СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОДЗЕМНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ
METHOD TO MEASURE POLARISATION POTENTIAL OF UNDERGROUND METAL STRUCTURE

Изобретение относится к области защиты магистральных трубопроводов от коррозии и может быть использовано для обеспечения контроля поляризационного потенциала в установках катодной защиты подземных металлических сооружений, в частности, магистральных трубопроводов.
Основным средством защиты магистральных трубопроводов от электрохимической коррозии является их антикоррозионное покрытие. Кроме того, чтобы защитить трубопровод в местах нарушения (дефекта) изоляции используют электрохимическую (катодную) защиту, суть которой состоит в том, что на трубу подается защитный потенциал Ез с помощью которой металл стенки трубы поляризуется относительно земли. При появлении дефекта на границе раздела металл-земля необходимо установить такой потенциал, при котором ток электрохимической коррозии металла полностью компенсируется током катодной защиты, при этом обеспечивается минимальное коррозионное разрушение стенки трубы. Для обеспечения данных условий потенциал поляризации Еп (потенциал на границе металл-земля) согласно ГОСТ 9.602-2005 ЕСЗКС должен находиться в диапазоне Еп=(0.85-1.15)В со знаком минус относительно медно-сульфатного электрода сравнения. Для реализации катодной защиты, например, на трубопроводе через каждые 10 км устанавливают станции катодной защиты, отрицательный вывод которых подключается к трубе, а положительный к заземлению.
Для измерения Еп на каждом километре трубопровода оборудован контрольно-измерительный пункт с панелью, на которую выведен провод, приваренный к трубе (клемма «ТР»).
Известен способ измерения защитного потенциала, включающего в себя измерения вольтметром, один вход которого подключен к клемме «ТР», а другой к электроду сравнения, обеспечивающему контакт с грунтом и установленному на поверхности грунта (мобильный режим), либо стационарно на глубину укладки трубы, при этом электрод сравнения подключается к клемме «ЭС» на контрольно-измерительном пункте. Однако при этом измеряемый вольтметром потенциал трубы относительно грунта нельзя считать поляризационным, поскольку отсутствует граница металл-земля, а следовательно, и ток поляризации.
Известен способ и устройство измерения защитного потенциала, реализованные в приборе «Орион ИП-01» (ООО «Завод газовой аппаратуры «НС», г.Ставрополь, signalrp.ru>Каталог продукции>orion.), в котором измерения потенциала поляризации Еп производятся с различной задержкой после отключения ВЭ от трубы для того, чтобы оценить степень спада поляризационного потенциала, при этом достигается снижение падения напряжения на участке грунта, однако одновременно снижается и Еп, что приводит к дополнительной погрешности.
Известен способ и устройство по ГОСТ 9.602-2005 ЕСЗКС измерения поляризационного потенциала, включающее в себя установку в грунт на глубину укладки трубопровода электрода сравнения с установленным на его корпусе вспомогательным электродом, подключенным к трубе и представляющим собой электрически не изолированную стальную пластину 2,5×2,5 см из трубной стали, имитирующий «дефект» изоляции трубы. Измерение осуществляется вольтметром, один вход которого подключен к электроду сравнения, а второй к вспомогательному электроду. Способ и устройство позволяют измерить поляризационный потенциал, формируемый под действием тока катодной защиты. Однако для широко применяемого медно-сульфатного электрода сравнения расстояние между ним и вспомогательным электродом составляет порядка 100-120 мм., что в сочетании с резким возрастающей плотностью тока защиты вблизи вспомогательного электрода приводит к, так называемому, омическому падению напряжения на грунте между электродами и, следовательно, к существенной погрешности измерения Еп. Соответственно, при этом, по принятой терминологии, измеряется поляризационный потенциал с омической составляющей, поскольку он не исключается. Кроме того, вместе с электролитом, применяемым для обеспечения электрического контакта с грунтом, в грунт попадают ионы меди которые, осаждаясь на вспомогательном электроде, искажают значение Еп.
