СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКА ВЫВОДА В РЕМОНТ АНОДНОГО ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ
ANODE GROUNDING UNIT MAINTENANCE TIMING PREDICTION TOOL

Изобретение относится к области противокоррозионной защиты подземных трубопроводов, а именно прогнозирования сроков вывода в ремонт анодных заземлителей как элементов установок катодной защиты от коррозии подземных трубопроводов и может, в частности, использоваться при выборе анодных заземлителей для проведения их капитального ремонта.
p
Известен способ прогнозирования срока службы анодного заземлителя T, годы, на стадии разработки проектной документации:
- для глубинных и протяженных анодных заземлений - по формуле:
зк
где G - масса рабочей части заземления в слое грунта, кг.
з
q - скорость растворения материала электродов глубинного анодного заземления, кг/А⋅год.
i
k - коэффициент использования массы заземлителя;
г
k - коэффициент неоднородности грунта;
з.ср
I - средняя сила тока, А, стекающего с заземления, за планируемый период эксплуатации заземления, вычисляемая по формуле:
н
к
где I и I - сила тока, на начальный и конечный периоды планируемого срока работы анодного заземления, А.
(см. СТО Газпром 9.2-003-2009 Защита от коррозии. Проектирование электрохимической защиты подземных сооружений - М.: ОАО «Газпром» - ООО «ВНИИГАЗ», 2009. - с. 23).
Недостатком данного способа является то, что данные используемые для расчета являются теоретическими и после строительства объекта и во время его эксплуатации могут значительно отличаться.
Известен способ оценки технического состояния анодных заземлителей путем измерения сопротивления растеканию анодного тока, заключающийся в установке в грунт измерительного и вспомогательного электродов, подключению электродов и анодного заземления по трехэлектродной схеме к измерительному прибору и проведению измерений сопротивления растеканию анодного заземлителя при протекании переменного тока через токовые электроды (см. Бэкман В., Швенк В. Катодная защита от коррозии: Справ, изд. пер. с нем. - М: Металлургия, 1984. - С. 118-119). Со временем эксплуатации на поверхности анода образуются коррозионные отложения, повышающие сопротивление растеканию тока.
Т.к. сопротивление растеканию анодного тока существенным образом зависит от удельного электрического сопротивления грунта, то критерий вывода в капитальный ремонт анодного заземлителя по значению сопротивления растеканию анодного тока на практике определяют в зависимости от удельного сопротивления грунта.
Недостатком данного способа является недостаточная обоснованность указанного критерия при выводе в ремонт анодного заземлителя. Так, при хорошем состоянии изоляционного покрытия трубопровода для поддержания защитной разности потенциалов «труба-земля» на объекте требуются небольшие значения силы тока. Превышение значений сопротивления растеканию анодного тока в данном случае ведет к необходимости повышения напряжения на выходе станции катодной защиты и не сказывается на показателях защитной разности потенциалов «труба-земля». В таком случае экономически целесообразно продолжать эксплуатацию установки катодной защиты без ремонта анодного заземлителя.
Кроме этого способ не позволяет прогнозировать состояние анодного заземлителя в перспективе.
Задачей изобретения является создание способа, позволяющего с достаточной достоверностью, прогнозировать срок вывода в ремонт анодного заземлителя с учетом дополнительных параметров, таких как сопротивление изоляционного покрытия, величины силы тока и напряжения станции катодной защиты.
Технический результат заключается в расширении арсенала дистанционных способов прогнозирования сроков вывода в ремонт анодного заземлителя при сохранении необходимой точности и достоверности определяемых при осуществлении заявленного способа параметров, на основании которых судят об остаточном ресурсе анодного заземлителя.
