Способ противокоррозионной защиты магистрального трубопровода в условиях города.
METHOD FOR ANTI-CORROSIVE PROTECTION OF MAIN PIPELINE IN URBAN CONDITIONS.

Изобретение относится к области противокоррозионной защиты и имеет целью обеспечение максимально безопасной эксплуатации магистральных газопроводов (МГ) и газопроводов-отводов (ГО), увеличение надежности системы катодной защиты магистрального трубопровода в условиях города.
Из уровня техники известен аппаратно-программный комплекс мониторинга коррозионной защиты подземных сооружений, состоящий из связанных между собой системы измерений и обработки результатов измерений, системы обеспечения измерений и дистанционного управления, системы связи, центра мониторинга и управления (Патент РФ RU 2580610 кл. F17D 5/00, опубл. 10.04.2016), в составе которого система измерений и обработки результатов измерений содержит подсистему измерений параметров коррозионной защиты и/или подсистему защиты от наведенного переменного тока и/или подсистему контрольно-измерительного пункта, каждая из которых содержит по крайней мере один программируемый контроллер, информационно-преобразовательный модуль измерения поляризационного потенциала, связанный с электродом сравнения, вспомогательным электродом и контрольным проводником, соединенным с подземным сооружением. Аппаратно-программный комплекс позволяет с заданной периодичностью контролировать скорость коррозии и одновременно весь спектр электрических параметров коррозионной среды, в которой находится данный участок трубопровода.
Недостатком указанного комплекса мониторинга является отсутствие возможности оптимизировать параметры тока катодной защиты, что ведет к неоптимальному расходу ресурса анодного заземления и электрической энергии.
Из уровня техники известен способ регулирования параметров катодной защиты подземных трубопроводов (Патент РФ RU 2659543, кл. C23F 13/04, опубл. 02.07.2018). Способ включает назначение контрольных точек, в которых определяют значение потенциала «труба-земля», изменение параметров катодной защиты каждой станции катодной защиты, определение коэффициентов влияния каждой j-той станции на потенциал «труба-земля» в каждой контрольной точке, составление системы линейных уравнений зависимости потенциала в контрольной точке от значений силы тока каждой из станций, расчет значений силы тока каждой станции и установку рассчитанных значений силы тока на выходе станций. При этом изменение параметров катодной защиты каждой станции выполняют без изменения текущих параметров остальных станций и не допуская перехода потенциала «труба-земля» в контрольных точках в область недопустимых значений, причем измерение значения потенциала «труба-земля» выполняют после его стабилизации, в итоге сокращая время регулирования оптимальных параметров режимов работы станций катодной защиты и постоянно поддерживая потенциалы в регламентируемых диапазонах.
Указанный способ является наиболее близким аналогом для заявляемого авторским коллективом технического решения и взят в качестве прототипа.
Недостатком способа является отсутствие возможности автоматизированного задания параметров оптимальных режимов установок катодной защиты и невозможность их оперативной корректировки в зависимости от изменений окружающей среды (изменение температуры, влажности, влияние блуждающих токов).
При организации противокоррозионной (катодной) защиты магистрального трубопровода в особых условиях (в условиях города) установлено, что в результате официального расширения административных границ города Москвы за счет территории Московской области с 01 июля 2012 года ряд магистральных трубопроводов (магистральных газопроводов и газопроводов-отводов, относящихся к I классу опасности) оказались на территории населенного пункта. До настоящего времени это остается единственным в Российской Федерации примером сформировавшихся особых условий (условий города), в пределах которых размещен магистральный газопровод.
В состав магистральных газопроводов входят промышленные площадки с изолированными трубами и заземленным оборудованием, изолированная линейная часть, неизолированные промышленные скважины и др. По сложившейся нормативной практике противокоррозионной защиты магистрального газопровода эксплуатирующие организации поддерживают завышенные режимы работы установок катодной защиты и защитные потенциалы в точках дренажа для перекрытия зон с провалом потенциала. Такая тактика приводит к повышению энергозатрат и сокращению ресурса оборудования и материалов системы противокоррозионной (катодной) защиты.
