Концепция повышения энергоэффективности: новый подход к проектированию электрохимической защиты подземных трубопроводов в районах Дальнего Востока

© А.Р. Бакиров, А.Е. Кутырев, 2011

А.Р. Бакиров, А.Е. Кутырев

КОНЦЕПЦИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ: НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В РАЙОНАХ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

Рассмотрена необходимость корректировки положений, определяющих проектирование систем электрохимической защиты (ЭХЗ) магистральных газопроводов в соответствии с политикой повышения энергоэффективности промышленности РФ. Определены резервы и меры по реализации снижения энергопотребления систем ЭХЗ. Показана необходимость расширения нормативных положений по организации анодного заземления (АЗ) в части проведения геофизических изысканий, выбора типа анодных заземлителей для снижения величин сопротивлений АЗ. Предложено на стадии «Проектная документация» проводить анализ энергоэффективности проекта системы ЭХЗ, основывающийся на количестве катодных станций, величинах продольного и переходного сопротивлений трубопровода и сопротивления АЗ. Показана необходимость снижения нормативной величины минимального поляризационного потенциала на объектах Дальнего Востока.

Ключевые слова: энергоэффективность, электрохимзащита, анодные заземления, катодная станция.

Одной из современных концепций развития экономики РФ является повышение энергоэффективности существующих производств. Снижение энергоемкости валового национального продукта позволит увеличить кокурентноспособность российской экономики. Согласно различным оценкам, общий резерв снижения энергозатрат составляет порядка 40 50 %. Поэтому рациональное

использование энергетических резервов во всех отраслях промышленности - жизненно важная проблема РФ.

Данное направление уже отражено в Указе президента РФ от 2008 года «О мерах по повышению энергетической, экологической эффективности российской экономики», принят Федеральный закон № 261-Ф3 от 23 ноября 2009 г. об энергосбережении и повышении энергетической эффективности. Несомненно, разработка различных норм и стандартов, направленных на стимулирование снижения энергопотребления будет продолжено.

На данный момент ОАО «Газпром» эксплуатируется порядка 160 тыс. км трубопроводов, находящихся под электрохимиче-62

ской защитой. При разработке систем ЭХЗ основной задачей является обеспечение надежности и безопасности эксплуатации трубопроводов. Однако, поставленная временем задача требует вести разработку систем ЭХЗ не только с учетом безопасной эксплуатации, но и с учетом минимизации энергетических затрат на катодную защиту.

При проектировании систем ЭХЗ на объектах ОАО «Газпром» действуют следующие нормативные документы: ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии»; СТО Газпром 9.2-003-2009 «Проектирование электрохимической защиты подземных сооружений»; СТО Газпром 9.2-002-2009 «Электрохимическая защита от коррозии. Основные требования». Разработка положений НТД была проведена на основе опыта эксплуатации трубопроводов, большей части, на территории средней полосы России, применением труб с битумным или ленточным покрытием трассового нанесения, на данный момент не применяемых. При этом нельзя не отметить тот факт, что целью последних корректировок нормативной документации было увеличение надежности электрохимической защиты, а такое понятие, как эффективность ЭХЗ трактуется НТД как время нахождение трубопровода в области защитных потенциалов.

Политика повышения энергоэффективности требует пересмотра ряда положений нормативной документации. Проектирование средств ЭХЗ должно проводится с учетом минимализации энергетических затрат на эксплуатацию средств катодной защиты. Также должны более полно учитываться существенное увеличение качества применяемых покрытий и характеристика грунтов в районе пролегания трубопроводов.

В данной статье с учетом вышеизложенного рассматриваются вопросы организации ЭХЗ магистральных трубопроводов, прокладываемых в районах Дальнего Востока в соответствии с развитием новых инвестиционных проектов ОАО «Газпром», таких как «Газоснабжение Камчатского Края», «Магистральный газопровод Сахалин - Хабаровск - Владивосток».

Анализ возможных резервов для уменьшения энергозатрат

ЭХЗ

Потребителями электроэнергии при катодной защите являются анодные заземлители и защищаемый участок трубопровода. Они характеризуются следующим значениями сопротивлений:

RАЗ - сопротивление растекания анодного заземления;

Rт - продольное сопротивление трубопровода;

Rп - переходное сопротивление трубопровода.

Также количество энергозатрат определяется величиной минимального защитного потенциала ит.