Известны способ Габера-Луггина и устройство стационарный измерительный модуль СИМФ (yanviktor.ru>exz/doc/nxk_exz.pdf). сущность которого заключается в измерении поляризационного потенциала Еп с использованием вспомогательного электрода, мембраны и «электролитического моста» с трубкой, выведенной на поверхность земли. Во внутреннюю полость модуля заливается вода, близкая по составу к грунтовой, которая поступает по трубке к «электролитическому мосту». В зимний период применяются добавки в виде незамерзающей жидкости. Измерения проводятся при постоянно подключенном через контрольно-измерительный пункт вспомогательном электроде при помощи обычного высокоомного вольтметра. Благодаря максимальному приближению (30-50 мкм) измерительного электролитического ключа к вспомогательному электроду, исключению экранирования вспомогательного электрода, отсутствию в измерительной цепи падений напряжений от посторонних электрических токов и использованию в «электрическом мосте» грунтового электролита, полностью исключается падение напряжения на участке грунта между электродами, а вытекающая вместе с электролитом медь не приводит к искажению значений Еп.
Существенным недостатком известного способа с использованием стационарного измерительного модуля СИМФ является сложность реализации и эксплуатации, непродолжительный срок службы, что не отвечает требованиям массового применения, а также значительное изменение значения Еп, связанное с покрытием с течением времени стального вспомогательного электрода осадком меди.
Известен способ измерения поляризационного потенциала подземного металлического сооружения, (МПК C23F 13/00, опубл. 20.12.2009 г.) включающий установку в грунт устройства измерения поляризационного потенциала, содержащего электрод сравнения, подключение устройства к подземному металлическому сооружению и определение поляризационного потенциала. Используется электрод сравнения, выполненный из пористой нержавеющей стали, или никеля, или хрома, а перед началом измерений создается электрическая цепь для наводороживания электрода сравнения и проводится его наводороживание. Способ позволяют повысить эффективность и точность измерений поляризационного потенциала, однако отсутствие вспомогательного электрода не позволяет производить измерения Еп с учетом падения напряжения на участке грунта.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является способ, реализованный в устройстве «Прибор для диагностики электрохимической защиты и коррозионных обследований ПКО» (Руководство по эксплуатации ТАПФ.411187.001РЭ Москва 2003 г. ooo-parsek.ru>ftpgetfile.php?id=32&module=files). включающий в себя установку в грунт на глубину укладки трубопровода электрода сравнения с закрепленным на его корпусе вспомогательным электродом, подключенным к трубе цепью, содержащей разъем, и представляющим собой электрически не изолированную стальную пластину 2,5×2,5 см из трубной стали, имитирующую «дефект» изоляции трубы и измерение напряжения между электродом сравнения и вспомогательным электродом после отключения вспомогательного электрода от трубы. Указанное устройство в целом, включает в себя вольтметр, первый вход которого подключен к электроду сравнения, а второй его вход подсоединен к вспомогательному электроду, причем вольтметр может быть снабжен дополнительной цепью с ключом, соединяющим трубу и второй вход вольтметра, а измерения могут производиться с различной задержкой после отключения вспомогательного электрода от трубы.
Способ-прототип позволяет повысить точность измерений за счет того, что в момент отключения вспомогательного электрода от трубы ток защиты и вызванное им омическое падение на участке грунта становится равным нулю, соответственно вольтметр измеряет напряжение поляризации без омической составляющей.
Недостатком данного способа является то, что при отключении вспомогательного электрода от трубы в его цепи в течение некоторого времени сохраняются флуктуации (помехи) имеющие место на трубе, при этом возникает так же ток перезаряда псевдоемкости вспомогательного электрода, который создает падение напряжения на участке грунта и соответственно вносит дополнительную погрешность измерения. Используемая в данном способе задержка начала измерений после отключения вспомогательного электрода от трубы не позволяет обеспечить точность измерений за счет снижения уровня помех и емкостного тока, поскольку при этом значение измеряемого поляризационного потенциала стремится к своему равновесному стационарному значению. Кроме того, данный способ является малопроизводительным, поскольку значение потенциала Еп находят путем арифметического усреднения результатов десяти циклов измерений включающих в себя отключение и подключение вспомогательного электрода к подземному стальному сооружению, причем после каждого подключения вспомогательного электрода к подземному стальному сооружению необходимо время на восстановление его потенциала.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа, позволяющего проводить измерение потенциала поляризации подземных стальных сооружений с высокой точностью и производительностью.
