СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛА СТАЛЬНОЙ ТРУБЫ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА
METHOD REDUCING RATE OF METAL CORROSION OF STEEL PIPELINE

Область техники: транспорт, трубопроводный транспорт.
Изобретение относится к области защиты подземных сооружений от коррозии и может быть использовано при выборе времени плановых отключений станций катодной защиты (СКЗ) трубопроводов и подземных металлических сооружений различного назначения.
Известна автоматическая катодная установка, при осуществлении работы которой реализуется способ автоматического поддержания защитного потенциала участков газопроводов, подверженных коррозионным воздействиям (см. Авт. свид. SU №146628, кл. 48d.6, опубл. 1962 г.).
Известен способ регулирования параметров катодной защиты участков подземных трубопроводов, где предложено при подборе и поддержании выбранного потенциала катодной защиты руководствоваться результатами специальных дополнительных измерений вольт-амперной характеристики (см. Авт. свид. RU №2327821, кл. C23F 13/04, опубл. 10.02.2008). Недостатком этого способа является то, что из-за технологической необходимости плановых, в том числе продолжительных (по ГОСТ Р 51164-98: до 72 часов в квартал и до 10 суток в год) отключений катодной защиты, не принимается во внимание возможность наработки за время отключения аномально высокой величины коррозии, при наличии во время регулярных мировых геомагнитных бурь дополнительного вида теллурических токов - "Геомагнитно-индуцированных токов - ГИТ", величина которых в сотни раз превосходит теллурические токи спокойного гелиогеофизического периода.
Задачей предлагаемого технического решения является сохранение электрохимической (катодной) защиты в периоды аномально сильного воздействия теллурических токов во время их спорадического возрастания в возмущенные геофизические периоды.
Поставленная задача в Способе уменьшения скорости коррозии металла трубы трубопроводного транспорта, включающем организационно-информационные мероприятия по обеспечению эксплуатационников станций катодной защиты гелиогеофизической информацией текущего и прогностического характера, РЕШАЕТСЯ ТЕМ, что подбор (выбор) периодов для технологических плановых отключений станций катодной защиты (СКЗ) осуществляют по данным прогноза степени геомагнитной возмущенности (на основе наблюдений за текущей активностью Солнца), в основном, о времени начала, длительности и интенсивности предстоящей мировой магнитной бури (ее главной фазы и фазы восстановления), а также периодов послебуревого-рекуррентного возрастания интенсивности потоков корпускулярных высыпаний в ионосферу из радиационных поясов Земли ("Антикоррозионного прогноза").
Существенным отличительным признаком заявленного нами технического решения является целенаправленное сохранение подачи потенциала катодной защиты в указанные периоды геомагнитного возмущения, в его любом, рекомендуемом действующими Правилами, нормами и другими руководящими документами, виде. Это обеспечивает достижение цели Способа - увеличение долговечности трубопроводного транспорта и экономии денежных средств на приобретение и замену труб, вышедших из строя в результате коррозии.
Вышеприведенный существенный отличительный признак нам был неизвестен из общедоступных источников патентной и научно-технической информации, более того о необходимости соблюдения этого режима выключения СКЗ нет упоминания в руководящих документах. Поэтому мы считаем, что заявленное нами техническое решение соответствует условию патентоспособности "Новизна".
Приведенный выше существенный отличительный признак для специалистов в данной области явным образом не следует из уровня техники, поэтому мы считаем, что заявленное нами техническое решение соответствует условию патентоспособности "Изобретательский уровень".
Учитывая общепризнанность полезности использования СКЗ для уменьшения коррозионных эффектов, мы можем утверждать, что описываемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "Промышленная применимость"
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами в нижеследующем тексте (частично опубликованном в статье С.В.Авакяна и Н.А.Воронина "Космический дирижер коррозии. Как продлить срок службы трубопроводных систем?", журнал "Нефть России", 2010, №4, с.82-85):
Россия вторая страна в мире (после США) по протяженности трубопроводов различного назначения и первая по их изношенности [1]. Ниже представлен анализ причин такой изношенности, и предлагается, что надо сделать, чтобы прекратить аномально быструю коррозию российских трубопроводов.
