НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
ТРУБОПРОВОДА В СТАЛЬНОМ ФУТЛЯРЕ
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Подземный металлический трубопровод при его пересечении с автомобильными и железными дорогами прокладывают в стальных футлярах. При анализе задач электрохимической защиты (ЭХЗ) у проектировщика возникают вопросы, связанные с возможностью и целесообразностью защиты таких двухтрубной конструкции.
Используемый при расчете ЭХЗ произвольных трубопроводных сетей метод дискретизации [1,2] может быть с успехом применен и для расчета поля токов двухтрубных сооружений. Ниже рассмотрены результаты численного анализа некоторых задач с футляром, представленных на рис. 1, а. Задачи ЭХЗ решались с использованием комплекса программ АРМ-ЭХЗ-10.1 в новой редакции [4], отличающейся от предыдущих наличием модуля для расчета протекторной защиты футляров.
Рис. 1. Расчетные схемы двойного трубопровода, где а – координатные привязки; б – размещение протекторных установок (ПУ) и узлов дискретизации вдоль исследуемого трубопровода; в – размещение узлов дискретизации на эквивалентном трубопроводе, моделирующем ПУ.
1. Футляр гальванически обособлен от трубы.
Пусть футляр электрически не связан с основным трубопроводом ни случайно, ни преднамеренно и не заполнен грунтовым электролитом. В этой ситуации трубопровод в футляре не подвержен коррозии и речь может идти лишь о защите внешней поверхности футляра.
При решении задачи для футляра его следует представить обособленным цилиндром с однородной по окружности изоляцией и, следовательно, с неизменной радиальной плотностью тока защиты. Такой цилиндр при расчете, как известно, можно заменить токовой нитью с утечкой и использовать метод дискретизации.
Рассмотрим задачу протекторной защиты футляра в соответствии с расчетными схемами рис.1, б и в.
Известные методы расчета протекторной защиты не рассматривают поле токов системы протектор-земля-трубопровод в совокупности, а предлагают простейшие формулы для расчета тока отдельного протектора как линейного или точечного заземлителя и затем арифметически оценивают эффект от включения множества протекторов, если, конечно, предварительно найден требуемый защитный ток для данного трубопровода.
Заменим каждую протекторную установку (ПУ) эквивалентным трубопроводом. Такой эквивалентный трубопровод, подсоединенный к трубопроводу в ближайшем от протектора узле, моделирует два участка
- соединительный проводник с высококачественной изоляцией и малым продольным сопротивлением (узлы 7…9, схема в) и
- участок с набором протекторов (узлы 10…13), образующий цепь заданной конфигурации в зависимости от количества, взаимного расположения и электрических параметров протекторов.
Продольное сопротивление соединительного проводника определяется диаметром эквивалентной стальной трубы, для которой удельное продольное электрическое сопротивление в программе принято равным 0,18 Ом×мм2/м. Удельное поляризационное сопротивление протекторного участка принято равным 0,1 Ом×м2.
В программах комплекса конфигурация ПУ выбирается или в виде вертикальной колонны с любым количеством протекторов, или в виде горизонтальной цепи в траншее. Разница в конечных результатах расчета несущественна, поэтому другие варианты не предусмотрены.
Далее задача расчета протекторной защиты трубопровода сводится к простейшим компьютерным операциям, а именно:
· выводится на компьютерный экран масштабированный плана-схема защищаемого трубопровода и по двум зафиксированным на плане точкам определяется компьютерный масштаб плана;
· вдоль защищаемого трубопровода – с помощью мышки - выполняется разметка узлов дискретизации, где предполагается подключение ПУ или в которых будет фиксироваться защитный потенциал;
· вводятся значения диаметра трубопровода и удельного электрического сопротивления изоляции каждого из участков между узлами дискретизации;
· выполняется графическая разметка предполагаемых мест подключения ПУ;
· делается выбор конфигурации ПУ (в скважине или в траншее), задается предполагаемое количество протекторов в ПУ, уточняются параметры единичного протектора и кратчайшее расстояния ПУ от трубопровода;
· перед проведением расчета компьютерная программа самостоятельно определяет координаты и параметры узлов дискретизации участков эквивалентных трубопроводов, после чего предлагает перейти к расчету.
