СПОСОБ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ПРОТЯЖЕННОГО УЧАСТКА ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ
METHOD FOR CATHODE PROTECTION OF EXTENDED SECTION OF UNDERGROUND STRUCTURE

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии и может быть использовано в средствах защиты протяженных металлических сооружений различного назначения, в том числе трубопроводов.
Известна система катодной защиты магистральных трубопроводов, включающая катодно-поляризуемый трубопровод, установки катодной защиты, причем каждая установка катодной защиты содержит измерительный шунт, источник сетевого электроснабжения, фильтр питания, катодную станцию, глубинное анодное заземление, блок измерения и обработки информации, электрод сравнения, микроконтроллер измерения и передачи сигналов, блок контроля, датчик охраны, источник питания, силовую часть, трансформаторы тока, устройство подключения, блок фильтров, состоящий из входного, активного и цифрового фильтров, усилитель, детектор, блок приема информации, включающий микроконтроллер приема информации, пункт приема и регистрации информации, на котором установлена ЭВМ. Система осуществляет сбор информации о контролируемых параметрах защиты и передачу этих данных в диспетчерский пункт по каналу связи в виде высоковольтной линии электропередач (см. патент РФ на полезную модель №87425, МПК C23F 13/22).
Недостатком известной системы является то, что стабилизация параметров защиты, а также мониторинг состояния трубопровода осуществляется на базе информации, получаемой с датчиков, расположенных вблизи катодной станции, при этом отсутствует информация о параметрах защиты на границах зоны влияния катодной станции. Это снижает эффективность защиты трубопровода.
Известна система катодной защиты магистральных трубопроводов, включающая поляризуемый трубопровод, установки катодной защиты, пункты приема и регистрации информации, источник (источники) сетевого электроснабжения, причем каждая установка катодной защиты содержит катодную станцию (преобразователь), глубинное анодное заземление, блок измерения и обработки информации, датчик поляризационного потенциала, датчик скорости коррозии, датчик наводораживания, блок приема и передачи, электрод сравнения, блок логики, телеизмерения и телерегулирования, блок коммутации и измерения параметров защиты, блок фазовой регулировки, блок импульсной модуляции и избирательный фильтр, шину. Система осуществляет мониторинг и управление работой группы катодных станций, используя в качестве канала связи защищаемый трубопровод (см. патент РФ на изобретение №2202001, МПК C23F 13/22).
Недостатком известной системы является то, что при мониторинге состояния протяженного участка трубопровода и управлении работой катодных станций используют информацию о состоянии сооружения вблизи катодных станций и не учитывают состояние трубопровода между катодными станциями на границах их влияния, что может привести к недостаточной защищенности проблемных участков трубопровода.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является способ регулирования параметров катодной защиты подземных трубопроводов, выбранный за прототип. Способ включает периодическое снятие вблизи катодной станции контрольной зависимости потенциала подземного сооружения от логарифма тока катодной станции, определение верхнего значения потенциала Uвepx, соответствующего точке изменения крутизны указанной контрольной зависимости. В качестве оптимального значения потенциала подземного сооружения выбирают значение на 0,03-0,06 В меньше по модулю, чем значение Uверх; указанное оптимальное значение потенциала подземного сооружения поддерживают в интервале между снятиями контрольных зависимостей (см. патент РФ №2327821, МПК C23F 13/04).
Недостатком известного способа является то, что периодически проводимый контрольный замер, в результате которого определяют критическое верхнее значение потенциала подземного сооружения Uверх, после превышения которого возникают разрушительные для сооружения и его изоляции процессы восстановления воды с выделением водорода, осуществляют вблизи катодной станции, и не учитывают параметры защиты сооружения на границах зоны влияния катодной станции, что снижает эффективность защиты протяженного участка сооружения. Кроме того, поддержание потенциала вблизи верхнего значения Uверх требует неоправданно высоких затрат электроэнергии.
Задача, на решение которой направлен заявляемый способ, заключается в повышении эффективности защиты протяженных участков подземного сооружения
Технический результат, отвечающий сформулированной выше задаче заключается в повышении надежности защиты сооружения на всем его протяжении при значительном снижении затрат на электроэнергию.
Указанный технический результат достигается тем, что способ катодной защиты протяженного участка подземного сооружения, включающий периодическое снятие вблизи катодной станции контрольной зависимости f1 потенциала подземного сооружения от логарифма тока катодной станции, определение верхнего значения потенциала Uверх, соответствующего точке изменения крутизны указанной контрольной зависимости f1, вычисление и последующее поддержание в интервале между снятиями контрольных зависимостей оптимального значения потенциала подземного сооружения, согласно решению дополнительно снимают контрольные зависимости f2 и f3 потенциала подземного сооружения, как минимум, еще в двух точках, расположенных на границе защитной зоны катодной станции по одну, и по другую от нее стороны вдоль подземного сооружения, для дополнительно снятых зависимостей f2 и f3 определяют значения токов Iн2 и Iн3 соответствующих минимальному нормированному потенциалу Uверх, выбирают наибольшее значение из токов Iн2 и Iн3, для контрольной зависимости f1 определяют значение потенциала, соответствующее выбранному наибольшему значению тока, данное значение потенциала принимают за нижнее допустимое значение Uнижн, а в качестве оптимального значения потенциала подземного сооружения, поддерживаемого в интервале между снятиями контрольных зависимостей, выбирают потенциал между нижним и верхнем значениями Uнижн и Uвеpx, вычисленными во время последнего снятия контрольной зависимости. В качестве оптимального принимают значение потенциала подземного сооружения, близкое к значению Uнижн.