Магистральные газопроводы на территории Новой Москвы находятся в зоне интенсивного воздействия блуждающих токов от электрифицированных железных дорог и относятся к зоне повышенной коррозионной опасности (ПКО). Для защиты от коррозии данных газопроводов службой защиты от коррозии филиала ООО «Газпром трансгаз Москва» эксплуатируется 40 установок катодной защиты (УКЗ) и 11 установок дренажной защиты (УДЗ).
Особую сложность в процессе представляет определение оптимальных значений режимов работы установок для поддержания необходимых значений поляризационных и защитных потенциалов по всей протяженности объекта с учетом требований к минимальным и максимальным значениям потенциалов, в зависимости от условий эксплуатации и факторов, способствующих развитию коррозии.
Государственная и отраслевая нормативная документация, определяющая порядок эксплуатации указанных газопроводов на территории населенного пункта, до настоящего времени не разработана. Количество допустимых простоев установок катодной защиты не определено.
Задачей заявляемого изобретения стала разработка способа катодной защиты, обеспечивающего максимально безопасную эксплуатацию магистрального газопровода и газопровода-отвода в условиях города.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в увеличении надежности работы системы электрохимической защиты за счет снижения времени простоев оборудования, применения оборудования коррозионного мониторинга, оптимизации нагрузки установок электрохимической защиты, ведущей к снижению уровня выделяющегося водорода, влияющего на прочность стенки трубы.
Данная задача решается, а результат достигается следующим образом.
На магистральный трубопровод с оборудованием системы электрохимической защиты от коррозии устанавливают аппаратный комплекс, обеспечивающий дистанционное измерение и управление параметрами системы электрохимической защиты посредством использования на установках катодной защиты (УКЗ) и контрольно-измерительных пунктах, установленных в контрольных точках,  оборудования подсистем дистанционного коррозионного мониторинга, обеспечивающего измерение параметров коррозионной защиты, оборудования подсистем контрольно-измерительного пункта, и программный модуль, позволяющий на основе получаемых параметров системы электрохимической защиты в режиме реального времени выполнять расчет оптимальных режимов работы УКЗ, определяют УКЗ, которые можно вывести в резерв с обеспечением защищенности трубопровода во всех контрольных точках, отключают необходимые УКЗ, устанавливают и поддерживают минимально достаточные режимы работы УКЗ, не допуская перехода потенциала «труба-земля» в область недопустимых значений.
Изобретение позволяет оптимизировать режимы работы установок катодной защиты (УКЗ) и увеличить остаточный ресурс анодных заземлителей. Надежность работы установок увеличивается вследствие уменьшения степени их загрузки, на основании чего формируется оптимизированный план технического обслуживания и ремонта защищаемого объекта и оборудования противокоррозионной защиты.
Уменьшение количества водорода, выделяющегося на катоде (трубопроводе) вследствие оптимизации работы УКЗ и снижения опасности водородного охрупчивания и растрескивания металла стенки трубы, способствует увеличению надежности магистрального газопровода.
Программный модуль, позволяющий осуществлять мониторинг процесса в автоматическом режиме, обеспечивает построение математической модели системы катодной защиты от коррозии, выдает расчет оптимальных режимов работы установок катодной защиты, расчет остаточного ресурса оборудования и элементов системы катодной защиты, формирует показатели надежности и технического состояния системы защиты для управления техническим состоянием и целостностью объектов газотранспортной системы.
УКЗ и УДЗ не оборудованы системой дистанционного контроля и требуют проверки с периодичностью не реже четырех раз в месяц.
Для реализации способа противокоррозионной защиты магистрального трубопровода в особых условиях (в условиях города) на 28 УКЗ и 13 контрольно-измерительных пунктах (КИП) установлено оборудование дистанционного контроля (Рисунок 1. Построение системы ЭХЗ на территории Новой Москвы).
Опыт 1. Определение остаточного ресурса элементов системы противокоррозионной защиты.