Соответственно возможности уменьшения энергозатрат заключены в а) уменьшении величины сопротивления растекания анодного заземления; б) снижении величины минимального защитного потенциала; в) увеличения точек дренажа катодной защиты с целью уменьшение потерь электроэнергии на Rт. Применение указанных мер при организации системы ЭХЗ должно проводиться комплексно. Для этого на стадии разработки «Проектная документация» необходимо включить раздел, содержащий анализ энергоэффективности проекта катодной защиты с целью определить вариант с минимальными затратами электроэнергии при эксплуатации трубопровода.

В дальнейшем вышеизложенные меры снижения энергозатрат рассмотрим более детально.

1. Уменьшение величины сопротивления растекания анодного заземления

Сопротивление растекания АЗ напрямую зависит от величины удельного электросопротивления (УЭС). Согласно данным изыскательских работ, для однотипных грунтов Дальнего Востока и средней полосы России значения УЭС сильно отличаются. Так, торфяники Средней полосы России характеризуются величиной УЭС в диапазоне 20-60 Ом.м (таблица), в зависимости от степени водонасыщенности. Торфы Дальнего Востока при насыщенности 80 % (заболоченная территория) имеют значения порядка 200 Ом.м. Такая же ситуация и с остальными типами грунтов.

Местность пролегания магистрального газопровода согласно геологическим изысканиям состоит из трех слоев. Верхний слой грунта представлен торфами мощностью до 4 метров.

Приближенные значения удельных электрических сопротивлений различных грунтов

Грунт Удельное сопротивление, Ом*м

Возможные пределы колебаний При влажности 10-20% к массе грунта

Глина 8-70 40

Суглинок 40-150 100

Песок 400-700 700

Супесок 150-400 300

Торф 10-30 20

Чернозем 9-53 20

Садовая земля 30-60 40

Далее слой суглинка, мощностью до 1.5 метра, после чего песчаные грунты. При этом суглинок и песчаный грунт чаще всего содержит галечник до 15 %. В ряде случаев торф отсутствует и территория представлена только очень высокоомными грунтами, значения УЭС которых достигает величин порядка 5000 Ом.м. Местами обнаруживается достаточно высокий уровень подземных вод второго горизонта, где величины УЭС снижаются до 30 Ом.м. Наличие первого горизонта (верховодки) вследствие очень низкой минерализации мало влияет на величину УЭС.

Согласно этим данным, анодные заземления должны быть запроектированы глубинного типа в местах наличия второго горизонта подземных вод и подповерхностного типа на близлежащих торфяниках, в зависимости от мощности слоя горизонтального или вертикального расположения. Однако качество проведения изыскательских работ не позволяет проектировать АЗ с наименьшими величинами сопротивления растекания.

Изменить данную ситуацию могло бы наличие нормативного документа по проектированию анодного заземления, определяющего комплекс проведения изыскательских работ, алгоритмами определения типа анодных заземлителей и их количества.

Сопротивление растекания АЗ на данный момент нормируется в СТО Газпром 9.2-003-2009. Согласно которому, RAз должно быть менее 3 Ом для грунтов со значениями УЭС до 500 Ом.м и RAЗ < 10 Ом для грунтов со значениями УЭС более 500 Ом.м. В рамках политики повышения энергоэффективности данные значения имеет смысл пересмотреть в сторону ужесточения. Обеспечение более строгих нормативных величин должно быть обеспечено более высоким качеством изыскательских работ, а также разработкой ком-

плекса мер по искусственному снижению величины УЭС в местах расположения анодного заземления.

В ряде случаев, когда невозможно организовать АЗ с достаточно низкими величинами сопротивления растекания, имеет смысл перенести размещение катодной станции на соседнюю площадку, где наличествуют грунты с более низкими значениями УЭС. Возможность подобного переноса должна быть обоснована в рамках раздела по анализу энергоэффективности проекта катодной защиты.

2. Снижение величины минимального защитного потенциала

Как известно, основной интегральной характеристикой грунтов, определяющей их коррозионную агрессивность, является величина удельного электрического сопротивления (УЭС) [1]. На Дальнем Востоке трасса пролегания газопроводов представлена высокоомными грунтов, имеющих низкую коррозионную агрессивность.

