамперных характеристик от сопротивления вставки (ее способа замыкания):

,(2)

где у - среднее значение или среднеквадратичное отклонение измеряемой величины; A_n - аппроксимирующие коэффициенты (табл. 2); R - сопротивление, Ом.



Рис. 3 Зависимость силы тока зонд-модуля (I_ЗМ) от напряжения на изолирующих вставках (U_ИВ)

а) б)

Рис. 4 Зависимости потенциалов на ИВ U_П(1,2) U_ИВ (а), силы тока зонд-модуля I_ЗМ(1,2) и силы тока в газопроводе I_Г (б) во времени

1 - ИВ разомкнута, 2 - ИВ замкнута перемычкой, 3 - замкнута, шунт 0,2 Ом, 4 - шунт 2 Ом, U_П(1) U_П(2) - потенциал 1 и 2 обкладки, U_ИВ - потенциал ИВ, I_ЗМ(1), I_ЗМ(2) - сила тока через 1 и 2 обкладку, I_Г - сила тока в газопроводе

Установлено, что мгновенное значение силы тока и напряжения соответственно определяются по следующим формулам:

,(3)

,(4)

где , - соответственно среднее значение силы тока и потенциала; , - соответственно среднеквадратичные отклонения силы тока и напряжения.

а) б)

Рис. 5 Пример гистограммы потенциалов обкладки изолирующей вставки в разомкнутом состоянии (а) и при коротком замыкании (б)

Таблица 2

Значение коэффициентов аппроксимирующей функции

Параметры силы тока	зонд-модуль 1	зонд-модуль - 2	газопровод	Параметры потенциала	I обкладка	II обкладка	вставка
	А0	-0,0178	-0,0371	-41,426		А0	0,9727	1,0811	0,7462
	А1	0,0002	-0,0003	231		А1	-1,6562	-2,2671	0,0141
	А2	0	0	-118,95		А2	0,816	1,1614	0
	А3	0	0	0,1187		А3	-0,0008	-0,0012	0
	А0	0,0719	0,0627	73,562		А0	0,178	0,2069	1,3002
	А1	-0,3069	8·10-5	-407,68		А1	-0,9898	-1,1512	0,0039
	А2	0,1558		200,09		А2	0,4986	0,5853	0
	А3	-0,0002		-0,1997		А3	-0,0005	-0,0006	0

Таким образом, необходимо подобрать величину шунта, при которой токи в трубопроводе будут минимальны, а поляризация обкладок будет в допустимых пределах. В общем виде эта задача не разрешима, т.к. не известны значения потенциалов, приложенные к удаленным участкам газопровода; весьма приближённо можно оценить и омическое сопротивление этих участков, и баланс токов. Для локального участка в окрестностях ИВ задачу решали исходя из функциональной зависимости тока поляризации обкладок ИВ от тока в трубе. Мерой величины тока поляризации приняли плотность тока зонд- модуля. Очевидно, что для короткозамкнутой вставки (рис. 6, а) в широкой области регистрируемых токов в трубопроводе (±100 А) наблюдается равенство плотностей тока зонд- модулей у обеих обкладок, т.е. их поляризации не происходит. Напротив, при разомкнутой вставке (рис. 6, б), даже в отсутствии тока, всегда сохраняется остаточная поляризация, а его появление, приводит к резкой поляризации обкладок. В случае включения в цепь ИВ шунтирующей перемычки с сопротивлением от 0,2 до 2 Ом (рис. 6, в, г) минимальная поляризация обкладок наблюдается при установившимся токе, не превышающем 5-7 А, и имеющем преимущественную направленность.



1 - катодные, 2 - анодные токи

Рис. 6 Зависимости плотности тока зонд - модулей (i) от силы тока (I) в газопроводе

а) - ИВ разомкнута, б) - ИВ замкнута перемычкой, в) - замкнута, шунт 0,2 Ом, г) - шунт 2 Ом

Если же преимущественного направления у тока в трубопроводе нет, т.е. он примерно одинаково по амплитуде и по времени распространяется в обе стороны, то ощутимой поляризации обкладок вставки не происходит даже при больших токах, не превышающих 10-15 А.