В процессе работы УКЗ защитный ток, стекающий с анодного заземления (A3), вызывает их растворение и увеличение сопротивления растекания тока анодных заземлений. Ухудшение сопротивления изоляционного покрытия требует постоянного повышения силы тока на выходе УКЗ, что в совокупности с растворением AЗ приводит к достижению предельных режимов УКЗ по силе тока или напряжению и, соответственно, к невозможности обеспечения защитных потенциалов на газопроводе.
AЗ, с точки зрения капитальных и эксплуатационных затрат, в системе ЭХЗ является самым дорогостоящим элементом, а на промышленных площадках ремонт AЗ сопровождается восстановлением благоустройства и проездов, что приводит к значительному удорожанию. Следовательно, определение остаточного ресурса и аргументированных сроков проведения капитального ремонта данного элемента является необходимой задачей.
Необходимость вывода в капитальный ремонт AЗ определяется по превышению установленных значений сопротивления растеканию тока в зависимости от удельного сопротивления грунта. Сопротивление растеканию AЗ определяется в результате периодических замеров и при диагностических обследованиях.
Проведенный анализ показал, что использование критерия сопротивления растеканию AЗ не является обоснованным, так как его поддержание в регламентируемых рамках, то есть периодический ремонт, показывает незначительное продление ресурса относительно критерия по достижению предельных параметров УКЗ без ремонта AЗ. Необходимо отметить, что стоимость работ по замене AЗ значительно превышает стоимость затрачиваемой электроэнергии.
В результате анализа выделены критерии определения остаточного ресурса для основных элементов ПКЗ.
Предположено, что основными критериями определения остаточного ресурса AЗ могут служить:
- запас то току УКЗ для обеспечения требуемых показателей защищенности;
- количество силы тока, которое может стечь с AЗ, при заданной скорости растворения материала (анодной стойкости);
- запас по напряжению или значение входного сопротивления УКЗ для достижения требуемого запаса по току УКЗ.
В качестве практического примера рассмотрим участок действующего магистрального газопровода, электрохимическая защита от коррозии которого осуществляется от установки катодной защиты мощностью 1,2 кВт и с номинальными значениями по силе тока 21А и по напряжению 48 В. Специалистам службы защиты от коррозии эксплуатирующей организации необходимо определить техническое состояние 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.
На данном участке магистрального газопровода в 2016 году был установлен аппаратный комплекс, включающий оборудование подсистем дистанционного коррозионного мониторинга (ПДКМ), обеспечивающее передачу данных о выходных параметрах УКЗ (Таблица 1. Расчетные и измеренные значения при определении прогнозируемых режимов работы УКЗ).
Для нахождения коэффициентов влияния силы тока УКЗ на величину защитной разности потенциалов в контрольной точке один раз в год изменяют режимы работы установки катодной защиты, увеличивая значения выходной силы тока. Значения силы тока увеличивают таким образом, чтобы не допустить выход контрольных параметров за нормативные границы. Для оценки состояния анодного заземления достаточно произвести замеры защитного потенциала «труба-земля» в точке дренажа установки катодной защиты, входящей в состав данной установки катодной защиты. По полученным данным определяют коэффициент влияния силы тока установки катодной защиты на величину защитного потенциала «труба-земля» в точке дренажа за период в один год, коэффициент влияния данной установки катодной защиты находят по формуле
i
где Δϕ - величина изменения защитного потенциала «труба-земля» в точке дренажа, В,
jм
ΔI - изменение силы тока выбранной установки катодной защиты.
Определяют среднее значение изменения коэффициента влияния силы тока УКЗ на величину защитного потенциала за период между измерениями по формуле:
ijн
где Δ - коэффициент влияния силы тока УКЗ на величину защитного потенциала в начальный период времени измерения данных,
изм
t - период между измерениями, год.
Далее находят изменение величины нагрузки или входного сопротивления УКЗ. Тренд изменения входного сопротивления УКЗ, направленный в сторону уменьшения, показывает, что скорость старения изоляционного покрытия превышает скорость увеличения сопротивления растеканию анодного заземления, в сторону увеличения - об обратном.