В [2] рассмотрены перспективы увеличения продолжительности "жизни" трубопроводных систем нефтегазового комплекса страны, что признается сейчас важнейшей научной, технической и экономической задачей. Действительно, нефтегазодобыча и переработка являются одним из основных стратегических приоритетов социально-экономического развития России.
Угрозой здесь являются разрывы труб из-за таких неблагоприятных природных факторов как: «геодинамическая активность недр, разломы, эманации глубинных агрессивных газов, и наконец, магнитные и электрические поля, приводящие к коррозии металла [3]». Последняя проблема встает на первый план уже несколько десятилетий из-за старения трубопроводных систем. Срок службы газопроводов определен в 33 года, и сейчас этот возраст достигнут почти для 20% трубопроводов Газпрома и еще больше для нефтепроводов. При этом более 30-40% аварий на газопроводах связывается с наружной коррозией металла труб (коррозией растрескивания под напряжением [4]), и эта стресс-коррозия стала последние годы одной из наиболее серьезных причин разрывов на магистральных газопроводах [5], в то же время она наименее изучена.
Количество аварий в России на подземных трубопроводах различного назначения РФ согласно данным МЧС ежегодно увеличивается в геометрической прогрессии [1], и при этом коррозия, как природный фактор аварийности, - одна из основных причин аварий как на нефте- и газопроводах, так и на водоводах [6]. Данные показатели для России в разы превышают западноевропейские. Так, на российских трубопроводах из-за коррозионных процессов относительная частота отказов составляет в среднем около 30% от их полного числа, а в Западной Европе вдвое меньше - примерно
15% [7]. Коррозионные повреждения отечественных трубопроводов начинают появляться уже спустя 5-10 лет с начала их эксплуатации, приводя к резкому нарастанию частоты отказов, а в Западной Европе это происходит после 25-30 лет эксплуатации. Но такие сроки и являются нормальными с точки зрения материаловедения, ведь плановые сроки службы магистральных газопроводов составляют сейчас 33 года [3].
Итак, на современном этапе развития нефтегазотрубопроводных систем самой актуальной является задача увеличения их долговечности и безопасности (в том числе в экологическом аспекте). Покажем, что эта задача для отечественных магистральных нефтегазотрубопроводов не может быть решена без определенных организационно-информационных разработок, направленных на учет Космической погоды при их эксплуатации.
Действительно, зарубежные специалисты-космофизики из Северной Европы, Северной Америки, Австралии давно работают по заказу владельцев своих больших трубопроводных и электрических систем. Основное внимание при этом уделяется созданию моделей воздействия эффектов мировых магнитных бурь на магистральные трубопроводы и большие электрические сети. Помимо коммерческого приложения такие работы имеют строгое научное обоснование в рамках Европейской программы COST 724 "Развитие научных основ для мониторинга, моделирования и предсказания Космической погоды" с участием представителей России. От ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова национальным представителем в этой программе являлся один из авторов статьи (С.В.Авакян). При обосновании постановки работ по данной программе большое внимание уделялось как раз влиянию Космической погоды, прежде всего солнечных вспышек и геомагнитных бурь, на технологические системы, включая коррозию трубопроводов, когда станции катодной защиты выходят из строя или отключены [8]. Основным элементом такого воздействия являются геомагнитно-индуцированные токи (ГИТ) (входящие в разряд теллурических токов), генерируемые при достаточно сильных геомагнитных бурях на наибольшей части территории России. Существующий поход здесь состоит в том, что ни теллурические токи, ни тем более ГИТ'ы даже не упоминаются в действующих ГОСТ'ах [9, 10]. Это согласно результатам нашего анализа и является в основном источником тех промахов в эксплуатации трубопроводов, которые привели к их аномально скоротечному коррозионному износу.
