Введение. Основным средством защиты трубопроводов от электрохимической коррозии является их антикоррозионные покрытие

Основным средством защиты трубопроводов от электрохимической коррозии является их антикоррозионные покрытие. Кроме того, чтобы защитить трубу в местах нарушения (дефекта) изоляции используют электрохимическую (катодную) защиту, суть которой состоит в том, что на трубу подается защитный потенциал 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 Е (потенциал на границе металл-земля) согласно ГОСТ 9.602-2005 ЕСЗКС должен находиться в диапазоне Е = (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.

Повышение эффективности катодной защиты является одним из основных путей повышения экологической безопасности эксплуатации магистральных нефтегазопроводов. Для оценки эффективности электрохимической защиты, на каждом километре трубопровода оборудован контрольно - измерительный пункт (КИП) с панелью, на которую выведены контакты, соединённые с трубой, электродом сравнения, вспомогательным электродом и заземлением. Измерения проводятся при помощи приборов коррозионных обследований.

Обязательным элементом КИП является неполяризуемый электрод сравнения, который устанавливается в грунт на глубину до 1.5 м. Электрод обеспечивает контакт измерительной схемы, например, общей клеммы мультиметра с землей при измерении потенциала катодной защиты (КЗ). Обычно в качестве электрода сравнения используются медно-сульфатные электроды сравнения (например, типа ЭНЕС в России и CU-DC в Германии). Эти электроды представляют собой сосуд с пористой мембраной заполненный электролитом, который, просачиваясь через мембрану обеспечивает надежный контакт с грунтом. Эксплуатация таких электродов затруднена постоянной убылью электролита. Их срок службы определяется объемом электролита. В частности, увеличение срока службы электрода сравнения типа CU – SC (Германия) до 10 лет достигается увеличением объема электролита до 25 кг. Но и этого мало, поскольку срок эксплуатации трубопроводов может составлять 50 и более лет. Срок службы обычных электродов типа ЭНЕС (Россия) составляет 3-5лет. Недостатком таких электродов является также то, что их срок службы зависит от условий эксплуатации (перепада температур, влажности и дисперсности грунта). Существенным недостатком известных электродов сравнения, затрудняющим его эксплуатацию и обслуживание, является то, что для установки электрода в грунт необходимо предварительно вырыть шурф.В настоящее время трубопроводный парк России для транспорта нефти и газа составляет 220 тыс. км. Согласно [1,2] на каждом километре магистрального трубопровода должен быть установлен в грунт стационарный электрод сравнения на глубину до 1.5м. Таким образом, потребность в электродах носит массовый характер. Поэтому применение новых разработанных технологий, методов и способов измерений, новой приборной базы на основе безэлектролитных электродов, способных работать в тяжелых условиях эксплуатации, особенно в условиях крайнего севера и бескрайних болот, является актуальной проблемой. В частности, из-за этих проблем только порядка 40% магистральных трубопроводов России оснащены электродами сравнения вопреки требованиям ГОСТ 51164-98, что соответственно повышает экологическую опасность их эксплуатации.

В данной ВКРразработаны принципиально новые технические, методические и программные средства, позволяющие повысить эффективность коррозионного мониторинга и оптимизации электрохимзащиты магистральных трубопроводов и других стальных подземных сооружений. Разработан безэлектролитный сухой электрод сравнения СЭС выполненный из пористой нержавеющей стали, стационарный потенциал которого формируется путем насыщения прилегающей к электроду влаги грунта и пор электрода водородом при пропускании постоянного тока. Для различных условий эксплуатации разработаны варианты с внутренним источником (СЭС-1), с питанием от внешнего источника (СЭС-2) и мобильный вариант (СЭС-3). Разработан микроконтроллер, позволяющий автоматизировать процедуру измерений и накапливать периодически измеряемые значения потенциалов в течение длительного времени. Разработаны компьютеризованные экспериментальная установка с макетом катодно-защищенного макета трубопровода и мобильный измерительный комплекс «Магистраль-1». Разработан способ (метод) позволяющий существенно снизить влияние блуждающих токов, омических падений на грунте и спада потенциала вспомогательного электрода на точность измерения поляризационного потенциала газопровода. Способ может использоваться как с электродами СЭС, так и с медно-сульфатными электродами типа ЭНЕС. Способ позволяет не только существенно снизить ошибку измерений, но и сократить время измерений. Разработана простая в реализации неметаллоемкая технология изготовления электродов СЭС, не требующая высокой квалификации, дорогостоящего оборудования и материалов. Разработаны конструкторская, методическая и метрологическая документация, а также технические условия, руководство по эксплуатации и паспорт на электроды СЭС и техническая документация на микроконтроллер МК-СЭС.