Полученные результаты не только раскрывают механизм поляризации ИВ, но также имеют практическое значение. В частности, на основе результатов настоящих исследований рекомендовано исключать из схем шунтирования изолирующих вставок диоды, так как они способствуют их поляризации. Кроме того, диоды являются ненадёжным элементом схемы, часто выходят из строя даже от кратковременной перегрузки по току, либо по обратному напряжению. Шунтирующая цепь при этом разрывается, и изолирующая вставка месяцами может работать в опасном для неё режиме. Для аппроксимации полученных массивов данных использовали методы обработки гармонических функций. Считали, что плотность тока каждой из обкладок меняется в зависимости от силы тока в трубопроводе по следующему закону:

,(5)

где А₀, А_к, В_к, щ_к, б - неизвестные параметры.

Использовали метод наименьших квадратов, минимизирующий функцию:

,(6)

где j_оп - вектор экспериментальных данных плотности тока, мА/см².

Минимум функции (6) достигался решением системы, состоящей из 2n+1 уравнений, которые можно записать в виде:

(k = 0, 1, …, 2n), (7)

где a_ik, b_ik, С_k вычисляли по следующим формулам:

(8)

Система (8) распадается на две подсистемы уравнений, служащих для определения четной и нечетной компонент:

(9)

(10)

где

Если интервал [-L; L] достаточно велик и частоты гармонических компонент не слишком близки, то

(11)

(12)

Следовательно,

(13)

(14)

,(15)

(k = 1,2,…, n).

Таким образом, на основании формул (5)-(15) были подобраны коэффициенты аппроксимирующих функций восьми графических зависимостей (табл. 3).

Таблица 3

Значения коэффициентов аппроксимирующих функций

Коэффициент	№ зависимости по рис. 6
	а1	а2	б1	б2	в1	в2	г1	г2
А0	-1,265	-1,25	-23,055	-55,35	-0,175	-0,041	0,104	-0,218
А1	-0,055	-0,0006	2,219	13,377	0,368	0,057	1,219	1,385
В1	-0,115	-0,018	23,42	1,448	0,152	-1,052	1,438	2,0083
щ1	1,121	1,779	96,187	16,351	0,423	15,281	0,503	0,453
А2	0,108	0,948	0,166	13,375	-0,0027	-0,341	0,023	0,022
В2	0,146	-1,107	-15,862	1,449	0,0119	1,395	-0,014	-0,013
щ2	1,047	-0,277	104,239	16,346	2,653	15,112	2,219	2,145
А3	-0,0954	-0,331	-13,181	13,376	0,237	0,045	0,073	-0,191
В3	-0,1572	0,699	-3,454	1,45	-0,253	0,3609	-0,785	-0,717
щ3	1,1839	-0,386	-5,224	16,346	0,551	15,409	0,602	0,65
А4	0,1003	-0,014	33,683	13,373	-0,562	0,2405	-1,544	-1,234
В4	0,1018	-0,0003	-74,598	1,449	0,189	-0,705	-0,909	-1,232
щ4	1,144	2,853	9,752	16,327	0,459	15,014	0,418	0,35
А5	1,171	0,585	0,0025	1,782	0,156	0,0569	0,073	0,198
б	-0,0003	-0,0019	23,969	-0,812	-0,0027	0,0076	0,0048	-0,005

В результате получена итоговая функциональная зависимость между сопротивлением вставки и аппроксимирующими коэффициентами, представленная в следующем виде:

.(16)

Подбор неизвестных коэффициентов осуществлялся в приложении Microsoft Excel через команду “Сервис-Поиск решения” по методу наименьших квадратов. Результаты вычислений представлены в табл. 4, относительная погрешность при этом составила 1,5 %.

Таблица 4

Значения коэффициентов аппроксимирующей функции

Коэффициент	Значение
Х0	-92,4967
Х1	-95,4215
Х2	-120,033
Х3	-174,994
Х4	-43,4158
Х5	-24,1962
Х6	30,12184
Х7	-40,1662
Х8	30,45014
Х9	45,83836
Х10	-64,5795
Х11	-211,041
Х12	84,49345
Х13	-72,7435
Х14	26,26059

Таким образом, установлено, что в газопроводе блуждающие токи величиной до300-500 А с помощью изолирующих вставок могут быть снижены практически до нуля. Однако это приведёт к поляризации обкладок ИВ и возрастанию опасности коррозии металла трубы в дефектах изоляции одной из них. Выравнивания потенциалов обкладок ИВ (деполяризации) можно достигнуть, электрически соединив их между собой (зашунтировав) резистором сопротивлением 0,2-2,0 Ом. Практическими измерениями и расчётами установлено, что оптимальными являются токи, не превышающие 7-10 А.

