Устройство контроля и коммутации электродов сравнения
DEVICE FOR CONTROL AND SWITCHING OF REFERENCE ELECTRODES

Изобретение относится к области электрохимической защиты наземных и подземных сооружений от коррозии (ЭХЗ) и предназначена для катодной защиты днищ наземных стальных вертикальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. Изобретение также может быть использовано для катодной защиты технологических трубопроводов, резервуаров и иных подземных емкостей.
Защита сооружения от коррозии с помощью катодной поляризации заключается в предотвращении окисления атомов металла на его поверхности. Этого удается добиться, если сместить потенциал защищаемого металла относительно грунта на достаточную величину в катодную область. На сколько надо сдвинуть потенциал в отрицательную область, чтобы подавить реакцию окисления металла, зависит от условий, в которых протекает коррозия. Потенциал «металл - грунт» относится к классу электродных потенциалов, которые устанавливаются самопроизвольно на любой границе металла со средой. Абсолютное значение этого потенциала определить нельзя. Его измеряют по отношению к некоторому принятому электроду сравнения, потенциал которого достаточно стабилен. В технике катодной защиты используют насыщенный медно-сульфатный электрод.
При смещении потенциала защищаемого сооружения в отрицательную область, т.е. в катодную сторону, подавляются реакции окисления, и существенно замедляется скорость коррозии. В зависимости от состава среды и других условий для достижения одного и того же эффекта подавления коррозии требуется различная величина смещения потенциала. Поэтому в практике защиты подземных сооружений существует так называемое минимальное значение защитного потенциала. Это значение выбирают исходя из условий эксплуатации сооружения по справочным данным. На всем протяжении трубопровода или на всей поверхности защищаемого сооружения потенциал должен быть отрицательнее принятого минимального значения.
Катодную поляризацию трубопровода осуществляют с помощью подвода постоянного тока от источника питания - станции катодной защиты (СКЗ). Одним проводом СКЗ соединена с трубопроводом, а другим - с анодным заземлителем.
Известна схема катодной защиты подземных металлических сооружений, включающая защищаемое сооружение - трубопровод, регулируемый источник постоянного тока, соединительный провод и анодное заземление (см. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров. Учебник. - М.: Недра, 1978 г. Авторы: Дизенко Е.И., Новоселов В.Ф., Тугунов П.И., Юфин В.А., с. 113 -117). Отрицательный полюс источника постоянного тока подключают к защищаемому сооружению - трубопроводу, положительный полюс - к искусственно созданному аноду - заземлителю.
Для обеспечения эффективной защиты необходимо, чтобы на всем протяжении защищаемого участка трубопровода или на всей поверхности защищаемого сооружения сохранялся достаточный для подавления коррозионных процессов катодный потенциал.
При этом по мере удаления от точки токоотвода (дренажа - места где «минусовой» провод от СКЗ приваривается к сооружению (резервуару)) катодный потенциал уменьшается. Зоной защитного действия будет являться область по обе стороны от токоотвода, в которой потенциал защищаемого сооружения по отношению к грунту будет отрицательнее принятого значения защитного потенциала. Самый высокий катодный потенциал, т.е. самое отрицательное его значение, будет на участке защищаемого сооружения, находящемся на против анода.
Таким образом, в случае большой протяженности трубопровода или большой площади днища резервуара известная система катодной защиты будет недостаточно эффективна т.к. для защиты используется единственный анод.
Для повышения эффективности использования установок катодной защиты используется схема подключения нескольких анодных заземлений к одной катодной станции. Каждое заземление при помощи соединительного кабеля подключают к катодной станции.
Из уровня техники известна система электрохимической защиты (ЭХЗ) днища вертикального стального резервуара (РВС) с применением нескольких горизонтальных протяженных анодных заземлений (см. РД-91.020.00-КТН-149-06 «НОРМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ И СООРУЖЕНИЙ НПС», регламентирующих требования к электрохимической защиты магистральных нефтепроводов, технологических и вспомогательных трубопроводов нефтеперекачивающих станций (НПС), резервуаров и резервуарных парков, а также причальных сооружений морских терминалов).
Для контроля остаточной скорости коррозии и уровня защитных потенциалов на днище РВС в известной системе ЭХЗ предусмотрена установка датчиков коррозии, неполяризующихся и биметаллических электродов сравнения в количестве, которое зависит от емкости (объема) РВС, что напрямую связано с диаметром днища и площадью днища РВС.