В результатах расчета отражаются:
· числовые значения эпюры защитного потенциала вдоль трубопровода;
· суммарный ток протекторной защиты и, следовательно, средний срок службы ПУ;
· распределение плотности тока вдоль ПУ, т. е. степень неравномерности растворения протекторов;
· плотность защитного тока по узлам дискретизации основного трубопровода.
В качестве примера рассмотрим протекторную защиту футляра длиной Lф = 30…75 м, диаметром dф = 0,30 … 0,75 м, с плохой или удовлетворительной изоляцией Rиз. ф = 2 … 2000 Ом×м2 . Расчетная схема задачи соответствует рис. 1, количество протекторов в ПУ задается произвольно, протекторы магниевые массой 20 кг, расстояние ПУ от трубопровода ya = 5 м или любое другое, протекторы ПУ размещены в скважине, удельное электрическое сопротивление грунта r = 20 Ом×м.
В табл.1 представлены результаты расчета ряда вариантов защиты футляра в зависимости от Rиз. ф, при условии, что в каждой из 4-х ПУ установлены по 3 протектора. Можно полагать, что удельному электрическому сопротивлению Rиз. ф = 2 Ом×м2 соответствует неизолированная труба при ее катодной поляризации, при Rиз. ф = 20 Ом×м2 на трубе отсутствует 10% изоляции, а при Rиз. ф = 200 Ом×м2 - степень оголения равна 1%.
Таблица 1. Приращение защитного потенциала DUзащ при протекторной защите
обособленного футляра диаметром dф= 0,5 м, длиной Lф = 50 м
№№ узлов | х, м | Rиз. ф, Ом×м2 | |||
2 | 20 | 200 | 2000 | ||
1 | 0 | -0,034 | -0,193 | -0,559 | -0,621 |
2 | 10 | -0,01 | -0,105 | -0,497 | -0,614 |
3 | 20 | -0,008 | -0,094 | -0,484 | -0,613 |
4 | 30 | -0,008 | -0,094 | -0,484 | -0,613 |
5 | 40 | -0,01 | -0,105 | -0,497 | -0,614 |
6 | 50 | -0,034 | -0,193 | -0,559 | -0,621 |
Iзащ. сумм, мА | 533 | 463 | 198 | 24,3 |
Если воспользоваться «смягченным» критерием защищенности – защитным смещением DUзащ= -0,1 В [5], то вариант с Rиз. ф = 20 Ом×м2 может уже считаться приемлемым. Особенно если учесть, что по европейским стандартам футляр вообще не подлежит электрохимической защите.
Итак, неизолированный футляр не удастся защитить протекторами по стандартным критериям. Расчет показывает, что это невозможно, даже если их количество удвоить или даже утроить. Но при хорошей изоляции Rиз. ф = 2000 Ом×м2 для защиты футляра потребуется всего лишь один протектор.
Разбор вариантов с различным числом ПУ и числом протекторов в ПУ - при варьировании длины, диаметра и качества изоляции футляра - не составит труда при наличии программ АРМ-ЭХЗ-10.1. Проблема состоит лишь в определении фактического значения Rиз. ф.
Следует добавить, что при отсутствии ЭХЗ обособленный футляр может быть подвержен влиянию токов земли, вызванных соседними катодными станциями или рельсами электротранспорта.
2.Футляр электрически связан с трубопроводом
Пусть футляр имеет в какой-либо точке случайный или заранее предусмотренный электрический контакт со своим трубопроводом, может быть даже с установкой регулируемой перемычки в виде блока БДР при сопротивлении Rд. Хотя такой контакт нормами не предусмотрен, но может иметь место. При этом пока полагаем, как и в предыдущем варианте расчета, что межтрубное пространство сухое и этот участок трубопровода не потребляет защитного тока. Если в предыдущем варианте речь шла о защите только футляра, то в данном варианте - о защите продольно неоднородного трубопровода.
При подготовке расчетной схемы участок двойного трубопровода можно или заменить вставкой, соответствующей параметрам футляра, удалив основной трубопровод, или рассматривать оба трубопровода одновременно, совместив их оси. При расчете значение Rиз. т участка основного трубопровода в сухом футляре должно приниматься очень большим.
На рис. 2 приведена расчетная схема «труба-в-трубе» с разметкой узлов дискретизации, а в табл. 2 некоторые результаты расчета для исходных данных, отмеченных на схеме.