р
Действительно, каждый год наблюдается до 50-100 сильных геомагнитных бурь с величиной планетарного индекса геомагнитной активности Кр, равной 6 и более [11]. При этом эффекты бури проявляются уже на геомагнитных широтах 50°, что соответствует линии, проходящей южнее Братска, Новосибирска, Тулы. Вся территория к северу от этой линии охвачена бурей, включая зону полярных сияний Примерно одна, еще более сильная геомагнитная буря (с К, равным 7 и выше), происходит раз в 10-15 дней и тогда уже практически вся Россия подвержена ее влиянию.
Таким образом, как правило, в среднем происходит каждую неделю как минимум по одной большой буре. Одним из главных проявлений мощных магнитных бурь является вторжение потоков энергичных корпускул в ионосферу Земли на средних и высоких широтах. Эти корпускулы (в основном электроны, а также протоны) высыпаются из радиационных поясов и прямо из магнитосферы и производят сильную добавочную ионизацию в верхних слоях атмосферы, являющуюся причиной генерации ГИТов.
Под влиянием высыпающихся во время геомагнитных бурь электронов образуются ионосферные токовые системы, которые в свою очередь и создают геомагнитно-индуцированные токи как в земной поверхности, так и в различных проводящих системах, расположенных над и в грунте (почве). Именно поверхностное электрическое поле является источником ГИТов, протекающих и по трубопроводам различного назначения.
В период типичной мировой магнитной бури наиболее сильные возрастания потоков электронов килоэлектронвольтных энергий на умеренных и высоких геомагнитных широтах происходят в главную фазу бури (в течение двух-четырех часов) и на фазе восстановления, когда фиксируются рекуррентное возрастание, иногда до наивысших уровней, в течение десятков часов. Согласно [12] последействие геомагнитной бури в виде ГИТ'ов на газопроводе в Якутске продолжается после главной фазы на этапе рекуррентных возрастаний высыпаний электронных потоков [13] еще сутки-двое. Усиления высыпающихся в ионосферу электронных потоков (и как следствие - ГИТов) в опасные для дополнительной коррозии фазы магнитной бури происходят в 300 раз и более, при этом в главную фазу такие изменения идут очень быстро [14, 15], рис.1. Внезапные появления и затухания мощных сияний в верхней атмосфере в главную фазу магнитной бури наблюдались и космонавтами [16]. Такие всплески ведут к мгновенным изменениям потенциалов, что особенно опасно влияет на электрохимическую коррозию. Следовательно, отключения катодной защиты во время магнитной бури даже на одни сутки способно увеличить почти вдвое годовой эффект электрохимической коррозии трубопровода. В то же время основной отечественный нормативный документ ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии» так разрешает отключение катодной защиты трубопроводной системы, функционирующей в рабочем состоянии:
"5.2 Перерыв в действии каждой установки систем электрохимической защиты допускается при проведении регламентных и ремонтных работ не более одного раза в квартал (до 80 ч). При проведении опытных или исследовательских работ допускается отключение электрохимической защиты на суммарный срок не более 10 суток в год". За такой срок могут произойти две или более мировые магнитные бури, при этом повышенные в сотни раз ГИТ'ы будут воздействовать на трубопровод с отключенной системой катодной защиты несколько суток. За эти периоды на несколько годовых (плановых) норм возрастает электрохимическая стресс-коррозия.
Поскольку интенсивность потока высыпающихся электронов сильно меняется с широтой, увеличиваясь от средних к высоким широтам зоны полярных сияний, рис.1а, б, то величины электрического поля и индуцированных токов наиболее значительно меняются именно для трубопроводов меридионального направления. При этом ГИТ'ы могут достигать сотен ампер. Согласно [2] аварийность выше более чем в 3 раза на магистральных газопроводах, чем на нефтепроводах АК "Транснефть". Следует при этом отметить, что более половины нефтепроводов и около 50% газопроводов находятся в эксплуатации больше чем 25 лет [7], а около 15% из них - сверх норматива в 33 года [2].