3
3
Так, для РВС объемом 10000 м в известной системе ЭХЗ предусматривается 6 медно-сульфатных электродов сравнения (МЭС), а объемом более 10000 м - 8 МЭС.
3
3
Количество анодных заземлителей в известной системе ЭХЗ также зависит от емкости (объема) резервуара, что напрямую связано с диаметром днища и площадью днища РВС. Так, для РВС объемом 10000 м в известной системе ЭХЗ предусматривается 5 основных и 5 резервных анодов, а для РВС объемом 100000 м - 24 основных и 23 резервных анода.
Анодные заземлители устанавливаются равномерно под днищем резервуара. Кабели от каждого анодного заземлителя и измерительного электрода выведены в клеммный шкаф, располагаемый за пределами каре резервуара.
Для эффективной коррозионной защиты станции катодной защиты трубопроводов НПС и резервуаров должны обеспечивать автоматическое поддержание требуемой величины защитных потенциалов. Т.е. система ЭХЗ должна обеспечивать в течение всего срока эксплуатации непрерывную по времени катодную поляризацию подземных стальных сооружений на всем их протяжении (и на всей их внешней поверхности) таким образом, чтобы значения потенциалов имели значение (по абсолютной величине) не меньше минимального и не больше максимального значения, а именно находились в пределах - 0,90 до -2,5 В.
В случае если величина потенциала на защищаемом металле окажется меньше минимального значения - происходит «недозащита» сооружения, т.е. окисление металла, его коррозия и разрушение, связанное с тем, что сооружение, например, днище РВС, становится анодом, а грунт катодом.
В случае если величина потенциала на защищаемом металле окажется больше максимального значения - происходит «перезащита» сооружения, т.е. на поверхности метала, например, на границе метала и изоляции наружной поверхности днища РВС, возникают электрохимические процессы с выделением газа (водорода), что в свою очередь приводит к адгезии (отслоению) изоляции и ускорению коррозионных процессов сооружения, в частности днища РВС.
«Недозащита» и «перезащита» сооружения снижают эффективность катодной защиты сооружения.
Из уровня техники известен способ контроля системы ЭХЗ (см. ПР 13.02-74.30.90-КТН-005-1-00 «ПРАВИЛА КОНТРОЛЯ И УЧЕТА РАБОТЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ ОТ КОРРОЗИИ», утвержденные 11.03.2000 г., устанавливающие единый порядок контроля и учета работы средств ЭХЗ).
Согласно известному порядку контроля системы ЭХЗ, ежедневно осуществляется контроль следующих параметров: величина тока СКЗ, величина напряжения на выходе СКЗ и величина защитного потенциала в точке дренажа СКЗ, т.е. только в одной контрольной точке (с одного МЭС).
При этом контроль защищенности нефтепровода (или сооружения) в целом производят сезонными замерами защитных потенциалов в контрольно-измерительных пунктах. Измерения производятся не реже двух раз в год в период максимального увлажнения почвы: весной, со сроком окончания замеров до 1 июня и осенью, со сроком окончания замеров до 1 октября. В коррозионно-опасных местах, определяемых согласно п. 6.4.3. ГОСТ Р51164-98, контроль защищенности проводится измерением защитного потенциала методом выносного электрода не реже 1 раза в 3 года согласно предварительно составленного графика проведения замеров.
Таким образом, согласно известному из уровня техники способу контроля системы ЭХЗ, выбор контрольного электрода (контрольной точки) в клемном шкафу РВС, подключаемого к контрольной цепи СКЗ, производится вручную при проведении сезонных электрометрических замеров 2 раза в год (весна/осень).
К критерию оценки эффективности ЭХЗ сооружений от почвенной коррозии следует отнести величину защитного потенциала защищаемого сооружения, которая в свою очередь зависит от параметров СКЗ (силы тока /напряжения).
При этом следует отметить, что настройка параметров СКЗ (силы тока /напряжения) на РВС - это долгий и трудоемкий процесс, зависящий от многочисленных факторов. Кроме того, даже в отлично настроенной СКЗ значение защитного потенциала на всем сооружении не будет оставаться постоянным в течение длительного периода времени, в связи с тем, что:
- значение удельного сопротивления грунта на территории нефтеперерабатывающей станции значительно варьируется в течение всего года;
- возникают различные неисправности, не нарушающие работу СКЗ в целом, однако оказывающие локальное воздействие на коррозионную защиту, например, повреждение секции протяженного анодного заземлителя или выход из строя стационарного медно-сульфатного электрода сравнения;
- регулировка параметров одной СКЗ может оказывать значительное влияние на соседние установки и зоны их защиты в районе плотного расположения подземных коммуникаций на нефтеперерабатывающих станциях.