Однако при проектировании систем ЭХЗ магистральных газопроводов требования к параметрам защиты, в частности величины минимального защитного потенциала одинаковы. Учитывая тот факт, что при организации АЗ в высокоомных грунтах величины сопротивления растекания анодных заземлителей более высоки, можно констатировать следующее: при прокладке трубопроводов в грунтах меньшей агрессивности, при проектировании ЭХЗ энергозатраты на защиту от коррозии оказываются выше. Данная ситуация несет в себе элементы абсурда, и должна быть соответствующим образом пересмотрена.

Величина минимального защитного потенциала, равного ит = - 0,85 В (здесь и далее величины приводятся по медносульфатному электроду сравнения) была введена в практику ЭХЗ для защиты подземных стальных трубопроводов Робертом Куном еще в 1928 г. Им было экспериментально доказано, что при такой величине скорость коррозии с практической позиции становится пренебрежимо малой [2]. Однако с теоретической точки зрения данная величина вызывала вопросы.

Красноярским [3] было получено теоретическое соотношение, позволяющее оценивать степень защиты сооружения в зависимости от величины катодного смещения потенциала. Зависимость ве-

личины смещения потенциала от плотности тока коррозии jKoPP описывалась как:

ЛЦп =- 0,059 ^ (Ьорр /¡а),

где - предельно допустимая плотность тока коррозии при катодной защите. Согласно данной формуле, при Лит = -0,1 В скорость коррозии падает до пренебрежимо малых значений.

Однако величина ит = - 0,85 В, зарекомендовавшая себя на практике была гостирована, и проектирование ЭХЗ ведется с учетом именно этого значения. Необходимость поддержания такой величины связан скорее со стандартизацией, унификацией и желанием обеспечить запас надежности. Это значение ит позволило при наличии дефектов большой площади, когда происходит сильное падение величины поляризационного потенциала, обеспечить защиту на данном участке трубопровода. При наиболее распространенном типе дефекта ленточного покрытия - отслоения с открытым устьем [4], обеспечить защиту металлической поверхности во всей зоне дефекта, несмотря на наличие омической составляющей. А также нивелировать погрешности связанные с определением величины поляризационного потенциала и с его автоматическим поддержанием.

В дальнейшем экспериментально было получено, что дальнейшее увеличение смещения потенциала (по модулю) стали в грунте, не приводит к уменьшению скорости коррозии, которая становится независимой от потенциала [5]. Экспериментально определенная величина рядом исследователей считалась избыточной [6], особенно для трубопроводов, проложенных в высокомных грунтах [7]. Организацией ОАО «АК «Транснефть» был принят стандарт РД-91.020.00-КТН-149-06 «Нормы проектирования электрохимической защиты магистральных трубопроводов и сооружений НПС» где в качестве критерия защищенности для грунтов с УЭС более 300 Ом.м принята величина ит = - 0,75 В.

В ОАО «Г азпром» после проведение лабораторных исследований в высоокомных грунтах был принят нормативный документ Р Газпром 9.2-005-2009 «Критерии защищенности от коррозии для участков газопроводов, проложенных в высокоомных (скальных, песчаных, многолетнемерзлых) грунтах», где рекомендованы новые значения защитного поляризационного потенциала. В частности минус 0,75 мВ в грунтах с величиной УЭС от 100 до 1000 Ом и

Рис. 1. Дефект на участке магистрального газопровода «Сахалин - Хабаровск -Владивосток»

минус 0,65 В при значениях УЭС выше 1000 Ом. Однако применение на практике данных значений пока отложено, и проектирование ведется по значениям в соответствии с ГОСТ Р 51164-98.

Необходимость скорейшего введения в практику ЭХЗ данных величин минимального защитного потенциала обусловлено развитием в области проектирования и строительства магистральных газопроводов. При этом можно отметить следующие особенности, влияющие на защиту от коррозии трубопроводов.

Применение на трубах трехслойных покрытий, наносимых в заводских условиях. Соответственно данное покрытие характеризуется высоким качеством нанесения и высокой адгезией. Наличие дефектов обусловлено браком при проведении строительно-монтажных работах (рис. 1). При этом дальнейшее отслоение покрытия от металлической стенки трубы, характерное для ленточных покрытий затрудняется вследствие высокой в е-личины адгезии, что препятствует появлению дефектов, нуждающихся для защиты в более повышенных величинах ит.