Предложено, что для практической работы по подбору величины шунта целесообразно пользоваться падением напряжения на изолирующей вставке. Установлены оптимальные диапазоны значений: не более 5-7 В для ИВ с преимущественным направлением блуждающего тока и 15-17 В для ИВ с симметричной переменой поляризацией. Усовершенствовано шунтирующее устройство, предназначенное для оптимизации параметров ограничения тока через ИВ. Устройство содержит сборку (цепь) последовательно соединённых мощных диодов, замкнутых в кольцо (рис 7, а). Соединённые между собой начало и конец диодной сборки через токовый шунт подключают к одной из обкладок ИВ.

Вторая обкладка ИВ, в зависимости от условий её работы, подключается к одной из узловых точек диодной цепочки. Тем самым меняется количество диодов и их соотношение для ограничения блуждающих токов прямого и обратного направления. Оптимальным режимом работы ИВ будет такой режим, когда при выбранном соотношении количества диодов для прямой и обратной ветви, коррозионные процессы на обкладках минимальны. Определив максимально возможное напряжение на ИВ, не вызывающее поляризации обкладок, поддерживают его с помощью последовательно включенных диодов (рис 7, б).



Рис. 7 Схема устройства для подбора оптимального режима изолирующей вставки (а) и вольтамперная характеристика опытного шунтирующего устройства (б)

1 - клеммы подключения обкладок ИВ, 2 - клемма подключения второй обкладки ИВ, 3 - области обеспечения защитного потенциала, 4 - область ограничения блуждающего тока

Полученная вольтамперная характеристика аппроксимирована формулой следующего вида:

,(17)

где а₀, а_i, a_i+1, a_i+2 - аппроксимирующие коэффициенты (табл. 5). Коэффициент корреляции при этом равен 0,95, что говорит о функциональной связи.

Таблица 5

Таблица аппроксимирующих коэффициентов

Коэффициент	Значение
a0	2,524164
a1	-1,22801
a2	7,642649
a3	1,964317
a4	4,212879
a5	3,570246
a6	0,946189
a7	1,327965
a8	5,903379
a9	3,147092

Одной из отмеченных проблем эксплуатации ИВ является их недостаточная конструкционная надежность, приводящая в ряде случаев, к разгерметизации ИВ. С целью выявления причин разгерметизации ИВ после 2-х лет эксплуатации на газопроводе выполнены пневматические испытания ИВ диаметром 700 мм. На начальном этапе испытаний при давлении 0,05 МПа выявлены 2 места негерметичности в зоне торца пластиковой муфты. Для выявления внутренних повреждений вставка была разрезана на фрагменты с последующим изъятием стеклопластиковой части и патрубков.

На основе проведенных исследований установлен приоритетный механизм образования повреждений ИВ при эксплуатации. Герметизирующий элемент вставки изготовлен по схеме выполнения его внутренней полости путем загиба одного слоя миллиметровой толщины резины вокруг 2-3 слоев фторопластовой ленты (рис. 8, б). Незначительная толщина фторопластовой ленты приводит к образованию острой кромки внутренней полости. Под действием внутреннего давления происходит увеличение диаметра верхней части герметизирующего элемента и в зоне острой кромки возникают значительные напряжения растяжения.

При длительном нагружении вследствие ползучести резины происходит накопление повреждений в зоне высоких растягивающих напряжений и раскрытие полости герметизирующего элемента вплоть до выхода образовавшейся трещины наружу и разгерметизации вставки в целом.

С целью повышения надежности работы герметизирующего элемента вставки диаметром 250-700 мм проведены исследования на модельных образцах по улучшению конструктивно-технологической схемы, результаты которых внедрены в производство. Так выполнение внутренней полости герметизирующего элемента проводится путем загиба двух 1 миллиметровых слоев резины (рис. 8, в), позднее введен внутренний двухмиллиметровый слой резины (рис. 8, г), что позволило ликвидировать острую кромку внутренней полости герметизирующего элемента, являющейся причиной разгерметизации ИВ в процессе эксплуатации.

В настоящее время изготовление герметизирующего элемента проводится с применением армирования внутренней полости синтетической тканью и резинового шнура диаметром 3 мм, что позволило увеличить радиус закругления кромки полости и уменьшить концентрацию напряжений в ней (рис. 8, д).