Таким образом, поддержание значения защитного потенциала в допустимых пределах в одной контрольной точке под РВС не исключает вероятности того, что в других точках контроля, расположенных под этим же сооружением в нескольких метрах от нее, наблюдается недозащита или перезащита, снижающая эффективность коррозионной защиты сооружения в целом.
То есть даже после небольшой регулировки выходных параметров станции катодной защиты необходимо проводить повторные измерения на каждом электроде сравнения, установленном под резервуаром, с целью проверки значений защитного потенциала всего сооружения.
Таким образом, главным недостатком известного из уровня техники режима проведения контроля систем ЭХЗ, является недостаточная эффективность катодной защиты днищ РВС в целом от почвенной коррозии, вызванная несвоевременным выявлением и устранением локальной недозащиты или перезащиты участков днища РВС, которое осуществляется персоналом вручную в ходе проведения сезонных замеров два раза в год.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является своевременное выявление и оперативное устранение локальной недозащиты и/или перезащиты катодной защиты участков защищаемого сооружения в автоматическом режиме.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении эффективности электрохимической защиты всего сооружения в целом (всего днища РВС) от коррозии, путем повышения степени автоматизации работы системы ЭХЗ в части контроля и коммутации электродов сравнения, в результате которой обеспечивается своевременное обнаружение явлений локальной недозащиты и/или перезащиты участков сооружения и оперативное устранение указанных явлений посредством корректировки выходных параметров СКЗ (ток/напряжение) на основании автоматической смены МЭС.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается тем, что устройство контроля и коммутации электродов сравнения системы ЭХЗ включает блок питания, программируемый контроллер, выполненный с возможностью подключения к электродам сравнения, содержащий плату реле, выполненную с возможностью подключения к электродам сравнения, связанную с клеммником контрольного вывода станции катодной защиты, выполненным с возможностью коммутации электрода сравнения со станцией катодной защиты.
Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 изображен общий вид заявленного устройства контроля и коммутации электродов сравнения, на фиг. 2 - устройство контроля и коммутации электродов сравнения в цепи системы ЭХЗ днища РВС.
Позициями на фиг. 1, фиг. 2 обозначены:
1 - блок питания
2 -контроллер
3 - плата реле
4 - клеммник контрольного вывода СКЗ
5 - электрод сравнения
6 - СКЗ
7 - клеммный шкаф
Устройство контроля и коммутации электродов сравнения, представленное на фиг. 1, предназначено для включения в цепь ЭХЗ сооружения, для осуществления постоянного, непрерывного, автоматического измерения и контроля значений потенциалов защищаемого сооружения относительно всех подключенных к нему МЭС, сравнения измеренных значений потенциалов с заданными значениями и коммутации СКЗ с МЭС, имеющим наименьший потенциал, находящийся в заданном диапазоне.
Устройство контроля и коммутации электродов сравнения корректирует работу СКЗ посредством измерения защитного потенциала относительно каждого электрода сравнения, установленного под днищем РВС или другим сооружением, и подключения необходимого электрода к контрольному выводу СКЗ.
Устройство контроля и коммутации электродов сравнения включает блок питания (1), контроллер (2), выполненный с возможностью подключения к электродам сравнения (5), содержащий плату реле (3), выполненную с возможностью подключения к электродам сравнения (5), и клеммник контрольного вывода СКЗ (4), выполненный с возможностью подключения к СКЗ (6).
Устройство контроля и коммутации электродов сравнения может быть установлено в клеммный шкаф (7) системы ЭХЗ защищаемого сооружения, например, днища РВС (фиг. 2).
Блок питания (1) предназначен для питания устройства контроля и коммутации электродов сравнения, выполнен с защитой выхода от короткого замыкания и перегрузки, прочностью изоляции 3 кВ, в корпусе IP67.