1 Способ измерения поляризационного потенциала
подземного металлического сооружения

Предлагаемый псевдоводородный сухой электрод сравнения (СЭС) предназначен для измерения поляризационного потенциала (потенциала катодной защиты) «металл-земля» подземных металлических сооружений, в частности магистральных нефтегазотрубопроводов. Согласно ГОСТ Р 51169-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии» магистральные и технологические подземные трубопроводы оборудованы контрольно-измерительными пунктами (КИП) на которых стационарно на глубину укладки трубопровода устанавливается электрод сравнения. В России и за рубежом практически повсеместно используются электролитные медно-сульфатные электроды сравнения. В России используется электрод типа ЭНЕС-1, который содержит медную пластину с клеммой, погруженную в сосуд с электролитом в виде насыщенного раствора CuSO4, и пористую мембрану для обеспечения контакта с грунтом. Измерение поляризационного потенциала производится вольтметром, подключенным между контактами электрода сравнения и трубопровода. При проведении измерений электрод обеспечивает надежный контакт с грунтом, не поляризуется, а его собственный потенциал достаточно стабилен и не искажает результаты измерений. Однако электроды типа ЭНЕС в связи с наличием электролита имеют ряд существенных недостатков, затрудняющих его применение. Электрод требует доливки электролита, имеет ограниченный срок непрерывной работы, при его установке в грунт необходимо рытье шурфа. Электрод громоздок и неудобен при проведении мобильных измерений. С учетом массового применения, протяженности магистральных трубопроводов в России, (более 220 000 км.) и сложных условий эксплуатации (непроходимые болота, тундра, тайга) проблема создания альтернативного электрода, свободного от недостатков электролитных электродов, является актуальной. Проведенный литературный обзор, патентные исследования, анализ каталогов фирм показывают, что вариантов решения этой актуальной проблемы не предложено. Принцип работы всех известных электродов основан на использовании собственного электролита. Проблема обеспечения срока службы таких электродов решается путем увеличения объема электролита. Например, в электроде типа CU-SC (Германия) увеличение срока службы до 10 лет достигнуто за счет увеличения объема электролита до 25 литров, в то время как срок службы трубопровода – десятки лет. Отметим, что срок службы такого электрода значительно сокращается в сухих грунтах.

Предлагаемый электрод СЭС не содержит электролит и представляет собой пластину с клеммой из пористой нержавеющей стали, которая устанавливается непосредственно в грунт. При контакте электрода с грунтом и пропускании через него электрического тока происходит электровосстановление водорода из влаги грунта на нержавеющей стали и соответственно наводороживание этим водородом влаги грунта, электрода сравнения и его пор. При этом источником тока наводороживания может использоваться любой слабомощный источник, в том числе стальной корпус электрода, соединенный через резистор с электродом. По мере насыщения влаги грунта и пор электрода водородом его потенциал стабилизируется и достигает своего стационарного значения. Это обуславливает возможность его применения в качестве электрода сравнения со своим стандартным потенциалом. В отличие от электродов типа ЭНЕС, в предлагаемом электроде электролит, необходимый для стабилизации потенциала, изначально отсутствует и формируется вблизи своей поверхности в процессе электрохимического наводораживания после его установки во влажный грунт. Такое исполнение, с одной стороны, позволяет избавиться от эксплуатационных недостатков известного электрода, а с другой стороны, приводит к тому, что стационарное значение потенциала (собственный потенциал) становится более зависимым от влажности и физико-химических свойств грунтов. Отметим, что электроды типа ЭНЕС зависят от характеристик грунта. Причем по мере вытекания электролита меняется и собственный потенциал.