Технической результат - повышение точности измерения потенциала поляризации за счет более полного исключения из результатов измерений влияния омической составляющей, флуктуации и спада потенциала поляризации за время задержки путем проведения второго цикла измерений с задержкой по времени и усреднением полученных результатов, повышение производительности за счет снижения продолжительности измерений путем выбора оптимального режима измерений.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе измерения поляризационного потенциала подземного металлического сооружения, основанном на установке в грунт вспомогательного электрода, подключенного к входу вольтметра и подземному металлическому сооружению, и электрода сравнения, подключенного к другому входу вольтметра осуществляют при подключенным к подземному металлическому сооружению вспомогательному электроду через равные промежутки времени первый цикл измерений поляризационного потенциала, по результатам которого проводят оценку флуктуации результатов измерения от времени, определяют минимальную частоту спектра флуктуации, выбирают время задержки, равное длительности периода минимальной частоты спектра флуктуации, отключают вспомогательный электрод от подземного металлического сооружения и по истечении времени, равного времени задержки, проводят второй цикл измерения динамики поляризационного потенциала, изменения его в течение времени не менее чем время задержки, а значение поляризационного потенциала определяют путем экстраполяции результатов измерений второго цикла.
При проведении второго цикла измерений контроль значений поляризационного потенциала, последующих после первого измерения, может быть проведен через равные временные интервалы на момент отключения вспомогательного электрода от трубы.
При проведении второго цикла измерений может быть выполнено не менее двух измерений.
Продолжительность измерений второго цикла и интервал между измерениями может выбираться исходя из требуемой точности и достоверности определения поляризационного потенциала с учетом вида флуктуации, результатов предварительных измерений поляризационного потенциала и характеристик местности пролегания трассы.
Целесообразно измерение поляризационного потенциала проводить в течение одного цикла включения-отключения вспомогательного электрода от подземного металлического сооружения.
Высокая точность измерения поляризационного потенциала достигается за счет:
- измерения динамики поляризационного потенциала потенциодинамическим методом;
- оптимизации условий измерений по результатам предварительной оценки параметров флуктуации непосредственно перед отключением вспомогательного электрода от подземного металлического сооружения;
- предварительного определения оптимального значения времени задержки начала измерений после отключения вспомогательного электрода от подземного металлического сооружения, при котором обеспечивается минимизация уровня флуктуации измеряемого потенциала, возникающих вследствии воздействия блуждающих токов в грунте техногенного и теллурического характера при сохранении значимых значений поляризационного потенциала;
- учета естественного спада потенциала вспомогательного электрода за время задержки начала измерений после его отключения от подземного металлического сооружения путем аппроксимации кривой данного спада на момент времени отключения вспомогательного электрода от подземного стального сооружения;
- проведения второго цикла измерений с задержкой по времени, равной длительности периода гармоники с минимальной частотой спектра флуктуации и усреднением полученных результатов.
Более высокая производительность предлагаемого способа обеспечивается сокращением времени измерений за один цикл включения-отключения вспомогательного электрода от подземного металлического сооружения.