При прокладке трубопровода в скальных грунтах, при наличии которых на покрытие оказывается большое механическое воздействие, применяется скальный лист, предохраняющий по-

Рис. 2. Применение скального листа при укладке участка магистрального газопровода «Сахалин - Хабаровск - Владивосток»

крытие (рис. 2). В результате уменьшается вероятность появления дефектов большой площади, либо скопления дефектов. При этом для оценки качества покрытия после засыпки трубопровода в последнее время разработаны и эксплуатируются приборы для определения дефектов трубопроводов с поверхности - С^сап, MoData, ИПИ (искатель повреждения изоляции) и т.д. Это позволяет в самом начале определить дефекты большой площади и принять меры к их устранению.

Также необходимо отметить возросшую точность в поддержании величины поляризационного потенциала трубопровода и его измерения [7].

В заключение хотелось обратить внимание на факт наличия вредного влияния катодной поляризации на защитные свойства покрытия. Как показано разными исследователями при катодной поляризации тока со временем увеличивается пористость всех типов покрытий, снижаются адгезионные свойства и повышается вероятность отслоения защитного покрытия от стальной стенки трубы [8]. И чем сильнее смещение потенциала, тем скорость данных процессов возрастает. В результате избыточная катодная

поляризация способствует появлению так называемой «подпленоч-ной» коррозии.

3. Уменьшение потерь электроэнергии на продольное сопротивление трубопровода

Распределение потенциала и(х) и тока 1(х) на трубопроводе в зависимости от расстояния от точки дренажа согласно закону Ома определяется экспоненциальной зависимостью :

и = и 0 • е -; I = 10 • е - ,

где и0 и 10 - величины потенциала и тока в точке дренажа;

а =

В.Т

---- - постоянная распространения тока. Распределение ве-

Ягг

личины потенциала на трубопроводе схематично приведено на рис. 3. Точками 1 и 2 обозначены катодные станции. При увеличении количества точек дренажа (катодные станции 1', 2' и 3') вследствие равномерного распределения потенциала, получаем экономию электроэнергии.

На данный момент станции КЗ проектируют на площадках линейных объектов магистральных трубопроводов. В случае, если задействовать все площадки, то можно добиться снижения энергозатрат (по схеме 1', 2' и 3'). Ко всему прочему, снижение величин по-

* При условии однородности грунта и состояния изоляции. 70

тенциалов в области точек дренажа способствует уменьшению вредного влияния катодной поляризации на покрытие трубопровода.

Однако при увеличении количества катодных станций соответственно возрастает количество анодных заземлений. В условиях пролегания трубопровода в области высокоомных грунтов, могут существенно возрасти потери электроэнергии на RАЗ. Это определяет необходимость проведения энергетического анализа проекта ЭХЗ с целью выбрать наиболее оптимальный вариант с условием минимума энергетических затрат без потери в надежности катодной защиты трубопровода.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глазов Н.П. Подземная коррозия трубопроводов, ее прогнозирование и диагностика. 1994. - М.:ИРЦ Газпром. 90 с.

2. Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей / Учебное пособие.2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат,2004. - 320 с.

3. Красноярский В.В., Цикерман Л.Я. Коррозия и защита подземных металлических сооружений. - М.: Высшая школа,1968. - 296 с.

4. Шамшутдинова Н.К. Повышение эффективности электрохимической защиты магистральных газопроводов при наличии отслоений изоляционного покрытия. Дис. ... канд. тех. наук. Москва 2009. 115 с.

5. Глазов Н.П. Дис. .д-ра техн. Наук. М.: ВНИИ по строительству магистральных трубопроводов, 459 с.

6. Фрейман Л.И., Прибытко Б.П. // Защита металлов Том 29, № 3, 1993, с.

440.

7. Улихин А.Н. // Коррозия ТНГ. 2010, № 1 (15), с. 18.

8. Зиневич А.И., Глазков В.И., Котик В.Г. Защита трубопроводов и резервуаров от коррозии. - М.: Недра, 1975. шгд=1

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------

Бакиров Альберт Робертович - доктор технических наук, профессор, зав. каф. ЭЭГП, e-mail ARBakirov@rambler.ru Московский государственный горный университет,

Кутырев Алексей Евгеньевич - кандидат химических наук, главный специалист ООО «Газпром инвест Восток», e-mail al_c@inbox.ru