При испытаниях всех опытных и экспериментальных узлов пробным давлением и до разрушения (25-З0 МПа) начиная с периода внедрения, не зафиксированы случаи разгерметизации вставок диаметром 250-700 мм.

В четвертой главе разработаны методы мониторинга параметров и оптимизации автономных устройств подачи электрического тока для секционированной электрохимической защиты газопроводов.

Проведено опытное сопровождение эксплуатации автономных источников тока (АИТ) и протяженных гибких анодных заземлений. АИТ для электроснабжения системы электрохимической защиты газопроводов в ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург” были предложены как альтернатива протяжённым линиям электропередач.

В процессе опытно-промышленной эксплуатации проводили научно-методическое сопровождение трех типов АИТ: ГТГ-150 (с 2003 г.), АСКЗ-ИТ-24 (с 2004 г.), АИПТ-150 (с 2006 г.), ТЕГ MPS 175/5220 (с 2010 г.). Установки, работавшие в системе ЭХЗ, были подключены в цепь труба-анод напрямую, соответственно подвергались воздействию блуждающих токов и электрических разрядов природного происхождения, что привело к большому количеству отказов. На установках где цепи труба-анод имели большое электрическое сопротивление (более 5 Ом) произошла быстрая деградация термоэлектрических элементов.

Рис. 8 Общий вид электроизолирующей вставки (а) и варианты улучшения герметизирующего элемента: б) исходная конструкция; в) добавление двух слоев резины 1 мм (4); г) добавление внутреннего слоя 2 мм (5); д) армирование внутренней полости тканью (6) и резиновым шнуром 3 мм (7)

1 - патрубок стальной; 2 - герметизирующий элемент; 3 - стеклопластиковая муфта

Целью экспериментальных исследований являлось определение текущих параметров АИТ и стабильность их технических характеристик во времени. Контролировали выходной ток и напряжение в нагрузке и при разомкнутой цепи, температуры эксплуатации, внутреннее сопротивление, поляризационный потенциал газопровода в точке дренажа и его стабильность во времени, параметры ИВ.

Наиболее показательными являются результаты мониторинга АИТ, работающего на термоэлементах, в Малоистокском и Невьянском ЛПУ МГ ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург”, максимально подверженных воздействию блуждающих токов. Для исключения встречного блуждающего тока рекомендовано использовать на АИТ автоматические катодные станции ИПЕ-0,2, либо включать в анодную цепь диод. Учитывая то, что техническое состояние термогенератора, необходимо оценивать при номинальном режиме работы, а эксплуатация АИТ ведется при более низких рабочих характеристиках, возникла необходимость разработки способов оценки технического состояния АИТ в текущем режиме эксплуатации. Для решения данной задачи были получены вольтамперные характеристики АИТ и зависимости выходной мощности термогенератора от разности температур горячего и холодного спаев и суммарного сопротивления внутренней и внешней цепи. Снятие вольтамперной характеристики производилось по трем точкам: при эквивалентной нагрузке 5,0 Ом, при эксплуатационной нагрузке цепи “труба-анод” и без нагрузки, не изменяя температуры термогенератора. Также была построена вольтамперная характеристика на основе паспортных данных.

На основе полученных данных сделан вывод об эффективности режимов работы АИТ (рис. 9).

Рис. 9 Вольтамперная характеристика (а) и зависимость мощности АИТ от разности температур горячего и холодного спаев (б)

Анализ полученных зависимостей показывает, что на некоторых УКЗ (№ 3А и 4) при существующих температурных режимах зафиксированы выходные характеристики АИТ, которые расположены ниже номинальной кривой, что указывает на недостаточную выходную мощность и неоптимальный режим работы, при которых он эксплуатируется.

Поэтому регулировку выходного тока АИТ рекомендовано производить балластным резистором с меньшим сопротивлением чем на других УКЗ, тем самым снизить нагрузку на термогенератор, не изменяя выходные характеристики.

Одним из важных элементов устройств подачи электрического тока секционированной ЭХЗ газопроводов, которые требовали проведения опытно-эксплуатационного мониторинга, являются протяженные гибкие анодные заземления. Для мониторинга параметров ПГА сконструирован и изготовлен зонд-модуль, который размещали вблизи установленного в грунте ПГА. Вспомогательный образец зонд-модуля изготовлен из отрезка промышленного ПГА, что характеризует идентичность процессов, проходящих на реальных ПГА и зонд-модуле в части переходного сопротивления токопровод - резина и кинетики электрохимических процессов на границе ПГА - грунт.