Поэтому нами предлагается посредством предупреждения эксплуатационников трубопроводных систем о мировых магнитных бурях, как периодах особо интенсивной коррозии, привести реальные скорости коррозии на отечественных трубопроводах различного назначения к зарубежным нормам. Для этого предусматривается:
1) Прогноз за двое суток периодов возрастания воздействия ГИТ'ов (во время магнитных бурь) на процесс коррозии;
2) Определение "окон спокойствия" для проведения тестов и ремонта с технологическим отключением СКЗ.
Наблюдения на северо-востоке Австралии [8] за скоростью геомагнитно-индуцированной коррозии газовых магистралей показали, что в отсутствие электрохимической защиты требуется в 4 раза чаще менять трубы, а по зарубежным оценкам стоимость одного километра самой трубы для магистрального газопровода превышает 2 млн. долларов.
Реальное отключение катодной защиты на суммарный период в одни сутки во время геомагнитной бури действительно может привести к "годовому эффекту коррозии" в квартал. Для этого достаточно отключить СКЗ на период действия одной мировой бури, включая период рекуррентных возрастаний интенсивности корпускулярных высыпаний из радиационных поясов. В течение года это как раз приводит к четырехкратному усилению скорости коррозии по сравнению со скоростью при штатной работе станций катодной защиты, что и было получено в австралийском эксперименте.
Предлагаемый здесь учет ГИТов при использовании и эксплуатации станций катодной защиты важен не только для нефтегазопроводов, но и везде, где применяется такая электрохимическая защита:
- на предприятиях коммунального хозяйства, обслуживающих городские коммуникации, трубопроводы тепловых и газовых сетей;
- на предприятиях химического, энергетического и промышленного комплекса, в других организациях, имеющих металлические коммуникации в области почв с повышенной электрохимической активностью.
Но для магистральных газопроводов, особенно меридионального направления, настоящее предложение наиболее актуально, прежде всего из-за повышенной взрывоопасности при аварийных ситуациях.
Выводы:
1) Показаны возможные причины сверхнормативного (до нескольких раз) увеличения скорости коррозии отечественных трубопроводных систем (при функционировании станций катодной защиты по регламенту действующих ГОСТов),
2) Предложены меры по исключению незапланированных эффектов коррозии через введение ограничений на регламентные отключения станций катодной защиты по геофизическим показаниям (во время геомагнитной бури) и использование при аварийных работах специального почасового графика (с учетом экстремальных вариаций интенсивности корпускулярных высыпаний в главную фазу магнитной бури).
При опубликованном в изложенной здесь части нашей статье подходе получаемый результат достигается не только благодаря соблюдению определенного порядка деятельности (в виде оптимизации работы существующих станций катодной защиты), но и установлению новых правил этой деятельности в виде получения (обобщения) новой информации (о гелиогеофизической активности) для данного вида деятельности - защиты трубопроводных систем от коррозии, и ее учета в эксплуатации СКЗ, что обеспечивает улучшение - ограничение контакта рабочего органа (металла трубы) со средой (теллурическими токами в их геомагнитно-индуцированной части), и что, в свою очередь, ведет к предотвращению быстрой коррозии. Можно также констатировать, что вне зон действия блуждающих токов постоянная включенность СКЗ не привносит ощутимого антикоррозийного эффекта. Так что "Антикоррозийный прогноз" возможно использовать в целях экономии энергоресурсов, для включения СКЗ только в периоды геофизических возмущений и прежде всего периоды буревых и послебуревых (рекуррентных) высыпаний корпускул из радиационных поясов Земли.