На фиг.1 приведена зависимость Еп от времени, полученная в первом цикле измерений;
на фиг.2 представлена спектральная плотность флуктуации Еп;
на фиг.3 показана зависимость потенциала вспомогательного электрода от времени, полученная во втором цикле измерений;
на фиг.4 приведена в логарифмическом масштабе времени зависимость потенциала вспомогательного электрода, полученная во втором цикле измерений;
Заявляемый способ реализуются следующим образом:
Для измерения защитного потенциала подземного металлического сооружения, например, трубопровода относительно грунта (земли), в настоящее время широко используют медно-сульфатные электроды сравнения типа ЭНЕС. Такой электрод сравнения представляет собой герметичный сосуд с медной пластиной внутри, нижняя часть которого закрыта пористой мембраной, через которую электролит просачивается в грунт, и тем самым обеспечивает необходимый при измерениях электрический контакт с грунтом. На корпусе электрода размещен вспомогательный электрод (датчик), представляющий собой стальную пластину 20×20 мм. Сторона пластины, которой она крепится к корпусу ЭНЕС, электрически изолирована от грунта. Электроды ЭНЕС предназначены для длительного срока службы и в соответствии с нормативной документацией стационарно устанавливаются в грунт на глубину (не менее 1.5 м) укладки трубопровода на каждом километре. Проводники (кабели) от электрода сравнения (медная пластина) и датчика выводятся на клеммы «ЭС» и «Д» соответственно, установленные на панели контрольно-измерительного пункта. На этой же панели имеется клемма «ТР» подключенная к подземному металлическому сооружению, например, трубе. В исходном состоянии клеммы «Д» и «ТР» соединены проводником с разъемом. Электрод сравнения устанавливается один раз и используется до выхода его из строя, до тех пор, пока не вытечет весь электролит. После установки электрода сравнения в грунт до начала измерений требуется время для его выхода на режим. При этом стабилизируется контакт электрода сравнения с грунтом и происходит поляризация датчика под воздействием тока защиты по цепи «+» станции катодной защиты - заземление - участок грунта (его сопротивление) - датчик - подземное металлическое сооружение-«минус» станции катодной защиты. Таким образом, на датчике устанавливается поляризационный потенциал Еп, подлежащий измерению, значения которого лежат в пределах Еп=(0.85-1.15)В.
Измерение Еп проводят на контрольно-измерительном пункте с помощью вольтметра, один вход которого подключен к электроду сравнения, а другой его вход соединен с вспомогательным электродом. Особенностью вольтметра является то, что его второй вход с помощью дополнительной цепи с нормально замкнутым ключом соединен с подземным металлическим сооружением. Перед началом измерений разъем, соединяющий вспомогательный электрод и подземное металлическое сооружение, размыкают. При этом на датчике сохраняется Еп, поскольку он остается подключенным подземному металлическому сооружению через ключ вольтметра. В этом случае показание вольтметра Ев=Еп-IR, где I - ток защиты (поляризации); R - сопротивление участка грунта между электродом сравнения и вспомогательным электродом. Таким образом, IR представляет собой разницу между значением Еп и Ев, т.е. погрешность измерения. При этом измеряется поляризационный потенциал с омической составляющей (поскольку он не исключается).
Кроме того, показания вольтметра изменяются под действием флуктуации, связанных с блуждающими токами в грунте техногенного и теллурического характера, а также под действием ЭДС, наводимых электромагнитными колебаниями, поскольку подземное металлическое сооружение, в частности, трубопровод, представляет собой мегаантенну. Чтобы исключить эти ошибки, снимаются показания вольтметра сразу после отключения вспомогательного электрода от подземного стального сооружения, например, с помощью ключа. При этом размыкание электрической цепи приводит к тому, что ток I, а следовательно и падение напряжения на участке грунта IR, мгновенно становятся равными нулю. При этом само значение Еп в первые доли секунды сохраняется на датчике и затем начинает снижаться, стремясь к некоторому равновесному значению в течение нескольких минут. Исходя из этого, измерение Еп необходимо проводить сразу после разрыва цепи, однако этому препятствуют флуктуации, которые, в первые моменты времени сохраняются на датчике после его отключения от трубы и затем затухают. Кроме того, в момент отключения от трубы в цепи датчик - участок грунта возникают псевдоемкостные токи, которые также вносят погрешность при измерении. В связи с этим, показания вольтметра снимаются с некоторой задержкой порядка 1 мс после отключения вольтметра и вспомогательного электрода от подземного металлического сооружения. Поскольку при этом флуктуации показаний сохраняются, величину Еп вычисляют как среднее арифметическое результатов 10-20 измерений после каждого отключения. Причем показания снимаются через каждые 20-30 с, продолжительность цикла измерений должна составлять не менее 10 минут.
Измерение предлагаемым способом поляризационного потенциала Еп подземного металлического сооружения осуществляется в следующей последовательности:
1. В грунт у подземного металлического сооружения, например, трубопровода, устанавливают электрод сравнения и вспомогательный электрод, выполненный из такого же металла, что и подземное металлическое сооружение.
