CC BY
101
УДК620.193
A. А. Фатхуллин, Р. А. Кайдриков, Б. Л. Журавлев,
B. Э. Ткачева
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННО-ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ВНУТРИ ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩИХ СОЕДИНЕНИЙ С ВНУТРЕННИМИ ПРОТЕКТОРАМИ
Ключевые слова: электроизолирующее соединение, внутренняя коррозия, внутренний протектор.
Приведены результаты лабораторного исследования влияния внутренних протекторов на коррозионно-электрохимические условия внутри электроизолирующих соединений в системах электрохимической защиты трубопроводов. Предложены коэффициенты, позволяющие оценить влияние внутренних протекторов на изменение электроизолирующих свойств изолирующих соединений и снижение коррозионной опасности.
Keywords: insulated pipe coupling, internal corrosion, internal protector
The results of laboratory research of internal corrosion protectors on the electrochemical conditions inside the insulated pipe connections in the electrochemical protection of pipelines. Proposed rates, to assess the influence of internal protectors on the insulating properties of electrical insulated pipe connections and reduce the risk of corrosion.
Для электрического разъединения участков трубопровода, одного трубопровода от другого или трубопровода от обсадной колонны и т.д., используются электроизолирующие соединения (ЭИС).
Электроизолирующие соединения позволяют:
■ уменьшить рассеивание защитного тока протекторов защищаемого трубопровода по другим соединенным с ним подземным сооружениям;
■ ограничить вредное влияние блуждающих токов, источником которых являются установки катодной защиты посторонних сооружений;
■ устранить возможности искрообразования при вводе трубопровода, находящегося в электромагнитном или электрическом поле, во взрывоопасные сооружения.
В ОАО «Татнефть» установлено свыше двадцати восьми тысяч электроизолирующих соединений различных конструкций. Основным недостатком большинства известных конструкций ЭИС является их внутренняя коррозия со стороны незащищенных электрохимической защитой участков трубопровода, возникающая вследствие того, что трубопровод на этих участках работает как биполярный электрод. При этом скорость коррозии внутренней (анодной) части определяется величиной токов утечки по перекачиваемой среде. По причине внутренней коррозии разрушается порядка 40% из общего числа выходящих из строя ЭИС [1].
Одной из тенденций совершенствования ЭИС, позволяющей предотвращать коррозию анодной части, является использование в конструкции внутренних протекторов с катодной и анодной стороны [2 - 4].
Влияние внутренних протекторов на коррозионно-электрохимические условия внутри ЭИС изучено в лабораторных условиях на модели ЭИС. Рассмотрены три возможных варианта расположения протекторов внутри ЭИС: в анодной части, в катодной части, одновременно в обеих частях (рис. 1).
Результаты моделирования коррозионно-электрохимических условий внутри ЭИС [5, 6] для рассматриваемых вариантов с использованием модельной пластовой воды [7] представлены в табл. 1 -3. Исследована модель трубопровода диаметром 114 мм с ЭИС, имеющим длину изолированной части один метр. Напряжение между анодной и катодной частями ЭИС поддерживалось равным 500 мВ. В качестве материала протекторов использовались наиболее
распространенные протекторные сплавы площадью от 40 до 55 см , которые располагались в изолированной части на расстоянии 5 см от начала металлических частей ЭИС.
Рис. 1 - Варианты расположения внутренних протекторов: а - в анодной части; б - в катодной части; в - обеих частях одновременно
Таблица 1 - Результаты измерений токов и потенциалов, а также расчетные характеристики ЭИС с протектором, установленным в анодной части (значение тока утечки через ЭИС без протектора I 1 = 11,7 мА)
Марка протекторного сплава см м с С а О £ си н о а с О) Стационарный потенциал протектора (хсэ), мВ А м, и а ч е т у к о Т Ток в цепи протектора 12, мА 0£ Расход протектора, кг/год Потенциал стального патрубка в анодной части (хсэ), мВ* Степень защиты анодной части
ПМ 15-80 40 -1517 37,1 102,7 0,32 1,22 -911
Ац5Мг20 45 -1036 26,9 41,2 0,43 0,31 -850
АЦ5Мг10 45 -1014 25,4 40,8 0,46 0,30 -794
АП3 55 -964 26,6 38,5 0,44 0,17 -813 >0,99
Ац5Мг5 40 -938 25,0 30,5 0,47 0,22 -808
1915 55 -890 24,0 28 0,49 0,21 -804
АП2 55 -833 17,6 20,0 0,66 0,09 -781
* Значение потенциала после 8 часов поляризации, измеренное в точке стального патрубка, отстоящей на расстоянии 15 см от изолированного участка.