R
R
(t)=R
(t-1)-ΔR⋅t
R
(t-1)
t
к
зад
зад
стор
ij
ijm
ij
npI
npI
СКЗ
СКЗ
npU
СКЗ
npU
Поставленная задача решается тем, что выбирают анодный заземлитель назначают критериальное значение параметра, при достижении которого определяют необходимость вывода в ремонт, периодически измеряют указанный параметр, сравнивают измеренное значения с критериальным отличающийся тем, что периодически измеряют в трассовых условиях или при помощи установленного оборудования дистанционного коррозионного мониторинга и накапливают информацию по силе тока и напряжение на выходе станции катодной защиты, работающей в паре с выбранным анодным заземлителем, при помощи периодических измерении накапливают информацию по величине защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа данной станции катодной защиты, временно на небольшой промежуток времени изменяют режимы работы станции катодной защиты для нахождения коэффициента ее влияния на величину защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа один раз в год по формуле , определяют среднее значение изменения коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» за период в один год по формуле , определяют среднее значение изменения нагрузки станции катодной защиты за период в один год , где  = 3,84, изменяют режимы работы станции катодной защиты, таким образом, чтобы измеренное значение защитной разности потенциалов «труба-земля» на стыке зон защиты данной станции и смежных станций был равен -0,9В, при данном режиме работы станции катодной защиты измеряют значение защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа, прибавляют к данному значению 0,1В и находят защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа которую необходимо поддерживать для гарантированного обеспечения защищенности всего участка φ, защищаемого данной станцией катодной защиты, рассчитывают необходимое смещение потенциала, которое необходимо поддерживать, с учетом сторонней разности потенциалов в точке Δφ=φ-φ, определяют прогнозное значение коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа по формуле, A=A-(ΔA⋅t) где t - прогнозируемый период достижения предельных значений по силе тока станции катодной защиты в годах, рассчитывают прогнозное значение силы тока станции катодной защиты во времени , вычисляют значение напряжения на выходе станции катодной защиты во времени с учетом вычисленных значений силы тока станции катодной защиты по формуле , изменение входного сопротивления станции катодной защиты, которое определяют по формуле , где  - значение сопротивления СКЗ в предыдущий момент времени,  - прогнозируемый период достижения предельных значений по напряжению СКЗ в годах, на основании данных вычислений определяют срок вывода в ремонт анодного заземлителя, как срок достижения предельных параметров работы станции катодной защиты по силе тока или напряжению на выходе станции катодной защиты.
На фиг. 1а представлен график прогнозируемого изменения силы тока СКЗ во времени.
На фиг. 1б представлен график прогнозируемого изменения напряжения СКЗ во времени.
Оценка остаточного ресурса анодного заземлителя, предлагаемым способом осуществляют следующим образом.
i
j
Выбирают анодный заземлитель, для которого необходимо оценить остаточный ресурс, заключающийся в определении срока, после которого установка катодной защиты, в состав которой входит анодный заземлитель, не будет обеспечивать необходимое значение защитной разности потенциалов «труба-земля» на защищаемом участке при максимальных режимах работы станции катодной защиты и потребуется замена анодного заземлителя. Производят измерение выходных параметров станции катодной защиты, таких как сила тока и напряжение на выходе станции катодной защиты. По данным систем дистанционного коррозионного мониторинга или по данным периодических замеров специалистов эксплуатирующих организаций собирают статистику изменения выходных параметров станции катодной защиты и изменение значения защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа за период в один год. Один раз в год изменяют режимы работы станции катодной защиты, увеличивая значения выходного тока и производят замеры защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа станции катодной защиты. По полученным данным определяют коэффициент влияния силы тока станции катодной защиты на величину защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа за период в один год, коэффициент влияния данной станции катодной защиты находят по формуле , где Δφ - изменение потенциала в i-й контрольной точке, В, ΔI - изменение силы тока j-станции защиты, влияющей на потенциал в i-й контрольной точке, A, j=1;2; …n, j - номер станции защиты, i - номер контрольной точки, подверженной влиянию j-й станции защиты.
Определяют среднее значение изменения коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» за период в один год по формуле ,
ijн
где A - коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» в начальный период времени измерения данных,
изм
t - период между измерениями, год.
Определяют среднее значение изменения сопротивления нагрузки СКЗ за период в один год по формуле ,
н
где R - значение изменения сопротивления нагрузки СКЗ в начальный период времени.