2. Подключают вспомогательный электрод к подземному металлическому сооружению и к одному из входов вольтметра, второй вход которого подключают к электроду сравнения.
3. Выполняют первый цикл измерений и получают зависимость Етр=F(t) (зависимость поляризационного потенциала с омической составляющей от времени). Продолжительность, и интервал между измерениями выбирают исходя требуемой точности (достоверности) определения Ев с учетом вида флуктуации. Можно также учитывать результаты предварительных измерений поляризационного потенциала и характеристик местности пролегания трассы.
4. Одним из спектральных методов определяют амплитуды и частоты гармоник и строят амплитудно-частотную характеристику флуктуации (спектральную плотность).
5. Выбирают гармонику с минимальной частотой Гмин, имеющую значимую амплитуду по сравнению с амплитудой Етр.
6. Определяют и устанавливают время задержки Тз, равное длительности периода гармоники с минимальной частотой колебания (Тз=1/Fмин, Fмин - частота гармоники), поскольку практически полное затухание флуктуации поляризационного потенциала после его отключения от подземного металлического сооружения происходит за один период колебаний.
7. Отключают вспомогательный электрод и соответствующий вход вольтметра от подземного металлического сооружения и по истечении времени задержки Тз проводят второй цикл измерений и получают зависимость потенциала вспомогательного электрода от времени. Длительность задержки Тз=1/Fмин является оптимальной, поскольку за это время флуктуации успевают затухнуть, а потенциал Ев еще сохраняет значимую величину, достаточную для его измерения.
8. Оптимально продолжительность второго цикла измерений установить равным времени задержки Тз. Количество измерений в этом интервале должно быть не менее двух для применения метода аппроксимации.
9. Определяется значение потенциала поляризации Еп (без омической составляющей и флуктуации) путем экстраполяции аппроксимациионной зависимости Ев=f(t) на момент отключения вспомогательного электрода от подземного стального сооружения.
Оптимально, зависимость Евэ=f(t) построить в координатах Евэ - логарифм времени. При этом количество измерений может быть сокращено до 2-х, кривая зависимости Евэ=f(t) становится прямой до нескольких сотен секунд, а процедура аппроксимации сводится к проведению через полученные значения (точки) Евэ прямой линии до пересечения с осью Евэ. При этом наряду с упрощением процесса измерения достигается более высокая точность.
Практическую реализацию заявленного способа измерения Еп рассмотрим на примере измерения Еп в сравнении с известным способом на контрольно-измерительном пункте 1-6-0 газопровода ООО «Газпром трансгаз Томск», с характером флуктуации (зависимость Еп от времени, полученная в первом цикле измерений), приведенных на фиг.1.
В качестве вольтметра использовался прибор для коррозионных обследований «Орион ИП-1».
При подключенном к подземному металлическому сооружению вспомогательном электроде и одном из входов вольтметра в результате проведенного первого цикла измерений был зарегистрировали ряд (зависимость) мгновенных значений Еп с шагом 1 с в течение 300 с. (фиг.1).
Затем результаты измерений были загружены в компьютер и была получена спектральная характеристика данной зависимости (фиг.2), из которой была определена минимальная частота 0.03 Гц. значимой гармоники, что соответствует наибольшему периоду порядка 30 секунд.
После установки времени задержки Тз=30 с. и отключения вспомогательного электрода и соответствующего входа вольтметра от подземного металлического сооружения, по истечении времени задержки Тз был проведен второй цикл измерений и получена зависимость потенциала вспомогательного электрода от времени (фиг.3) и зависимость потенциала вспомогательного электрода от времени в логарифмическом масштабе (фиг.4).
Для того чтобы сравнение известного и предлагаемого способов было корректным, то есть при одних и тех же флуктуациях, измерения проводились без задержки после отключения вспомогательного электрода от подземного металлического сооружения с шагом 1 секунда (фиг.3). Это, по сути, реализация известного способа измерения (прототипа). Из зависимости (фиг.3) видно, что ошибки, вызванные флуктуациями при измерении известным способом могут достигать 100 мв. При этом, в связи со случайным характером флуктуации, простое арифметическое усреднение результатов ряда циклов измерений Еп с включением и отключением вспомогательного электрода и соответствующего входа вольтметра от подземного металлического сооружения, используемое в известном способе, не может быть достаточно эффективным.