Причинно-следственную связь между существенными признаками и техническим результатом можно охарактеризовать следующим образом.
Получение дополнительной информации о параметрах защиты сооружения на границах зоны влияния катодной станции в виде зависимостей потенциалов подземного сооружения от логарифма тока катодной станции позволяет вычислить такое значение потенциала, при котором можно обеспечить эффективную защиту подземного сооружения не только вблизи катодной станции, но и на всем протяжении защищаемого данной станцией участка подземного сооружения. При этом вблизи катодной станции исключается «перезащита» подземного сооружения и возникновение процесса «наводораживания», а на границах влияния катодной станции обеспечивается поддержание потенциала подземного сооружения выше минимально-допустимого значения для данного его участка.
Кроме того, при проведении измерений по предлагаемому способу оценивается возможность обеспечить защиту данного участка подземного сооружения с помощью выбранной катодной станции.
Это снижает вероятность ухудшения защиты в результате того, что один или оба текущих значений выходных параметров катодной станции приняли граничное для данной станции значение.
Заявителем не были обнаружены источники информации о способе, имеющем все отличительные существенные признаки, из чего сделан вывод, что предлагаемое решение отвечает критерию "новизна". Результаты дополнительного поиска показали, что заявляемое решение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, из чего сделан вывод, что предлагаемое решение отвечает критерию "изобретательский уровень".
Сущность заявленного технического решения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показан вид потенциальных кривых (fl, f2, f3), а на фиг.2 - функциональная схема установки для катодной защиты, с помощью которой возможно осуществление предлагаемого способа.
Обозначения, принятые на фиг.1:
Uп - текущее значение потенциала подземного сооружения;
Uверх - верхнее значение потенциала, соответствующее начальной стадии наводораживания;
Uнижн - нижнее значение потенциала, ниже которого отсутствует защита конкретного участка сооружения;
Uмин - минимально допустимое нормированное значение защитного потенциала, принятое в соответствии с ГОСТ 9.602-2005, для стали 0,85 В по абсолютной величине;
log(Iкc) - текущее значение логарифма выходного тока катодной станции;
Iпр.кс - предельное значение выходного тока используемой катодной станции;
Iв - значение выходного тока катодной станции, соответствующее начальной стадии наводораживания;
Iн1, Iн2, Iн3 - значения выходного тока катодной станции, соответствующие минимально допустимому нормированному значению потенциала (-0,85 В) в месте расположения, соответственно, первого (ДП1), второго (ДП2) и третьего (ДП3) датчиков потенциала.
Обозначения, принятые на фиг.2:
1 - катодная станция (КС);
2 - анодный заземлитель (AЗ);
3 - станция слежения (БС);
4 - датчик выходного напряжения катодной станции (ДН);
5 - датчик выходного тока катодной станции (ДТ);
6 - измерительный пункт катодной станции (ИПКС);
7 - датчик потенциала подземного сооружения (ДП);
8 - измеритель потенциала подземного сооружения (ИП);
9, 10 - первый и второй удаленные измерительные пункты (УИП1, УИП2);
11 - центральный приемопередатчик (ЦПП);
12, 13 - первый и второй резидентные приемопередатчики (РПП), связанные с центральным приемопередатчиком (ЦПП) посредством канала связи.
Способ включает в себя чередование контрольного и рабочего циклов. Перед началом эксплуатации, а также периодически во время эксплуатации выполняют последовательность операций, именуемую контрольным циклом, в ходе которого снимают зависимости защитного потенциала от логарифма выходного тока катодной станции, как минимум для трех точек трубопровода. Первая точка расположена в непосредственной близости от катодной станции, а вторая и третья - на границе защитной зоны катодной станции, по одну и по другую от нее стороны вдоль защищаемого трубопровода. В ходе снятия упомянутых зависимостей контролируют также изменение крутизны каждой из них. Результаты всех измерений и сопутствующих вычислений сохраняют в блоке памяти станции слежения (БС).
Контрольный цикл состоит из следующих операций.
1. Переводят КС в режим стабилизации тока.
2. Устанавливают на выходе КС минимальное значение выходного тока Iкс1.
3. Измеряют при установленном токе Iкс1 значения защитных потенциалов U1ДП1, U1ДП2, U1ДП3 в местах расположения датчиков ДП1, ДП2, ДП3 соответственно.
4. Вычисляют логарифм установленного выходного тока [log(Iкc1)].