Наличие протектора в анодной части ЭИС приводит к увеличению тока утечки, обусловленному снижением сопротивления ЭИС. Для оценки влияния внутренних протекторов на сопротивление ЭИС предложено использовать коэффициент сопротивления ЭИС, представляющий собой отношение тока утечки через ЭИС без протектора к току утечки через ЭИС с протектором:
*
Kr = I 1 / I1,
*
где I i - ток утечки в отсутствии протектора; Ii - ток утечки при наличии протектора.
Наименьшее значение коэффициента Kr наблюдается при использовании протектора из магниевого сплава, а наибольшее значение этого коэффициента получено для сплава АП2.
В рассматриваемом варианте установки протектора для всех исследованных протекторных сплавов протекающий через ЭИС ток стекает с протектора, а анодная часть ЭИС не только не разрушается под действием тока утечки, но и защищена от коррозии. Об этом свидетельствует смещение потенциала стального патрубка в анодной части на 180 - 210 мВ в отрицательную область от стационарного значения потенциала, обеспечивающее степень защиты более 0,99 по сравнению с прилегающей внутренней поверхностью трубопровода [8]. Недостатками рассмотренного варианта расположения протектора являются потеря сопротивления ЭИС, снижающая его эффективность [6] и высокие расходные характеристики протекторов, обусловленные значительными токами I2 в цепи протектора.
Ситуацию, когда протектор установлен в катодной части ЭИС, позволяют оценить результаты, представленные в табл. 2.
Таблица 2 - Результаты измерений токов и потенциалов, а также и расчетные характеристики ЭИС с протектором в катодной части (значение тока утечки через ЭИС без протектора I 1 = 11,7 мА)
Марка протекторного сплава % с с а о £ tu н о а с <0 Стационарный потенциал протектора (хсэ), мВ < м, и * Т е т ^ к о Н Ток в цепи протектора I2', мА £ Расход протектора, кг/год Потенциал стального патрубка с анодной части (хсэ), мВ* Степень защиты анодной части
Ац5Мг20 45 -1036 7,5 7,7 1,56 0,06 -570 нет
Ац5Мг10 45 -1014 10,3 5,7 1,14 0,04 -566
АП3 55 -964 8,5 6,2 1,38 0,03 -576
Ац5Мг5 40 -938 9,8 4,0 1,19 0,03 -579
1915 55 -890 10,4 0 1,13 0,00 -549
АП2 55 -833 10,5 -0,2 1,11 0,00 -575
* Значение потенциала после 8 часов поляризации, измеренное в точке стального патрубка, отстоящей на расстоянии 15 см от изолированного участка.
Рассмотренные протекторные сплавы не обеспечивают защиту анодной части ЭИС, хотя и снижают значение токов утечки по сравнению с ЭИС без протектора (коэффициент сопротивления ЭИС в данном случае возрастает), что пропорционально снижает коррозионную опасность. Токи, протекающие в цепи протектора 12, в данном случае значительно ниже, чем в случае установки протектора в анодной части ЭИС, вследствие чего расходные характеристики протекторных материалов на порядок ниже.
В выпускаемых промышленностью ЭИС для исключения возможных ошибок, связанных с неправильным монтажом, иногда предусматривают установку протекторов в анодной и катодной частях одновременно. В связи с этим представляло интерес определение характеристик ЭИС при одновременной установке двух одинаковых или разных протекторов (табл. 3).