Контроллер (2), содержащий плату реле (3), выполнен с возможностью подключения к нему электродов сравнения (5) и предназначен для автоматического измерения и контроля защитных потенциалов, подключенных к нему электродов сравнения (МЭС), автоматического выбора и подачи сигнала на плату реле (3), для коммутации выбранного электрода сравнения с СКЗ (6). Контроллер (2) является программируемым и осуществляет порядок действия на основании программы.
Предварительно, до установки устройства контроля и коммутации электродов сравнения в цепь системы ЭХЗ сооружения, в программируемый контроллер (2) заносится диапазон значений защитных потенциалов (по абсолютной величине), в пределах которого должен находиться защитный потенциал МЭС.
В соответствии с заданным алгоритмом программируемый контроллер (2) осуществляет измерение величины защитного потенциала, подключенных к нему МЭС, сравнивает их с предварительно заданными значениями и подает команду на плату реле (3) для подключения к СКЗ МЭС с наименьшим потенциалом, входящим в заданный диапазон значений или МЭС, потенциал которого выходит за заданный диапазон значений.
Клеммник контрольного вывода СКЗ (4) соединен с платой реле (3) и предназначен для подключения к контрольному выводу СКЗ выбранного контроллером (2) МЭС, посредством коммутации платы реле (3).
Работа устройства выбора электродов сравнения осуществляется следующим образом (фиг. 2).
Предварительно, до установки устройства контроля и коммутации электродов сравнения в цепь системы ЭХЗ сооружения, в программируемый контроллер (2) заносится диапазон значений защитных потенциалов (например, от -0,90 В до -2,5 В).
Программируемый контроллер (2) производит измерение защитных потенциалов на подключенных к нему электродах сравнения (5) каждые 2 секунды (согласно прописанной программы) в автоматическом режиме.
Далее программируемый контроллер (2) выбирает электрод сравнения (5) и подает сигнал на плату реле (3), которая в свою очередь подключает выбранный контроллером электрод сравнения (5) к клеммнику контрольного вывода СКЗ (4).
Согласно программе, контроллер (2) выбирает электрод сравнения (5), который выходит за нижний/верхний диапазон нормативных значений потенциалов, предварительно занесенных в память контроллера (2), т.е. электрод сравнения (5) с потенциалом, меньше или больше, чем потенциалы в заданном диапазоне.
Далее, контроллер (2) подает команду на плату реле (3) для подключения выбранного электрода сравнения (5) к клеммнику контрольного вывода СКЗ (4).
По контрольному выводу СКЗ информация с выбранного электрода сравнения (5) поступает в СКЗ (6). На основании поступившей информации СКЗ (6) автоматически производит корректировку выходных параметров (ток и напряжение), тем самым осуществляя повышение/снижение потенциала выбранного электрода сравнения (5), чем устраняется явление «недозащиты» и «перезащиты» на участке сооружения.
В случае, если все значения потенциалов на электродах сравнения (5) находятся в нормативных значениях, контроллер (2) подключит электрод сравнения (5) с наименьшим значением потенциала, после чего она будет являться контрольной для СКЗ, т.к. является наименее защищенной областью днища РВС (фиг. 2).
Также при обрыве протяженных анодных заземлителей, устройство зафиксирует падение защитного потенциала на определенной области поверхности днища резервуара и переключит требуемый электрод сравнения к контрольному выводу СКЗ. Тем самым обеспечит постоянное поддержание необходимого защитного потенциала на всей поверхности днища резервуара.
Таким образом, устройство контроля и коммутации электродов сравнения осуществляет постоянное, непрерывное измерение и контроль значений потенциалов защищаемого сооружения относительно всех, подключенных к нему электродов сравнения, расположенных в различных местах под днищем РВС, а не одного электрода сравнения, расположенного в контрольной точке, сравнение измеренных значений потенциалов с заданными значениями и коммутацию СКЗ с электродом сравнения с потенциалом, выходящим за пределы нормативных значений или имеющим наименьший потенциал, находящийся в заданном диапазоне. По сравнению с известным из уровня техники режимом контроля системы ЭХЗ днища резервуара, при добавлении в цепь ЭХЗ устройства контроля и коммутации электродов сравнения, согласно заявленному изобретению, достигается повышение степени автоматизации работы системы ЭКЗ в части контроля защитных потенциалов на электродах сравнения и коммутации необходимого электрода сравнения со станцией катодной защиты, в связи с чем повышается эффективность катодной защиты всего днища резервуара в целом, за счет своевременного выявления и оперативного устранения локальной «недозащиты» или «перезащиты» участка днища РВС.