зад
зад
стор
ij
ijm
ij
npI
npI
СКЗ
СКЗ
npU
СКЗ
Изменяют режимы работы станции катодной защиты, таким образом, чтобы измеренное значение защитной разности потенциалов «труба-земля» на стыке зон защиты данной станции и смежных станций был равен -0,9В, при данном режиме работы станции катодной защиты измеряют значение защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа, прибавляют к данному значению 0,1В и находят защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа которую необходимо поддерживать для гарантированного обеспечения защищенности всего участка φ, защищаемого данной станцией катодной защиты, рассчитывают необходимое смещение потенциала, которое необходимо поддерживать, с учетом сторонней разности потенциалов в точке Δφ=φ-φ, определяют прогнозное значение коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа по формуле, A=A-(ΔA⋅t) где t - прогнозируемый период достижения предельных значений по силе тока станции катодной защиты в годах, рассчитывают прогнозное значение силы тока станции катодной защиты во времени , вычисляют значение напряжения на выходе станции катодной защиты во времени с учетом вычисленных значений силы тока станции катодной защиты по формуле , изменение входного сопротивления станции катодной защиты, которое определяют по формуле R(t)=R(t-1)-ΔR⋅t, где R(t-1) - значение сопротивления СКЗ в предыдущий момент времени.
зад
зад
стор
ij
Строят графики изменения коэффициентов влияния станции катодной защиты на величину защитной разности потенциалов «труба-земля» во времени и находят величины этого изменения. Строят графики изменения нагрузки станции катодной защиты во времени , и определяют его численное значение за период на основании статистических данных. Определяют необходимую величину защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа ϕ при которой гарантированно обеспечивается защищенность во всех точках защищаемого участка, а также необходимое смещение защитной разности потенциалов «труба-земля» с учетом сторонней разности потенциалов в точке Δφ=φ-φ. Определяют прогнозные значения силы тока станции катодной защиты во времени по формуле , где A - коэффициенты влияния силы тока станции катодной защиты на защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа в прогнозируемый момент времени. Определяют срок достижения предельных параметров по току, напряжению и мощности станции катодной защиты при достижении которых станция катодной защиты не сможет обеспечивать необходимое смещение защитной разности потенциалов «труба-земля». Делают вывод о необходимости проведения ремонта анодного заземлителя до срока достижения предельных параметров работы станции катодной защиты по силе тока или напряжению на выходе станции катодной защиты.
Пример 1.
Установка катодной защиты №26 мощностью 1 кВт и с номинальными значениями по силе тока 21 А и по напряжению 48 В, обеспечивает электрохимическую защиту от коррозии на участке магистрального газопровода км 225 - км 252 по состоянию на 01.01.2018 г. По результатам сезонных замеров специалистами службы защиты от коррозии эксплуатирующей организации установлено, что защитная разность потенциалов «труба-земля» находится в пределах диапазона регламентированного ГОСТ Р 51164-98. При этом специалистам службы защиты от коррозии эксплуатирующей организации необходимо спрогнозировать срок вывода в ремонт анодного заземлителя, входящего в состав данной установки катодной защиты, для составления графика проведения его ремонта и, при необходимости, включения затрат на проведение его ремонта в план на ближайшие годы.
За период времени с 01.01.2014 г. по 01.01.2018 г. имеется статистика о выходных параметрах станции катодной защиты (СКЗ), входящей в состав установки катодной защиты №26, таких как сила тока и напряжение, а также данные о показателях защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа данной станции.
зад
Изменяют режимы работы СКЗ, таким образом, чтобы измеренное значение защитной разности потенциалов «труба-земля» на стыке зон защиты данной станции и смежных СКЗ №25 и №27 был равен -0,9В, при данном режиме работы станции катодной защиты измеряют значение защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа, который равен -1,4В, прибавляют к данному значению 0,1В и находят защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа которую необходимо поддерживать для гарантированного обеспечения защищенности всего участка ϕ.
