Распределение токов в системах протекторной защиты трубопроводов с электроизолирующими соединениями

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

УДК 620.193

А. А. Фатхуллин, Р. А. Кайдриков, Б. Л. Журавлев,

С. С. Виноградова

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКОВ В СИСТЕМАХ ПРОТЕКТОРНОЙ ЗАЩИТЫ

ТРУБОПРОВОДОВ С ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Ключевые слова: коррозия, протекторная защита, трубопровод, электроизолирующие соединения. corrosion, cathodic protection, pipeline, electric current isolator.

Изучено распределение токов в системах протекторной защиты трубопроводов с электроизолирующими соединениями (ЭИС), которые используются для электрического разъединения защищенных и незащищенных участков трубопровода. Выявлено влияние сопротивления трубопровода и сопротивления растеканию протектора на распределение токов в системах протекторной защиты трубопроводов с ЭИС. Оценено влияние длины изолированной части ЭИС на величину тока утечки. The distribution of currents in cathodic protection systems of pipelines with electric current isolator is investigated. Electric current isolators are used for electrical separation of the protected and unprotected sites of the pipeline. The influence of length of the electric current isolators on value of flowing past through isolator’s electric current is appreciated.

Для электрического разъединения участков трубопровода, одного трубопровода от другого или трубопровода от обсадной колонны и т. д., используются электроизолирующие соединения (ЭИС). Схема протекторной защиты с использованием ЭИС приведена на рис.1.

Рис. 1 - Протекторная защита с использованием ЭИС: 1 - протектор; 2 - трубопровод; 3 - соединительный провод, ипр, ит - стационарные потенциалы протектора и трубопровода, 1Пр - ток протектора, 1уТ - ток утечки

Электроизолирующие соединения обеспечивают:

- уменьшение рассеивания защитного тока протекторов защищаемого трубопровода по другим соединенным с ним подземным сооружениям;

- ограничение вредного влияния блуждающих токов, источником которых являются установки катодной защиты посторонних сооружений;

- устранение возможности искрообразования при вводе трубопровода, находящегося в электромагнитном или электрическом поле, во взрывоопасные сооружения.

В ОАО «Татнефть» установлено свыше двадцати тысяч электроизолирующих соединений различных конструкций. Основным недостатком большинства известных конст-

рукций ЭИС является их внутренняя коррозия со стороны незащищенных электрохимической защитой участков трубопровода, возникающая вследствие того, что трубопровод на этих участках работает как биполярный электрод. При этом скорость коррозии внутренней (анодной) части определяется величиной токов утечки по перекачиваемой среде. По причине внутренней коррозии разрушается порядка 40% из общего числа выходящих из строя ЭИС [1]. Проявление внутренней коррозии делает актуальным проведение исследований, направленных на выявление факторов определяющих скорость коррозионного разрушения ЭИС.

Для проведения таких исследований разработана лабораторная установка (рис.2) включающая в себя кювету, представляющую собой продольную половину полиэтиленовой трубы с герметизированными торцами. В кювету заливают образцы сточной воды и устанавливают стальные электроды, изготовленные из элементов труб, которые имитируют анодную и катодную части ЭИС. В комплект установки также входят: источник стабилизированного питания Б5-47; сопротивления, электроды сравнения (х.с.э.) и приборы для измерения тока и потенциала.

Рис. 2 - Схема электрических соединений лабораторной установки: Ртр - сопротивление участка трубопровода, Рпр - сопротивление растеканию протекторов

Лабораторная установка позволяет моделировать коррозионно-электрохимические условия, реализующиеся внутри ЭИС при использовании их в системе протекторной защиты. Особенности системы протекторной защиты, такие как сопротивление трубопровода Р-ф определяемое сопротивлением его изоляции и сопротивление растекания протекторов Рпр задаются значениями соответствующих сопротивлений.

Воздействие протекторной защиты трубопроводов на внутреннюю поверхность ЭИС имитируется электрическим режимом пропускания тока между анодной и катодной частями установки, а потенциалы, реализующиеся на этих внутренних элементах, измеряются с помощью электродов сравнения.

Исследования проводили в режиме стабилизации напряжения. Значение устанавливаемого напряжения соответствовало разности стационарных потенциалов протектора и трубопровода (ипр - ит).

Результаты лабораторных исследований позволили:

- выявить влияние сопротивления трубопровода Ртр и сопротивления растеканию протектора Рпр на распределение токов в системах протекторной защиты трубопроводов с электроизолирующими соединениями;

- оценить влияние длины изолированной части ЭИС на величину тока утечки.

При исследовании распределения токов в системах протекторной защиты трубопроводов с электроизолирующими соединениями приняли диапазон изменения сопротивления трубопровода Р-ф от 2 до 10 Ом, а сопротивление растеканию протектора Рпр = 3 и 5 Ом [2]. Часть экспериментальных данных приведена в табл.1.

Таблица 1 - Распределение токов в модельных системах протекторной защиты трубопроводов с электроизолирующими соединениями при напряжении источника и=0,9В; длине изолированной части - 80 см; Рпр = 3 Ома

R тр, Ом Измеряемые величины Расчетные величины

м і ю О I общ, мА А м ,р - - , м > А м £ 1 зац мА К эфф

2,0 137,2 194,0 133,0 6,2 4,2 187,8 97,8

10,0 81,4 194,5 52,3 1,3 29,1 193,2 84,9

Изменение сопротивления трубопровода Ктр оказывает большое влияние на значение тока утечки (1ут), которое определяет скорость внутренней коррозии ЭИС. Увеличение сопротивления трубопровода Рф с 2 до 10 Ом приводит к увеличению тока в семь раз.

