Функционирование электрохимической защиты линейной части магистральных трубопроводов с учетом фактического состояния антикоррозионных покрытий

Работа посвящена проблеме создания методического подхода к расчету эффективных режимов работы станций катодной защиты системы электрохимической защиты магистральных трубопроводов с учетом фактического состояния антикоррозионных покрытий трубопроводов.

Ключевые слова: электрохимическая защита (ЭХЗ); станция катодной защиты (СКЗ); антикоррозионное покрытие (АКП); установка катодной защиты (УКЗ); линейная часть магистрального трубопровода.

The work is devoted to the creation of a methodological approach to the calculation of the effective modes of cathodic protection stations of electrochemical protection of pipelines, taking into account the actual state of anti-corrosion coatings of pipelines.

Keywords: electrochemical protection; сathodic protection station; anticorrosion coating; installation of cathodic protection; linear part of the pipeline.

Разработка методики расчета эффективных режимов работы станций катодной защиты системы электрохимической защиты линейной части магистральных трубопроводов с учетом фактического состояния антикоррозионных покрытий трубопроводов обусловлена современными требованиями по ведению непрерывного контроля, моделированию и анализу технического состояния противокоррозионной защиты объектов трубопроводного транспорта в организациях системы ОАО «АК «Транснефть», оптимизации режимов работы системы электрохимической защиты (ЭХЗ) и выработки компенсирующих мероприятий, что в целом способствует повышению надежности объектов магистральных трубопроводов [1–3].

Основными факторами, влияющими на эффективность противокоррозионной защиты магистральных трубопроводов в условиях подземной прокладки, являются: коррозионная активность грунта, состояние антикоррозионного покрытия защищаемых объектов, параметры самих защищаемых объектов и характеристики средств защиты.

При этом, коррозионная активность грунта определяется его удельным электрическим сопротивлением, которое измеряется в полевых условиях в соответствии с требованиями ГОСТ 9.602–2005 [4].

Основным показателем качества антикоррозионного покрытия (АКП) объектов является его переходное сопротивление, учитывающее старение покрытия, а также появление различного рода дефектов. Методика оценки переходного сопротивления АКП на действующих трубопроводах изложена в ГОСТ 9.602–2005 и ГОСТ 9.908–85 [4, 5].

Действующая система ЭХЗ должна обеспечивать в течение всего срока эксплуатации непрерывную по времени катодную поляризацию защищаемых объектов на всей поверхности таким образом, чтобы значения защитных потенциалов на объектах были по абсолютной величине не меньше минимального и не больше максимального значений (ГОСТ Р 51164–98 [6]) в зависимости от условий прокладки и эксплуатации трубопровода.

Для обеспечения этого требования станции катодной защиты (СКЗ) системы ЭХЗ должны работать в заданных режимах, которые могут быть определены расчетным методом.

При разработке методики расчета эффективных режимов работы станций катодной защиты системы электрохимической защиты приняты следующие допущения и ограничения: не учитывается влияние блуждающих токов; не учитывается влияние биологической коррозии; не учитывается влияние отдельных установок ЭХЗ трубопроводов, проходящих в одном коридоре или пересекающихся с оцениваемым.

В основу математической модели процесса функционирования системы ЭХЗ положен численный метод конечных элементов [7–9], позволяющий учесть неоднородность параметров трубопровода, АКП и окружающей среды. Разработанная схема расчета включает условное изображение участка защитной зоны установки катодной защиты (УКЗ).

Основным параметром СКЗ является их ток, который зависит от основных параметров трубопровода, АКП трубы, внешней среды и обеспечивает требуемый уровень защиты трубопровода или соответствующие защитные потенциалы.

Напряжение СКЗ и соответственно потребляемая мощность являются вторичными параметрами, определяемыми соответствующими сопротивлениями УКЗ и трубопровода.

При решении задач по расчету оптимальных режимов работы СКЗ системы ЭХЗ магистральных трубопроводов с учетом фактического состояния антикоррозионных покрытий трубопроводов целевую функцию необходимо формировать с использованием обеспечиваемых СКЗ токов.

Задачу выбора оптимальных режимов работы СКЗ можно сформулировать следующим образом: минимизировать значение функционала: F(j_УКЗ,1, j_УКЗ,2,..., j_УКЗ,i,..., j_УКЗ,n) = å_i=1,n I_УКЗ,i(j_УКЗ,i), при ограничениях j_min < j_i < j_max, I_УКЗ,i(j_УКЗ,i) < I_УКЗmax, U_УКЗ,i(j_УКЗ,i) < U_УКЗmax, i = 1, 2, …, n, где j_УКЗ,i — защитные потенциалы за вычетом естественного потенциала установленных СКЗ в точках дренажа (варьируемые переменные); j_i — защитные потенциалы за вычетом естественного потенциала в узлах конечно-элементной сетки; j_min, j_max — допустимые минимальные и максимальные защитные потенциалы за вычетом естественного потенциала; I_УКЗ,i(j_УКЗ,i) и U_УКЗ,i(j_УКЗ,i) — токи и напряжения установленных СКЗ; I_УКЗmax и U_УКЗmax — допустимые значения токов и напряжений СКЗ.