Рис. 2. Расчетная схема задачи совместной защиты трубопровода и футляра
Таблица 2. Приращение защитного потенциала DUзащ в зависимости от величины электрического сопротивления связи Rд между трубопроводом и сухим футляром
№№ узлов | х, м | Rд, Ом | |||
¥ | 0,47 | 0,0044 | |||
Iскз =1 А | Iскз = 4 А | ||||
1 | 0 | -0,295 | -0,296 | -0,168 | -0,672 |
Участок трубопровода в футляре | |||||
2 | 50 | -0,39 | -0,392 | 0,003 | -0,489 |
3 | 60 | -0,354 | -0,358 | 0,001 | 0,012 |
4 | 70 | -0,355 | -0,358 | 0,001 | 0,005 |
5 | 80 | -0,355 | -0,358 | 0,001 | 0,005 |
6 | 90 | -0,355 | -0,358 | 0,002 | 0,009 |
7 | 100 | -0,408 | -0,389 | -0,027 | -0,107 |
Участок трубопровода вне футляра | |||||
8 | 102 | -0,283 | -0,277 | -0,025 | -0,1 |
9 | 105 | -0,25 | -0,251 | -0,028 | -0,111 |
10 | 120 | -0,219 | -0,219 | -0,093 | -0,369 |
11 | 300 | -0,238 | -0,238 | -0,128 | -0.511 |
Футляр | |||||
12 | 50 | -0,01 | -0,009 | -0,033 | -0,129 |
13 | 60 | -0,002 | -0,002 | -0,012 | -0,048 |
14 | 70 | -0,001 | -0,001 | -0,011 | -0,043 |
15 | 80 | 0 | -0,001 | -0,01 | -0,039 |
16 | 90 | 0 | 0,001 | -0,01 | -0,038 |
17 | 100 | 0,011 | 0,009 | -0,128 | -0,081 |
При очень малом сопротивлении связи между футляром и трубопроводом их потенциалы выравниваются и защита как трубопровода, так и футляра оказывается не эффективной. При этом в первых трех вариантах расчета принято Iскз = 1 А = const. И расчет показывает, что для приемлемой защиты потребуется увеличить ток СКЗ в несколько раз. Так, при Iскз = 4 А смещение защитного потенциала трубопровода можно довести до стандартного уровня, за исключением ближайших к футляру узлах 8 и 9, где все же будет недозащита (табл.2). Сам футляр останется не защищенным.
Решение двухтрубной задачи в оптимизационном режиме (АРМ-ЭХЗ-10.1, режим М=1) показал, что для полной защиты обособленного футляра понадобится ток Iскз = 13,5 А, в то время как для защиты трубопровода достаточен ток примерно 1 А. Единственный выход из такого абсурдного положения – своевременно обеспечить хорошее состояние изоляции футляра или же исключить футляр из системы ЭХЗ вообще.
3. Футляр заполнен водой
В этом варианте расчета на участке трубопровода внутри футляра зададим некоторое реальное значение Rиз. т. Ранее для сухого футляра здесь было принято Rиз. т =50000 Ом×м2, теперь пусть Rиз. т = 50 Ом×м2. Футляр, как и прежде, оставим без изоляции при Rиз. ф = 2 Ом×м2. Для анализа воспользуемся той же расчетной схемой рис. 2, результаты расчета поместим в табл.3.
При отсутствии связи между трубопроводом и футляром (Rд ® ¥) футляр будет прозрачным для тока анодного заземлителя. Поляризационное сопротивление его стенок, как внешней, так и внутренней, относительно мало и поэтому ток беспрепятственно будет перетекать на трубопровод, хотя небольшая часть тока все же останется на стенке футляра и затем будет стекать с нее в районе 17-го узла.
Для полной защиты при Rд ® ¥ , как и прежде, для трубопровода достаточен ток Iскз = 1,4 А, а для футляра - Iскз = 13,5 А. Но при этом добавляется новая проблема – коррозия и защита внутренней поверхности футляра: он будет интенсивно разрушаться защитными токами, перетекаемыми с футляра на трубопровод.
Однако еще более сложная проблема создается при коротком замыкании футляра на трубопровод (см. табл.3 при Rд = 0,0044 Ом). Возникнет неустранимый эффект экранирования и ток на трубопровод вообще не пройдет.