Необходимое смещение защитной разности потенциалов «труба-земля» с учетом сторонней разности потенциалов в точке дренажа определяют по формуле:
зад
стор
Δφ=φ-φ,
стор
где φ - сторонняя разность потенциалов в точке дренажа, определяемая согласно методике, описанной в патенте №2659543, которая включает в себя значение собственного потенциала металла трубопровода в данной точке и величину ч смещения защитной разности потенциалов смежными СКЗ и равная для данных условий -0,6 В,
Δφ=-1,5-(-0,6)=-0,9В.
Необходимое смещение защитной разности потенциалов «труба-земля» зависит от силы тока на выходе СКЗ и от коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа:
СКЗ
ij
Δφ=IА,
СКЗ
где I - сила тока на выходе СКЗ, А,
ij
A - коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа.
Определяют значения коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа в период с 2014 года изменяя силу тока на выходе станции катодной защиты и фиксируя значение защитной разности потенциалов «труба-земля» в точке дренажа станции катодной защиты, рассчитывая по одному коэффициенту за год по формуле  (таблица 1). При использовании системы дистанционного контроля и мониторинга параметров, для более точного нахождения значения коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа, необходимо выбирать данные из массива с приблизительно одинаковой датой их измерения.
Определяют изменение коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» во времени, по формуле
ijн
где A - коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» в начальный период времени измерения данных,
изм
t - период между измерениями, год.
ij
Данные для расчета ΔA приведены в таблице 1.
Определяют прогнозные значения силы тока станции катодной защиты во времени (таблица 1), необходимые для поддержания заданной разности потенциалов «труба-земля» исходя из условий, что коэффициент влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» снижается во времени с определенной ранее зависимостью, по формуле
ij
где A - прогнозируемое значение коэффициента влияния силы тока СКЗ на защитную разность потенциалов «труба-земля» определяемое по формуле
ij
ijm
ij
npI
A=A-(ΔA⋅t).
npI
где t - прогнозируемый период достижения предельных значений по силе тока СКЗ, год.
ij
При получении отрицательного значения A необходимо увеличить период измерения.
Определяют, в каком году прогнозируемое значение силы тока СКЗ превысит номинальное значение, то есть при максимальных режимах работы СКЗ по силе тока не будет обеспечиваться защитная разность потенциалов «труба-земля» в точке дренажа и соответственно на всем участке магистрального газопровода (таблица 1, фиг. 1а).
Выходное сопротивление СКЗ по времени рассчитывают по формуле
Для расчета срока достижения предельных режимов СКЗ по напряжению необходимо знать изменение входного сопротивления СКЗ, которое определяется по формуле:
СКЗ
СКЗ
npU
R(t)=R(t-1)-ΔR⋅t,
CKЗ
где R(t-1) - значение сопротивления СКЗ в предыдущий момент времени, Ом.
npU
где t - прогнозируемый период достижения предельных значений по напряжению СКЗ, год.
ΔR - изменение входного сопротивления СКЗ за промежуток времени определяют на основе анализа исходного массива данных, по формуле:
Данные для расчета ΔR приведены в таблице 1.
Напряжение на выходе станции СКЗ во времени определяется по закону Ома, преобразованному для конкретной задачи, с учетом вычисленных значений силы тока СКЗ:
По полученным значениям строятся графики прогноза изменения силы тока и напряжения СКЗ (фиг. 1б), по которым делается вывод о сроке достижения предельных режимов, связанным с техническим состоянием анодного заземлителя, растворение которого приводит к увеличению параметров на выходе СКЗ. Превышение номинального параметра силы тока СКЗ наступит в 2030 году, а превышение номинального параметра напряжения СКЗ наступит в 2029 году. Соответственно, данный срок (2029 год) принимается как критический для проведения ремонта анодного заземлителя и специалисты службы защиты от коррозии делают вывод, что техническое состояние анодного заземлителя удовлетворительное, отсутствует необходимость закладывать средства на ремонт данного анодного заземлителя в ближайшее время.