В лабораторных условиях были определены предельно допустимые плотность тока и потенциал, при котором начинается разложение воды с выделением кислорода на поверхности ПГА. Для этого с помощью потенциостата П 5848 на образцах ПГА, подготовленных для монтажа зонд-модуля, были сняты гальванодинамические и потенциодинамические поляризационные кривые в воде и глине (рис 10, а).



Рис 10 Зависимость плотности анодного тока от потенциала (а) и распределение плотности анодного тока зонд-модуля ПГА по координате газопровода (б)

На фрагменте представленной зависимости в области потенциала плюс 1,028 (МСЭ) установлен скачок тока, обусловленный сменой диффузионного режима разряда ионов ОН ^- на кинетический режим выделения кислорода за счёт разложения воды. В пересчёте на нормальный водородный электрод (НВЭ) потенциал разложения воды на ПГА равен плюс 1,34 В (НВЭ), что близко по физическому смыслу показателям графитовых электродов в нейтральных средах. Для них, по этим же самым причинам, установлены предельные значения потенциала плюс 1,6 В (МВЭ).

Определив таким образом область максимально-допустимых потенциалов на поверхности ПГА, получаем, что ей соответствует плотность тока через боковую поверхность в диапазоне 0,082-0,083 мА/см², который является предельным для ПГА. С помощью ПГА - зонд-модуля её необходимо контролировать, в первую очередь, в местах соединения ПГА.

Аппроксимируя график, представленный на рис. 10, а, была установлена зависимость плотности анодного тока от потенциала анода:

.(18)

Скачок потенциала определялся из условия монотонности возрастающей функции:

, или ,(19)

где х₁, х2 - абсциссы произвольных точек зависимости, причем х₂>x₁.

Основные выводы

1. Разработана методика диагностирования и мониторинга противокоррозионной защиты газопроводов, основанная на электрохимических методах измерения вольтамперной и хроноамперной характеристик системы трубопровод - защитное покрытие - вспомогательный образец - грунт. Методика адаптирована для трассового контроля и позволяет провести оценку неоднородности коррозионных процессов для рационального размещения элементов электрического секционирования с применением зонд-модульной технологии, для которой оптимизированы рабочая область потенциалов, частота следования и крутизна фронтов изменения тока и потенциала.

2. Разработана методика и созданы средства экспериментальных измерений для оптимизации режимов работы изолирующих вставок на газопроводах, получена расчетно-экспериментальная зависимость плотности тока обкладок изолирующей вставки от силы тока в трубопроводе, позволяющие исследовать механизмы и причины поляризации вставок. Предложены способы подбора оптимальной величины шунта по введенному критерию падения напряжения на изолирующей вставке не более 5-7 В для преимущественного направления блуждающего тока и 15-17 В для симметричной переменой поляризации. Усовершенствовано шунтирующее устройство в виде диодной сборки.

3. Усовершенствована и внедрена на эксплуатируемых газопроводах конструкция электроизолирующей вставки на основе опытно-эксплуатационных испытаний, улучшена конструктивно-технологическая схема исполнения герметизирующего элемента изолирующих вставок диаметром 250-700 мм.

4. Усовершенствована работа автономных устройств подачи электрического тока для секционированной электрохимической защиты газопроводов, включающих генераторы и секционированные протяженные анодные заземления на основе мониторинга и настройки параметров и режимов эксплуатации. Предложены технические решения по совершенствованию устройств, позволяющие увеличить их надежность и стабильность их технических характеристик при эксплуатации в условиях блуждающих токов.

5. По результатам работы разработаны стандарты организации ОАО “Газпром” “Временные технические требования к вставкам (муфтам) электроизолирующим” (2010 г.), ВСН 39-1.8-008-2002 Указания по проектированию вставок электроизолирующих на магистральных и промысловых трубопроводах, ВСН 39-1.22-007-2002 Указания по применению вставок электроизолирующих для газопровода. Разработанные рекомендации внедрены при реализации технологии электрического секционирования МГ Бухара-Урал, Свердловск - Нижний Тагил, СРТО - Урал - 2, а также на газопроводах-отводах (более 50 объектов). В результате на основе комплексного коррозионного мониторинга электрически секционированы проблемные участки трубопроводов, что позволило использовать новые принципы управления системой ЭХЗ, уменьшить воздействие блуждающих токов не менее чем в 3,5 раза, повысить надежность эксплуатации газопроводов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Попов В.А., Желобецкий В.А., Баусов С.В. Некоторые аспекты коррозионных обследований промплощадок КС // В сб. мат-ов 12-й межд. дел. встречи “Диагностика-2001”. - :М.: ИРЦ Газпром, 2001. - с. 45-54.