Определяют среднее значение изменения сопротивления нагрузки УКЗ за период в один год по формуле:
н
где R - значение изменения сопротивления нагрузки УКЗ в начальный период времени;
к
R - значение изменения сопротивления нагрузки УКЗ в конечный период времени.
зад
Находят величину защитного потенциала в точке дренажа которую необходимо поддерживать для гарантированного обеспечения защищенности всего участка φ, защищаемого данной станцией катодной защиты.
Далее определяют величину влияния смежных УКЗ на защитный потенциал в точке дренажа контролируемой УКЗ. Это необходимо для того, что определить насколько влияние смежных УКЗ велико, и соответственно элиминировать это влияния для более точного определения остаточного ресурса AЗ выбранной УКЗ.
Для определения величины данного влияния пошагово изменяют режимы работы смежных УКЗ, увеличивая силу тока на выходе УКЗ и не допуская перехода защитного потенциала «труба-земля» в точке дренажа смежной УКЗ в область недопустимых значений, не изменяя режимов работы остальных УКЗ, измеряют значения защитного потенциала «труба-земля» после ее стабилизации в точке дренажа выбранной УКЗ, возвращают первоначальные режимы смежных УКЗ, коэффициенты влияния смежных УКЗ на величину защитного потенциала «труба-земля» в точке дренажа выбранной УКЗ определяют по формуле
jcм
где ΔI - величина изменения силы тока на выходе смежных УКЗ, А.
Далее определяют стационарный потенциал в точке дренажа контролируемой установки без учета влияния смежных УКЗ. Стационарный потенциал в точке дренажа контролируемой установки без учета влияния смежных УКЗ определяют по формуле
Рассчитывают необходимое смещение потенциала, которое необходимо поддерживать в точке дренажа во времени, чтобы во всех контролируемых точках, в зоне защиты данной УКЗ обеспечивалась защищенность по формуле
Зная среднее значение изменения коэффициента влияния силы тока УКЗ на величину защитного потенциала определяют прогнозное значение коэффициента влияния силы тока УКЗ на величину защитного потенциала в точке дренажа по формуле
npI
где t - прогнозируемый период достижения предельных значений по силе тока установки катодной защиты в годах.
Рассчитывают прогнозное значение силы тока на выходе станции катодной защиты (СКЗ) во времени по следующей формуле
Вычисляют значение напряжения на выходе установки катодной защиты во времени с учетом вычисленных значений силы тока установки катодной защиты по формуле
Изменение входного сопротивления установки катодной защиты во времени определяют по формуле
СКЗ
npU
где R(t-1) - значение сопротивления УКЗ в предыдущий момент времени, t - прогнозируемый период достижения предельных значений по напряжению УКЗ, год.
По полученным значениям строятся графики прогноза изменения силы тока и напряжения УКЗ (Рисунок 2б. Прогнозирование вывода в ремонт. Напряжение на выходе СКЗ.), по изучении которых делается вывод о сроке достижения предельных режимов.
Требуемая сила тока УКЗ характеризует состояние изоляционного покрытия, а требуемое напряжение на выходе УКЗ для обеспечения требуемой силы тока - состояние анодного заземления.
Из графиков на рис. 2 (Рисунок 2. Прогнозирование вывода в ремонт) видно, что превышение номинального значения силы тока УКЗ наступит в 2030 году, а превышение номинального значения напряжения УКЗ наступит в 2029 году. Соответственно, данный срок (2029 год) принимается как критический, по которому определяют объем и сроки проведения ремонта анодного заземлителя.
В случае если УКЗ достигнет предельного состояния по току раньше, чем по напряжению, тогда необходимо планировать ремонт изоляционного покрытия либо введение дополнительных средств ЭХЗ.
Опыт 2. Оптимизация системы электрохимзащиты с учетом текущего технического состояния элементов системы.