Таблица 3 - Результаты измерений токов и потенциалов, а также расчетные характеристики ЭИС с протекторами в анодной и катодной частях одновременно (значение тока утечки через ЭИС без протектора I 1 = 11,7 мА)
Марка протекторного сплава А - ни и к ч е т ^ а о Т < еч А £ "сч £ Расход протектора, кг/год Потенциал стального патрубка с анодной части (хсэ), мВ* Степень защиты анодной части
Анодная часть Катодная часть Анодная часть Катодная часть
1915 1915 25,9 29,7 0 0,45 0,22 0 -835 0,99
Ац5Мг5 Ац5Мг5 24,0 30,3 -0,6 0,49 0,22 0 -818 0,99
АП2 Ац5Мг10 23,4 29,0 0,4 0,50 0,13 0 -750 0,99
АП2 АП2 19,1 22,8 -0,2 0,61 0,10 0 -719 0,97
АП3 АП3 18,7 27,6 3,0 0,63 0,12 0 -845 0,99
АП2 АП3 18,4 20,4 0 0,64 0,08 0 -773 0,99
* Значение потенциала после 8 часов поляризации, измеренное в точке стального патрубка, отстоящей на расстоянии 15 см от изолированного участка.
Одновременная установка протекторов в анодной и катодной частях ЭИС приводит к тому, что токи утечки становятся несколько ниже, чем при установке протекторов только в анодной части, но выше, чем при установке протекторов в катодной части ЭИС. Наличие протектора в анодной части ЭИС исключает возможность внутренней коррозии стального патрубка, поскольку ток утечки стекает с материала протектора. Эта схема установки протекторов обеспечивает высокую степень защиты анодной части ЭИС, во всех исследованных случаях превышающую 0,97. Расход материала протектора в анодной части ЭИС близко к расходным характеристикам, полученным при установке протекторов только в анодной части. Расход протекторов, установленных в катодной части ЭИС, в данном случае близко к нулю. Для рассмотренных вариантов сочетания протекторных материалов наименьший ток утечки и расход протекторов получены для сплавов АП2 и АП3.
Дальнейшее снижение тока утечки, а, следовательно, и расходных характеристик протекторов может быть получено при включении в цепь анодной части добавочного сопротивления как это показано на рис. 2. Результаты измерений токов и потенциалов, а также расчетные характеристики ЭИС с протектором в анодной и катодной частях при наличии дополнительного сопротивления в анодной части представлены в табл. 4.
Добавочное сопротивление позволяет изменять распределение тока утечки между протектором и анодной частью ЭИС. В качестве параметра, характеризующего это распределение, предложено использовать «коэффициент снижения коррозионной опасности», представляющий собой отношение тока, стекающего с протектора к току утечки:
Кско = 12 / II,
где 12 - ток в цепи протектора, расположенного в анодной части ЭИС; II - ток утечки.
Рис. 2 - Схема лабораторной установки, включающая добавочное сопротивление в цепи протектора анодной части
Таблица 4 - Результаты измерений токов и потенциалов, а также расчетные характеристики ЭИС с протектором в анодной и катодной частях при наличии дополнительного сопротивления в анодной части (значение тока утечки через ЭИС без протектора I 1 = 11,7 мА)
Марка протекторного сплава Сопротивление в цепи анодного протектора, Ом < м, и к ч е т ^ к о Т < м Л < м, £ Расход протектора, кг/год Потенциал стального патрубка с анодной части (хсэ), мВ* Степень защиты анодной части
Анодная часть Катодная часть Анодная часть Катодная часть
АП2 Ац5Мг10 15 12,3 12,3 3,0 0,95 100 0,05 0 -610 0,25
АП2 АП3 15 12,1 9,7 -0,8 0,97 80 0,04 0 -599 -
АП2 АП3 12 12,0 9,6 -0,7 0,98 80 0,04 0 -585 -
АП2 АП3 8 13,0 15,1 -0,5 0,90 100 0,05 0 -627 0,54
* Значение потенциала после 8 часов поляризации, измеренное в точке стального патрубка, отстоящей на расстоянии 15 см от изолированного участка.