Таблица 3. Приращение защитного потенциала DUзащ в зависимости от величины электрического сопротивления связи Rд между трубопроводом и футляром, заполненным водой
№№ узлов | х, м | Rд ® ¥ | Rд = 0,0044 Ом | |
Iскз =1,4 А | Iскз = 15 А | |||
Трубопровод | ||||
1 | 0 | -0,306 | -0,225 | -2,406 |
2 | 50 | -0,299 | 0,137 | -1,464 |
3 | 60 | -0,262 | 0,003 | 0,041 |
4 | 70 | -0,261 | 0,001 | 0,019 |
5 | 80 | -0,260 | 0,002 | 0,022 |
6 | 90 | -0,259 | 0,003 | 0,032 |
7 | 100 | -0,268 | -0,033 | -0,346 |
8 | 102 | -0,238 | -0,036 | -0,376 |
9 | 105 | -0,23 | -0,04 | -0,424 |
10 | 120 | -0,217 | -0,125 | -1,331 |
11 | 300 | -0,244 | -0,172 | -1,839 |
Футляр | ||||
12 | 50 | -0,017 | -0,037 | -0,396 |
13 | 60 | -0,004 | -0,017 | -0,172 |
14 | 70 | 0 | -0,015 | -0,153 |
15 | 80 | 0,002 | -0,013 | -0,14 |
16 | 90 | 0,004 | -0,013 | -0,137 |
17 | 100 | 0,01 | -0,026 | -0,279 |
Все особенности, подчеркнутые при анализе результатов расчета, неоднократно наблюдались наладчиками систем ЭХЗ. Этим подтверждается обоснованность нормативных требований к качеству работ при укладке и эксплуатации футляров и своевременность обсуждения данных вопросов.
4. Методика измерения Rиз. ф
Программы АРМ-ЭХЗ-10 позволили обосновать ниже представленный упрощенный способ измерения удельного электрического сопротивления изоляции футляра Rиз или любого подобного металлического сооружения небольшой длины.
Для измерения Rиз необходим источник тока с набором измерительных инструментов или же любой измеритель сопротивления, например, М416. Один из полюсов этого источника заземляют в точке ха = 0, yа = 20 м (начало координат - в конце футляра), другой – подключают к ближайшему концу футляра. Необходимо измерить:
- ток в цепи источника, Iизм, А;
- смещение разности потенциалов труба-земля, вызванное этим током, при расположении измерительного электрода на поверхности земли над концом футляра, DUизм.
По результатам измерения вычисляют удельное электрическое сопротивление изоляции футляра Rиз. ф по формулам
R.изм = DUизм / Iизм, Ом;
Rиз. ф.изм = Rизм p dф Lф, Ом×м2;
Rиз. ф = Rиз. ф.изм / kф, Ом×м2,
где R.изм - сопротивление «футляр-земля», которое может быть измерено непосредственно измерителем сопротивления М416 при положении потенциального электрода (Е2) рядом с футляром; kф - поправочный коэффициент, приведенный в табл. 4.
-
Таблица 4. Поправочный коэффициент для вычисления Rиз. ф
Rиз. ф.изм, Ом×м2 | kф |
4 | 2,3 |
10 | 2,1 |
30 | 1,6 |
100 | 1,2 |
200 | 1,1 |
1000 | 1,05 |
Методикой можно использовать с приемлемой погрешностью в расчетах для футляров dф = 0,3…0,75 м при длине Lф = 30…100 м.
Библиография
1. Ткаченко защита трубопроводов / Учебное пособие. Волгоград: НП ИПД «Авторское перо», 2005. – 232 с.
2. Ткаченко дискретизации для расчета электрохимической защиты трубопроводных сетей от коррозии // Электричество, №12, 2007.
3. Ткаченко расчета электрохимической защиты резервуаров // Практика противокоррозионной защиты, №4, 2008.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № «Расчет электрохимической защиты металлических сооружений, АРМ-ЭХЗ-10П», авторы и правообладатели и , зарегистрировано 28.11.2008.
5. Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии, РД 153-39.. АКХ им. // М.: Воениздат, 2002.
Сведения об авторе
, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет (ВолгГАСУ), доктор технических наук, профессор кафедры энергоснабжения и теплотехники.
Служ. адрес: Волгоград, ,
Дом. адрес : Волгоград, , кв.187, , 8–16. E-mail: *****@***ru.