В качестве экспериментальной проверки разработанных принципов оптимального управления была проведена работе на объекте магистрального газопровода 92-147 км. Диаметр газопровода - 720 мм, толщина стенки - 8 мм. Газопровод введен в эксплуатацию в 1963 году. На данном участке газопровод подвергался переукладке в 2001 году. Тип изоляции - заводская двухслойная, полимерная. Электрохимическая защита участка осуществляется восемью станциями катодной защиты. Две из выбранных СКЗ (на 96 и 125 км)_поддерживают необходимый защитный потенциал - как на линейной части магистрального газопровода, так и на технологическом оборудовании газораспределительных станций, находящихся вблизи магистрального газопровода. По всей трассе магистрального газопровода обеспечивается защищенность по ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные, магистральные. Общие требования к защите от коррозии.», установки работают в минимальных режимах, при этом защитный суммарный потенциал стремится к верхней границе максимума. На газопроводе имеются участки между СКЗ с «провалами» потенциалов по причине наличия повреждений изоляционного покрытия, заземлений оборудования, переходов через автомобильные и железные дороги, совместной защиты со смежными коммуникациями. Для гарантированного обеспечения на данных участках минимально допустимого уровня защитных и поляризационных потенциалов с учетом форс-мажорных обстоятельств (например, выход из строя СКЗ или элементов электроснабжения), как правило, эксплуатация поддерживает завышенные режимы СКЗ и потенциалы в точках дренажа с возможностью перекрытия зон защиты.
График состояния защищенности на участке МГ (по данным сезонных замеров) отображен на рис. 3 (Рисунок 3. Распределение защитных потенциалов на участке МГ).
Для возможности отслеживания состояния защищенности трубопровода в реальном времени, и оперативной корректировки режимов работы СКЗ и фиксации изменения состояния защищенности, по трассе МГ, на защищаемом участке был установлен аппаратный комплекс, включающий оборудование подсистем дистанционного коррозионного мониторинга ПКМ-ТСТ и БКУ.
Оборудование ПКМ-ТСТ производит измерение и передачу в режиме реального времени по каналам GSM следующих параметры коррозионного мониторинга:
- скорость коррозии;
- суммарный потенциал;
- поляризационный потенциал;
- плотность защитного тока;
- другие параметры, по условиям эксплуатации.
Для измерения и передачи данных о выходных параметрах СКЗ и о состоянии защищенности в точке дренажа были установлены блоки контроля и управления (БКУ). Установка БКУ позволила в режиме реального времени получать следующие параметры:
- защитный суммарный потенциал в точке дренажа СКЗ;
- защитный поляризационный потенциал в точке дренажа СКЗ;
- сила тока на выходе СКЗ;
- напряжение на выходе СКЗ.
Пример установки оборудования подсистем дистанционного коррозионного мониторинга (ПДКМ) представлен на рис. 4 (Рисунок 4. Оборудование ПДКМ, установленное на участке МГ).
После установки оборудования был проведен ряд измерений распределения защитного суммарного потенциала в зависимости от режимов работы станций катодной защиты на исследуемом участке.
Используя полученные данные, была получена обучающая выборка, содержащую значения токов УКЗ и защитных суммарных потенциалов в точках контроля. Согласно разработанным методикам, была произведена идентификация системы «труба-земля». Оценка параметров регрессионной модели проведена по методу максимального правдоподобия, приводящего к оценке по методу наименьших квадратов.
Далее методами структурно-параметрической оптимизации был проведен расчет оптимальных режимов работы установок катодной защиты на исследуемом участке. Полученные данные показали, что на участке трубопровода можно вывести в резерв пять установок катодной защиты, при этом будет обеспечиваться защищенность. На остальных станциях катодной защиты были определены оптимальные режимы работы, позволяющие поддерживать значения защитного потенциала в границах нормы на всей протяженности участка МГ.
После этого были проведены экспериментальные исследования по измерению защитных суммарных потенциалов на участке МГ после отключения 5 УКЗ и изменения режимов остальных.
Исследование заключалось в установке оптимизированных режимов и отключении необходимых УКЗ и проверке установившихся защитных потенциалов через сутки.
По результатам измерений были получены графики (Рисунок 5. Распределение потенциалов на исследуемом участке до и после регулирования режимов работы УКЗ).