Учитывая отсутствие аналитического выражения для приведенного функционала, оптимизационная задача может быть решена численными методами с применением персональных компьютеров.

Для этих целей была разработана расчетная программа с использованием программного обеспечения Mathcad 15 [10]. Для поиска оптимального значения функционала в программном обеспечении Mathcad 15 используется численный метод сопряженных градиентов для нелинейных функций [11]. Метод сопряженных градиентов является развитием метода наискорейшего спуска. Направление, в котором ищется минимум, в этом методе выбирается как линейная комбинация градиента в текущей точке и предыдущего направления поиска.

Определение эффективных режимов работы станций катодной защиты осуществляется в определенной последовательности.

Этап 1. Сбор, анализ и предварительная подготовка исходных данных для оцениваемых объектов трубопроводного транспорта: данные по коррозионной агрессивности грунтов; данные по коррозионному состоянию объектов магистральных трубопроводов — состояние АКП; данные по основным параметрам защищаемых объектов магистральных трубопроводов; данные по средствам ЭХЗ объектов магистральных трубопроводов.

Этап 2. Моделирование процессов функционирования СКЗ и оптимизация режимов их работы.

Этап 3. Анализ результатов моделирования и выработка рекомендаций по обеспечению эффективной защиты объектов магистральных трубопроводов от коррозионных повреждений.

Исходные данные для реализации расчета эффективных режимов работы станций катодной защиты:

-          данные по трубам (диаметр трубы [мм], толщина стенки трубы [мм], глубина укладки до верхней образующей трубы [м] и продольное сопротивление [Ом/м];

-          антикоррозионное покрытие (сопротивление [Ом×м2];

-          внешние условия (удельное сопротивление грунта [Ом×м];

-          cтанции катодной защиты (рабочее напряжение СКЗ [В], рабочий ток СКЗ [А], параметры дренажных и анодных кабелей — длина, сечение, удельное сопротивление;

-          потенциалы, измеренные на трубопроводе при диагностике (защитный потенциал [В], естественный потенциал [В].

Для апробации разработанной программы был проведен расчет эффективных режимов работы СКЗ системы ЭХЗ для линейной части магистрального нефтепровода Куйбышев — Тихорецк. Графическая интерпретация результатов анализа функционирования СКЗ существующей системы ЭХЗ линейной части магистрального нефтепровода Куйбышев — Тихорецк приведена в работе [12] и показывает, что предлагаемая методика обеспечивает определение эффективных режимов работы станций катодной защиты системы электрохимической защиты линейной части магистрального трубопровода с учетом фактического состояния их антикоррозионных покрытий.

Литература:

1.         Хижняков В. И., Жендарев П. А. Обеспечение эксплуатационной надежности магистральных газонефтепроводов в процессе длительной эксплуатации. — Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № S4 (1), с. 374–378.

2.         Притула В. В. Концепция обеспечения промышленной безопасности магистральных газопроводов в условиях коррозионного влияния окружающей среды / Территория Нефтегаз. 2009. — № 6. — С. 46–51.

3.         Глазов Н. П. Электрохимическая защита стальных подземных трубопроводов от коррозии // Практика противокоррозионной защиты. 2004. — № 1. — С. 10–18.

4.         ГОСТ 9.602–2005. Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. — М.: Стандартинформ, 2010. — 55 с.

5.         ГОСТ 9.908–85. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы.Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. — М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. — 17 с.

6.         ГОСТ Р 51164–98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии — М.: ИПК Издательство стандартов. 1998. — 42 с.

7.         Иваненков В. В., Гиззатуллин Р. Р., Гумеров К. М. Моделирование работы ЭХЗ методом конечных элементов. — Нефтегазовое дело, 2008, т. 6, № 2, http://ogbus.ru/authors/Ivanenkov/Ivanenkov_1.pdf.

8.         Болотнов А. М., Глазов Н. П. и др. Математическое моделирование и численное исследование электрических полей в системах с протяженными электродами. — Вестник Башкирского университета, 2006, № 2, с. 17–21.

9.         Ткаченко В. Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей. — М.: Стройиздат, 2004. — 320 с.

10.     Кирьянов Д. В. Mathcad 15/Mathcad Prime 1.0. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 432 с.

11.     Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. — М.: Мир, 1985. — 509 с.

12.     Скуридин Н. Н., Кузнецов А. А., Неганов Д. А., Глушков С. Ю. Определение оптимальных режимов работы станций катодной защиты системы электрохимической защиты магистральных трубопроводов. — Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, 2011, № 4, с. 90–94.