Из фиг.3 видно также, что разброс (ошибки) измеренных значений снижается через 30-40 с после отключения вспомогательного электрода и соответствующего входа вольтметра от подземного металлического сооружения.
При измерении предлагаемым способом зависимости Евэ от времени после задержки на период времени Тз=30 с регистрируют (снимают) в полулогарифмических координатах (фиг.4), продлевают (аппроксимируют) полученный прямолинейный отрезок на момент отключения вспомогательного электрода и входа вольтметра от подземного металлического сооружения, и на пересечении прямолинейного отрезка с осью потенциалов определяют потенциал поляризации Еп. Из графика (фиг.4) следует, что потенциал Еп=-1.0637 В, а также, что в известном способе априори заложена ошибка, связанная со спадом во времени самой величины Евэ. В данном конкретном примере при задержке 30 с ошибка известного способа составляет 100 мв (10%).
Результаты расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Интервал измерения, сек
Стандартное отклонение, Вольт
Интервал измерения, сек
Стандартное отклонение, Вольт
0-25
0,024
30-30
-
0-50
0,018
30-60
0,003
0-100
0,012
30-120
0,002
0-200
0,008
30-180
0,002
0-300
0,004
30-270
0,002
Из приведенных графиков и таблицы 1 (второй столбец) видно, что с увеличением интервала измерений флуктуации и вызванные ими стандартные отклонения (ошибки) равномерно уменьшается. Однако при этом уменьшается и значение Еп. То есть, при малых задержках ошибка измерений Еп связана с флуктуациями, а при больших задержках, необходимых для затухания флуктуации, ошибка связана с естественным спадом Евэ после его отключения от подземного металлического сооружения. Известный способ не может решить это противоречие, нет и рекомендаций по минимизации ошибки измерений. Предлагаемый в известном способе метод усреднения результатов измерений также не позволяет повысить точность измерений. Прибор «Орион ИП-1» позволяет изменять задержки и интервалы измерений, но отработанной и четко обоснованной методики проведения подобных измерений нет.
При использовании предлагаемого способа из приведенных на фиг.2, 3, 4, графиков и таблицы 1 (четвертый столбец) видно, что задержка Тз=30 с определена оптимально. Действительно, за время Тз флуктуации прекратились, что позволило достаточно точно (0.003 В) измерить Евэ1. При этом отпадает необходимость многократных измерений. Найденное значение поляризационного потенциала Еп=1.0637 В. В таблице 2 приведены сравнительные данные известного и предлагаемого способов измерения поляризационного потенциала подземных металлических сооружений.
Таблица 2
Метод измерения
Прототип
Заявляемый способ
Прототип
Заявляемый способ
Прототип
Заявляемый способ
Число измерений
10
3
5
3
3
3
Среднее значение поляризационного потенциала,мВ
1064
1004
1083
1067
1065
1068
Стандартноеотклонение
26
32
22
2
2
3
Общее времяизмерения, мин
20
7,5
10
4,5
6
1,5
Из таблицы 2 следует, что стандартное отклонение измерений известного способа составляет 22-32 мВ и существенно превышает аналогичный параметр для заявляемого способа - 2-3 мВ. При этом существенно сокращается время измерений (нижняя строка таблицы).
Таким образом, заявляемый способ позволяет определить значение Еп не путем измерения абсолютного значения потенциала, а путем оценки динамики его изменения во времени, а также обеспечить измерение потенциала поляризации подземных металлических сооружений с высокой точностью за счет более полного исключения из результатов измерений омической составляющей и флуктуации. Заявляемый способ может использоваться для измерения поляризационного потенциала с высокой производительностью, поскольку позволяет уменьшить число измерений и снизить их продолжительность, при этом достигается высокая точность измерений даже в условиях воздействия помех высокой интенсивности.