С каждой УКЗ получены данные о величинах силы тока УКЗ и напряжения, а также суммарного защитного потенциала «труба-земля» в точках дренажа УКЗ за период измерения в одиннадцать месяцев. График изменения силы тока УКЗ и защитных потенциалов в контрольных точках газопровода «Серпухов-КРП-14», полученный с оборудования ПКМ-ТСТ (Рисунок 6. Изменение силы тока и разности потенциалов газопровода «Серпухов - КРП-14»).
В таблице 2 (Таблица 2. Значения потенциалов на установках до и после оптимизации) отображены режимы работы установок и защитные потенциалы в точках дренажа до и после оптимизации.
Были проведены расчеты оптимальных режимов УКЗ на участке магистрального газопровода «Серпухов - КРП-14», на котором установлено шесть установок катодной защиты.
Методами структурно-параметрической оптимизации с использованием программного модуля проведена оптимизация режимов УКЗ, что было необходимо для определения коэффициентов влияния силы тока УКЗ на величины защитных потенциалов в контрольных точках. Параметры изменения силы тока УКЗ и величины защитных потенциалов в контрольных точка фиксировались с помощью оборудования подсистем дистанционного коррозионного мониторинга (ПДКМ).
Расчет оптимальных режимов работы УКЗ проводился методом структурной оптимизации по представленным ранее подходам.
В результате расчета и последующей проверки вычисленных режимов работы УКЗ удалось снизить совокупную силу защитного тока практически в десять раз, с обеспечением защищенности во всех контрольных точках. При этом в дальнейшем индикаторы коррозионных процессов не показали увеличение скорости коррозии.
Опыт 3. Расчет интенсивности отказов СКЗ в системе электрохимической защиты.
0
Средняя наработка на отказ выпрямителя марки В-ОПЕ М3 в соответствии с заводским паспортом составляет Т=25000 час.
Интенсивность отказов для данной СКЗ составит:
Интенсивность отказов для i-го элемента определяется по формуле:
где Kнi - коэффициент нагрузки i-ой СКЗ.
Общая интенсивность отказов системы из нескольких СКЗ может быть рассчитана по формуле:
Расчет интенсивности отказов представлен в таблице 3 (Таблица 3. Расчет интенсивности отказов СКЗ на участке трубопровода).
Из представленного расчета видно, что интенсивность отказов СКЗ на участке трубопровода падает в 64,7 раза.
Сущность настоящего изобретения заключается в том, что система катодной защиты магистрального трубопровода, функционирующего в особых условиях, каковыми являются условия города, включающая аппаратный комплекс и оборудование установок катодной защиты, дополнительно осуществляет
- ведение противокоррозионного мониторинга в постоянном режиме;
- измерение, сопоставление, изменение параметров, получаемых в ходе мониторинга, в автоматическом режиме;
- формирование базы параметров, позволяющих сделать выводы о стабильности работы станций катодной защиты и осуществлять дальнейшее планирование технического обследования, ремонта и/или замены оборудования.
Предлагаемый способ противокоррозионной защиты позволяет обеспечить надежность работы магистрального газопровода в условиях города за счет уменьшения простоев оборудования катодной защиты; применения оборудования коррозионного мониторинга, оптимизации нагрузки установок катодной защиты для снижения защитных токов, ведущей к снижению уровня выделяющегося водорода, влияющего на прочность стенки трубы. Следствием внедрения такого способа становится увеличение надежности оборудования и продление ресурса работы анодных заземлителей как элемента катодной защиты магистрального трубопровода. В газотранспортном предприятии ООО «Газпром трансгаз Москва» в 2015-2019 годах проведена апробация рассмотренного выше способа противокоррозионной защиты магистральных газопроводов, итоги которой рассмотрены в публикации «Оптимизация режимов оборудования систем электрохимической защиты в зависимости от внешних факторов и с учетом текущего состояния газопровода» (К.А. Борнуковская, Е.Л. Карнавский, С.А. Никулин, Д.С. Мартыненко "Территория НЕФТЕГАЗ" №9 - сентябрь 2019, стр. 20-27).