5. Сохраняют в памяти параметры, соответствующие первой точке для каждой из снимаемых зависимостей.
6. Устанавливают следующее значение выходного тока Iкс2=Iкс1+ΔIкс. Приращение тока (ΔIкс) выбирают из условия, чтобы значение log(ΔIкc) соответствовало приращению защитного потенциала не более чем на 0,03 В.
7. Измеряют новые значения защитных потенциалов U2ДП1, U2ДП2, U2ДП3
8. Вычисляют логарифм установленного выходного тока [log(Iкc2)].
9. Сохраняют в памяти параметры, соответствующие второй точке для каждой из снимаемых зависимостей.
10. Повторяют пункты с 6 по 9, пока очередное значение Iкс не достигнет предельного для данной катодной станции значения, после чего устанавливают минимальное значение выходного тока катодной станции.
11. Используя сохраненное в памяти БС табличное представление снятых зависимостей, определяют
-для зависимости f1 значение тока Iн1, соответствующее условию UДП1=0,85 В
- для зависимости f2 значение тока Iн2, соответствующее условию UДП2=0,85 В
- для зависимости f3 значение тока Iн3, соответствующее условию UДП3=0,85 В
12. Выбирают из ряда Iн1, Iн2, Iн3 наибольшее значение (на фиг.1 это ток Iн3).
13. Определяют для f1 значение защитного потенциала, соответствующее наибольшему току Iн3 (на фиг.1 для зависимости f1 это значение Uнижн).
14. Используя данные таблицы, соответствующие зависимости f1, вычисляют ряд значений параметра V1, характеризующего крутизну зависимости f1.
V1=[Δlog(Iкс)]/ΔUДП=[log(Iкс2)-log(Iкс1)]/[U2ДП1-U1ДП1].
14.Определяют значение защитного потенциала, при котором (V1n+1) существенно больше (V1n), что соответствует точке резкого изменения крутизны зависимости f1 (Uвepx на фиг.1).
15.Значение потенциала Uст, которое необходимо стабилизировать на протяжении интервала времени между контрольными замерами, должно удовлетворять условию:
Uверх>Uст>Uнижн
При этом с целью экономии электроэнергии желательно выбирать рабочее значение потенциала ближе к значению Uнижн.
На фиг.2 представлена функциональная схема одного из вариантов реализации способа. Катодная станция 1 (фиг.2) может быть любой модели, любого производителя, в которой реализованы функции стабилизации выходного тока и стабилизации потенциала подземного сооружения, например, станции типа В-ОПЕ-М производства Ставропольского радиозавода или производства концерна Энергомера, либо станция типа ПК3-АР производства ООО ЦИТ-ЭС г.Саратова.
В качестве анодного заземлителя 2 может быть применен заземлитель типа ОЖТ3-1 производства Ставропольского радиозавода.
Станция слежения 3 может быть реализована на базе микроконтроллера PIC24FJ256GA106.
В качестве датчика напряжения 4 может быть использован резистивный делитель напряжения с коэффициентом передачи не менее 20, состоящий из резисторов типа С2-29 В, мощностью не менее 5 Вт, с номиналами 100 кОм и 5,1 кOм.
В качестве датчика тока 5 может быть применен шунт 75ШИСВ 100А 0.5 ГОСТ 8042-93.
В качестве измерительных пунктов 6, 9, 10 может быть использована стойка контрольно-измерительного пункта СКИП-2 производства Ставропольского радиозавода, оснащенная датчиком потенциала подземного сооружения 7 типа ЭНЭС-1 того же производителя и измеритель потенциала подземного сооружения 8, который может быть реализован на базе микроконтроллера типа PIC24FJ256GA106, инструментальных усилителях типа INA132U, операционных усилителях типа TLC2274, ключах типа CPC1035N, преобразователе напряжения типа МСР1252.
Приемопередатчик 11, 12, 13 может быть реализован на GSM модеме типа WISM0218, микроконтроллере типа PIC24FJ256GA106, преобразователях напряжения LM2621. В качестве канала связи при этом используется канал сотовой связи.
В качестве элементов питания (на схеме не показаны) может быть использована литиевая батарея ER34615 (16,5 А/ч; 3,6 В).
Экспериментальные данные, полученные на трубопроводах Саратовской области, показали, что в зависимости от удаленности, состава, состояния грунта потенциал на удаленном участке может существенно отличаться от потенциала вблизи точки дренажа, например, при значении суммарного потенциала вблизи катодной станции, равном -1.94 В, значение потенциала на расстоянии 3.7 км составляет -0.88 В.
Таким образом, при выполнении условия Uвepx>Uст>Uнижн обеспечивается гарантированная защита сооружения не только вблизи катодной станции, но и на всем протяжении участка трубопровода в пределах зоны, защищаемой конкретной станцией.
При этом периодическая корректировка значения стабилизируемого потенциала, осуществляемая автоматически, позволяет учитывать влияние внешних факторов на состояние изоляции трубопровода.