2. Попов В.А., Желобецкий В.А. Опыт организации оперативно-аналитической работы по оценке эффективности противокоррозионной защиты в ООО “Уралтрансгаз” // В сб. мат-ов НТС ОАО Газпром. - М.: ИРЦ Газпром, 2004. - с. 76-82.

3. Попов В.А., Созонов П.М., Кузьмин А.Н., Жуков А.В. Отбраковка дефектов магистральных газопроводов по результатам внутритрубной дефектоскопии // В сб. мат-ов 15-й межд. дел. встречи “Диагностика-2005”. - :М.: ИРЦ Газпром, 2005. - с. 174-180.

4. Попов В.А., Кузьмин А.Н., Жуков А.В. Практические аспекты технического диагностирования повреждений, обусловленных эксплуатационным старением МГ // В сб. мат-ов 16-й межд. дел. встречи “Диагностика-2006”. - :М.: ИРЦ Газпром, 2006. - с. 299-310.

5. Попов В.А. Опыт оптимизации системы ЭХЗ газопроводов с применением электроизолирующих вставок // В сб. мат-ов отраслевого совещания ОАО Газпром. - М.: ИРЦ Газпром, 2008. - с. 82-88.

6. Попов В.А. Работа системы противокоррозионной защиты ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург” за 2008 год // В сб. мат-ов отраслевого совещания ОАО Газпром. - М.: Газпром экспо, 2009. - с. 194-202.

7. Попов В.А. Опыт использования протяженных гибких анодов в ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург”. Результаты реконструкции системы противокоррозионной защиты в Невьянском ЛПУ // В сб. мат-ов отраслевого совещания ОАО Газпром. - М.: Газпром экспо, 2010. - с. 116-129.

8. Желобецкий В.А., Баусов С.В., Попов А.В. Диагностика коррозионного состояния магистральных газопроводов с применением зонд-модульной технологии // Дефектоскопия. - 2009. - № 11. - с. 79-83.

9. Попов В.А., Корзунин Г.С. Система противокоррозионной защиты в ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург” // Дефектоскопия. - 2010. - № 9. - с. 90-96.

10. Попов В.А., Попов А.В. Желобецкий В.А. Новые подходы к диагностике и мониторингу коррозионного состояния газопроводов по результатам статистической обработки данных зонд-модульного обследования // Дефектоскопия. - 2010. - № 9. - с. 97-103.

11. Попов В.А., Матвиенко А.Ф. Выявление дефектов сплошности металла и защитного покрытия на трубопроводах // Дефектоскопия. - 2009. - № 7. - с. 8-12.

12. Попов В.А., Корзунин Г.С., Желобецкий В.А., Попов А.В. Электрометрическая диагностика противокоррозионной защиты ЛЧ МГ // Дефектоскопия. - 2011. - № 4. - с. 22-34.

13. Попов В.А., Желобецкий В.А., Попов А.В. Некоторые аспекты коррозионных обследований компрессорных станций промплощадок // Дефектоскопия. - 2010. - № 12. - с. 72-77.

14. Попов В.А., Желобецкий В.А. Баусов С.В., Лукин Е.С. Опыт эксплуатации электроизолирующих вставок в ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург” // Нефтегазопромысловый инжиниринг. - 4 кв. 2009. - с. 4-8.

15. Кузьбожев А.С., Агиней Р.В., Попов В.А. Способ выявления нарушений соединения полимерного покрытия с металлическими трубами Патент РФ № 2278378 Заявл. 09.03.2005 г. Опубл. 20.06.2006 г.

16. Кузьбожев А.С., Агиней Р.В., Попов В.А. Способ предотвращения развития дефектов стенок трубопроводов Патент РФ № 2295088 Заявл. 22.08.2005 г. Опубл. 10.03.2007 г.

Размещено на Allbest.ru

...