В рассматриваемом случае для сочетания сплавов АП2 и Ац5Мг10 «коэффициент снижения коррозионной опасности» достигает 100% при добавочном сопротивлении 15 Ом, а для сочетания сплавов АП2 и АП3 при добавочном сопротивлении менее 12 Ом.
Представленные данные свидетельствуют о том, что включение дополнительных сопротивлений в цепь внутреннего протектора и подбор материала протектора для анодной и катодной частей ЭИС позволяют оптимизировать систему защиты.
Выводы
1. Установка протектора в анодной части ЭИС полностью защищает его от внутренней коррозии, вызванной током утечки.
2. Установка протектора в катодной части снижает значение токов утечки по сравнению с ЭИС без протектора, что пропорционально снижает коррозионную опасность.
3. Одновременная установка протекторов в обеих частях ЭИС приводит к тому, что токи утечки становятся несколько ниже, чем при установке протекторов только в анодной части.
4. Использование моделей ЭИС позволяет определить расходные характеристики внутренних протекторов при различных схемах их установки.
5. Для оценки влияния внутренних протекторов на изменение электроизолирующих свойств ЭИС предложено использовать «коэффициент сопротивления ЭИС».
6. Для схемы ЭИС с внутренним протектором, включенным через добавочное сопротивление, предложено использовать «коэффициент снижения коррозионной опасности», учитывающий распределение тока утечки между протектором и анодной частью ЭИС.
7. Показано, что включение дополнительных сопротивлений в цепь внутреннего протектора и подбор материала протектора для анодной и катодной частей ЭИС позволяют оптимизировать систему защиты.
Литература
1. Фатхуллин, А.А. Электроизолирующие соединения в системах электрохимической защиты: учеб. пособие / А.А. Фатхуллин и др. - Казань: Казан. гос. технол. ун-т, 2011. - 132 с.
2. Пат. 2406911 Российская Федерация, МПК Б16Ь 25/03. Способ изготовления электроизолирующей вставки для трубопровода / Ибрагимов Н.Г., Гареев Р.М. и др.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина - № 2009134597/06; заявл. 15.09.09; опубл. 20.12.10.
3. Пат. 2406007 Российская Федерация, МПК Б16Ь 25/03. Способ изготовления токоизолирующей вставки для трубопровода / Ибрагимов Н.Г., Гареев Р.М. и др.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина - № 2009134592/06; заявл. 15.09.09; опубл. 10.12.10.
4. Пат. 2406910 Российская Федерация, МПК Б16Ь 25/03. Способ изготовления токоизолиующей вставки для трубопровода / Ибрагимов Н.Г., Гареев Р.М. и др.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина - № 2009134595/06; заявл. 15.09.09; опубл. 20.12.10.
5. Фатхуллин, А.А. Результаты лабораторных исследований токов утечки в системах протекторной защиты трубопроводов с ЭИС / А.А. Фатхуллин, Р.А. Кайдриков, Б.Л. Журавлев, С.С. Виноградова // Практика противокоррозионной защиты. - 2010. - №1. - С. 39-46.
6. Фатхуллин, А.А. Оценка эффективности электроизолирующих соединений с внутренним протектором / А.А. Фатхуллин, Р.А. Кайдриков, Б.Л. Журавлев, В.Э. Ткачева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т.14, № 12. - С. 151 - 157.
7. Инструкция по определению эффективности ингибиторов коррозии в лабораторных и стендовых условиях и контролю их качества: РД 153-39.0-700-11: утв. ОАО «Татнефть» 14.02.11: ввод. в действие с 1.04.11. - Альметьевск: ТатНИПИнефть, 2011. - 25 с.
8. Кайдриков, Р.А. Методы, алгоритмы и примеры коррозионных расчетов: учеб. пособие / Р.А. Кайдриков, Б.Л. Журавлев. - Казан. гос. технол. ун-т., Казань, 2006. - 208 с.
© А. А. Фатхуллин - вед. инж. ин-та ТатНИПИнефть, г. Бугульма, ttzk@tatnipi.ru; Р. А. Кайдриков -д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии электрохимических производств КНИТУ, krust@kstu.ru; Б. Л. Журавлев - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, bgur@kstu.ru; В. Э. Ткачева - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.