Предложены конструктивные и методические решения для стабилизации собственного потенциала. В песчаных, глинистых и заболоченных грунтах в широком диапазоне изменения влажности (5 – 30%) и кислотности (5,5 – 8,5 единиц рН) номинальное значение собственного потенциала макетного образца предлагаемого электрода относительно типового (ЭНЕС) составляет 0.430 В. При этом суммарная нестабильность потенциала составляет 0.050 В и соизмерима с нестабильностью типового электрода типа ЭНЕС-1 (0.030В по паспорту). Значения защитных потенциалов регламентированы ГОСТ Р 51164-98 в диапазоне от 0.85 до 3.5В по м.э.с., а погрешность его измерений может достигать существенных значений, например, из-за омической составляющей. Поэтому нестабильность потенциала предлагаемого электрода является приемлемой. Кроме того, эта нестабильность применительно к условиям долговременной эксплуатации в условиях конкретного КИП трубопровода становиться постоянной и при необходимости снижается в несколько раз путем калибровки с помощью образцового электролитного электрода. Техническими и программными средствами шкала измерений с помощью предлагаемого электрода легко приводится к принятой на магистральных трубопроводах шкале по медно-сульфатному электроду.

Способ относится к области защиты магистральных трубопроводов от коррозии и может быть использован для обеспечения контроля поляризационного потенциала в установках катодной защиты подземных металлических сооружений, в частности, магистральных трубопроводов.

Предлагаемый способ измерения поляризационного потенциала подземных металлических сооружений без омической составляющей основан на установке в грунт вспомогательного электрода, подключенного к входу вольтметра и подземному металлическому сооружению, и электрода сравнения, подключенного к другому входу вольтметра и проведении измерений после отключения вспомогательного электрода от подземного металлического сооружения. При подключенным к подземному металлическому сооружению вспомогательному электроду и входу вольтметра через равные промежутки времени осуществляют первый цикл измерений поляризационного потенциала. По результатам, которого, проводят оценку флуктуаций результатов измерения от времени. Определяют минимальную частоту спектра флуктуаций. Выбирают время задержки, равное длительности периода минимальной частоты спектра флуктуаций. Отключают вспомогательный электрод от подземного металлического сооружения и по истечении времени, равного времени задержки, проводят второй цикл измерений поляризационного потенциала. Через промежутки времени, длительность которых составляет не менее чем время задержки, а значение поляризационного потенциала определяют путем экстраполяции результатов измерений второго цикла.

При проведении второго цикла измерений контроль значений Еп, последующих после первого измерения, может быть проведен через равные временные интервалы.

При проведении второго цикла измерений может быть выполнено не менее двух измерений.

Продолжительность измерений и интервал между измерениями второго цикла могут выбираться исходя из требуемой точности определения поляризационного потенциала с учетом вида флуктуаций, результатов предварительных измерений поляризационного потенциала и характеристик местности пролегания трассы.

Измерение поляризационного потенциала без омической составляющей подземного металлического сооружения предлагаемым способом осуществляется в два этапа за один цикл включения-отключения вспомогательного электрода от защищаемого объекта.

Высокая точность измерения поляризационного потенциала достигается за счет:

– измерения динамики поляризационного потенциала потенциодинамическим методом;

– оптимизации условий измерений по результатам предварительной оценки параметров флуктуаций 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 флуктуаций 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 флуктуаций и усреднением полученных результатов.

Более высокая производительность предлагаемого способа обеспечивается сокращением времени измерений за один цикл включения-отключения вспомогательного электрода от подземного металлического сооружения.

мин

Рисунок 1.1 – Зависимость Еп от времени

На рисунке 1.1 приведена зависимость Еп от времени, полученная в первом цикле измерений;

Герц

Рисунок 1.2 – Спектральная плотность флуктуаций Еп

На рисунке 1.2 представлена спектральная плотность флуктуаций Еп.

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 20x20 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 1.5м) 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 Е_п = (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, (1.1)

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 флуктуаций, 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:

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 флуктуаций. 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 флуктуаций (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 = I/Fmhfi, Fmhh - частота гармоники), поскольку практически полное затухание флуктуаций поляризационного потенциала после его отключения от подземного металличсекого 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/Тмин 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 флуктуаций) путем экстраполяции аппроксимациионной зависимости Ев = f(t) на момент отключения вспомогательного электрода от подземного стального сооружения.

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 флуктуаций. 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.