Для реализации способа на рис.2а представлена схема действий, применяемая в настоящее время, согласно ГОСТ Р51164-.98, т.е. до внедрения нашего изобретения и, рис.2б, после его использования при управлении станциями катодной защиты. Таким образом, при выборе благоприятных периодов плановых отключений СКЗ уменьшение полной скорости коррозии за квартал может достигнуть двух раз, а за год - более 4-х раз без каких-либо технических переделок всех элементов (составных частей) электрохимической защиты, а лишь через введение новых принципов при выборе режима эксплуатации в периоды времени, совпадающие с гелиогеофизическими возмущениями, и прежде всего с периодами буревых и послебуревых (рекуррентных) высыпаний корпускул из радиационных поясов Земли.
Литература
1. Бобылев Л. Если в трубе прорыв… Нефть России, 2000, №12, с.40-42.
2. Иванцов О.М. Как продлить "жизнь" трубопроводных систем. Нефть России, №10, 2000, 48-51.
3. Рокитянский Я.Г. Судьбоносные загадки нефтегазовой отрасли. Беседа с директором Института проблем нефти и газа РАН академиком А.Н.Дмитриевским. Вестник РАН. 78, 8, 2008, с.704-711.
4. Петров Л.Н. Коррозия под напряжением. Киев. Вища школа. 1986, 142 с.
5. Безопасность России. Безопасность трубопроводного транспорта. Под научн. ред. Мазур И.И., Иванцова О.М. М.: МГФ Знание, 2002, 749 с.
6. Орлов В., Чечиков И. Разработка программ комплексного страхования крупных предприятий нефтедобычи. Нефть России, 2005, №9, с.75-77.
7. Варфоломеева Л. Информационные технологии на службе нефтегазовой отрасли России. Нефть России, 2004, №9, с.24-25.
8. Rodgers D.J., Murphy L.M., Dyer C.S. Benefits of a European Space Weather Programme, ESWPS-DER-TN-0001, Issue 2.1, Dec. 2000, 35 pp.
9. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии.
10. ГОСТ ИСО 9.602-2005. Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии.
11. S.E.C. User Notes, NOAA. 2000. Issue 28, 7 pp.
12. Муллаяров В.А., Козлов В.И., Григорьев Ю.М., Ромащенко Ю.А. Индуцированный в газопроводе ток от большого магнитного возмущения 21.01.05. Наука и образование, 2006, №1 (41), с.53-55.
13. Соколов С.Н. О связи изменений электронной концентрации в среднеширотной нижней ионосфере с интенсивностью кольцевого тока. - Геомагнетизм и аэрономия, 1987, Т.27, №3, с.388-392.
14. Авакян С.В., Болгарцева М.П., Ефремов А.И., Кринберг И.А., Кулаков А.П., Петров B.C., Подмошенский А.Л., Прибыловский И.М., Сазонов Г.В., Шаулин Ю.Н. Потоки электронов во время магнитной бури 14-15 декабря 1970 г. по данным ИСЗ «Космос-381» // Исследования по геомагнетизму и аэрономии. 1974. Вып.32, с.158-161.
15. Авакян С.В., Вдовин А.И., Пустарнаков В.Ф. Ионизирующие и проникающие излучения в околоземном космическом пространстве. Справочник / СПб:. Гидрометеоиздат, 1994, 501 с.
16. Лазарев А.И., Коваленок В.В., Авакян С.В. "Исследование Земли с пилотируемых космических кораблей", Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987, 399 стр.
17. Авакян С.В., Афанасьев И.М., Богданов В.Г., Борткевич С.В., Воронин Н.А., Ефремов А.И. и др. "Исследования в ГОИ рентгеновского и крайнего УФ излучения Солнца", Оптический журнал, 2008, №12, с.31-39.
18. Avakyan S.V., Andreev E.P., Afanas'ev I.M., Leonov N.B., Savushkin A.V., Serova A.E., Voronin N.A. "Creating of the permanent Space Patrol of ionizing solar radiation", In: "Innovative Telescopes and Instrumentation for Solar Astrophysics", Editors S.L. Keil (NSO, USA) and S.V. Avakyan (SOI, Russia), Proc SPIE. 2002. V.4853. P.600-611.