Эффективность электроизолирующих свойств ЭИС рассчитывали по формуле:

Кэфф — ((1зам - 1ут)/1зам)'100%,

где 1ут — 1общ - 1тВр; 1зам — 1общ' - 1тр', 1тр' и 1общ' - соответствует случаю замыкания ЭИС.

Результаты расчета коэффициента эффективности (Кэфф) показали, что его значения определяются не только длиной изолированной части ЭИС, но и существенно зависят от характеристик элементов системы протекторной защиты трубопроводов.

В рассматриваемом диапазоне изменения Рф значения коэффициента эффективности уменьшаются на 13%. К элементам системы протекторной защиты, которые могут оказать влияние на Кэфф относится и сопротивление растекания Рпр. При сопротивлении трубопровода равном Р-ф =10 Ом, изменение сопротивления растеканию Рпр от 3 до 5 Ом приводит к изменению коэффициента эффективности от 84 до 82 %.

Поскольку коррозионная стойкость ЭИС определяется током утечки, исследовали влияние на эту величину длины изолированной части ЭИС, а также сопротивлений Рф и Рпр (табл. 2).Результаты, приведенные в табл. 2 показывают, что влияние на значения токов утечки сопротивлений Ртр и Рпр сопоставимо с влиянием длины изолированной части ЭИС.

Таблица 2 - Значения токов утечки 1уТ, мА при различных сочетаниях параметров протекторной защиты (Ртр ,РПр) и длины изолированной части

Значения сопротивлений, Ом Длина изолированной части ЭИС, см

Ртр Рпр 30 60 90

3 5,6 4,3 3,4

2 5 3,8 2,5 0,3

10 3 43 40,1 24,6

5 38,5 27,6 20,9

Для оценки влияния длины изолированной части на токи утечки (1ут) ЭИС вне системы протекторной защиты, исключили из электрической схемы сопротивления Ртр и Рпр. Измерения проводили в режиме стабилизации напряжения между анодной и катодной частя-

ми ЭИС, которое соответствовало наблюдаемому падению напряжения в промысловых условиях Зависимость тока утечки (1ут) от длины изолированной части ЭИС приведена на рис. 3.

Рис. 3 - Токи утечки (1ут) при разной длине изолированной части ЭИС (Ь), напряжение источника У = 300 мВ

Полученная зависимость показывает, что существенное уменьшение тока утечки наблюдается до значений длины изолированной части 60 ^ 70 сантиметров. Дальнейшее увеличение длины ЭИС не целесообразно по конструктивным соображениям.

Известно, что электрические параметры протекторной защиты изменяются с течением времени. Промежуток времени, в течение которого достигаются стационарные значения параметров, настолько велик, что его реализация в лабораторных условиях невозможна, однако тенденцию изменения электрических параметров ЭИС можно установить и при относительно не продолжительных испытаниях.

Анализ результатов показал, что ток утечки во времени уменьшается, вследствие возрастания поляризационного сопротивления катодной части ЭИС; а уменьшение тока утечки приводит к снижению поляризации анодной части ЭИС. Изменение во времени суммарного электрического сопротивления ЭИС (Рэис) и его составляющих во времени представлены в табл. 3.

Таблица 3 - Изменение во времени суммарного электрического сопротивления ЭИС (КЭИС) и его составляющих

Продолжительность испытаний, ч Суммарное сопротивление Кэис, Ом Омическое сопротивление (Кэл, Ом Поляризационное сопротивление Кпол, Ом Кэл/Кпол Кэл/КэИС

1 113 45 1,4 0,6

3 200 68 132 0,51 0,34

6 238 170 0,4 0,28

10 263 195 0,34 0,25

Данные, приведённые в табл. 3, свидетельствуют, о том, что с течением времени в суммарном сопротивлении ЭИС возрастает доля поляризационного сопротивления (соотношение Кэл/КЭИС уменьшается с 0,6 до 0,25).

Выводы

1. Показано, что чем качественнее изоляция защищаемого трубопровода (высокое значение К-гр), тем больший ток утечки протекает через ЭИС, что приводит к снижению его коррозионной стойкости.

2. Установлено, что коэффициент эффективности электроизолирующих свойств ЭИС зависит от качества изоляции защищаемого трубопровода (Кф), т.е. одна и та же конструкция ЭИС будет иметь разные значения коэффициента эффективности при установке ЭИС в различающиеся системы протекторной защиты.

3. Выявлено, что длина изолированной части ЭИС не является единственным и определяющим параметром в суммарном сопротивлении ЭИС (Кэис), что позволяет оптимизировать длину ЭИС исходя из конструктивных требований.

Литература

1. Фатхуллин, А.А Установка для лабораторных исследований трубопроводных электроизолирующих соединений / Р.М. Шаммасов [и др.] // Сб. тез докладов “Инновационные технологии в промышленности уральского региона”. - Екатеринбург, 2008. - С. 87-88.

2. Кайдриков, Р.А. Методы, алгоритмы и примеры коррозионных расчетов: Учеб. пособие / Р.А. Кайдриков, Б.Л. Журавлев. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2006. - 208 с.

© А. А. Фатхуллин - сотр. КГТУ; Р. А. Кайдриков - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии электрохимических производств КГТУ; Б. Л. Журавлев - д-р хим. наук, проф. той же кафедры; С. С. Виноградова - канд. хим. наук, доц. той же кафедры. Б-тай:кги81@к81:и.т