CC BY
64
УДК620.193
A. А. Фатхуллин, Р. А. Кайдриков, Б. Л. Журавлев,
B. Э. Ткачева
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩИХ СОЕДИНЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
Ключевые слова: электроизолирующее соединение, внутренняя коррозия, моделирование.
Приведены результаты оценки количественных характеристик эффективности электроизолирующих соединений в системах электрохимической защиты трубопроводов с использованием лабораторного физического моделирования.
Keywords: insulated pipe coupling, laboratory physical modelling.
Quantitative characteristics of efficiency of insulated pipe connections in electrochemical protection systems ofpipelines by means of laboratory physical modeling are discussed.
Электроизолирующие соединения (ЭИС), используемые для электрического разъединения участков трубопровода, одного трубопровода от другого или трубопровода от обсадной колонны, 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 [1].
При электрическом разъединении трубопроводов, транспортирующих электропроводную жидкость, только один из которых имеет электрохимическую защиту, возникает проблема внутренней коррозии, вследствие того, что трубопроводы по обе стороны от ЭИС работают как биполярные электроды. В общей доле выходов ЭИС из строя внутренняя коррозия составляет 54% (внутренней коррозии подвержены все применяемые типы ЭИС). Выход из строя ЭИС может также происходить по причине потери герметичности и механических разрушений (рис. 1).
Рис. 1 - Примеры выхода из строя ЭИС. Слева направо: внутренняя коррозия ИФС; разгерметизация ИФС; разрыв ТИС
Поскольку внутренняя коррозия является основной причиной выхода ЭИС из строя, актуальными становятся исследования закономерностей этого процесса. Построение и изучение моделей реально существующих объектов, отображающих существенные черты объекта-оригинала, позволяет выявить основные параметры, характеризующие работу моделируемого объекта и разработать способы его совершенствования. При этом для каждого
163
объекта может быть построено несколько «специализированных» моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной степенью детализации [1].
Для моделирования работы ЭИС в системах протекторной защиты трубопроводов разработана лабораторная установка [2 - 4], включающая в себя кювету, представляющую собой продольную половину полиэтиленовой трубы с герметизированными торцами, в которую заливают образцы сточной воды и устанавливают стальные электроды, изготовленные из элементов труб, имитирующих анодную и катодную части ЭИС. В комплект установки также входят: источник стабилизированного питания; сопротивления, электроды сравнения и приборы для измерения тока и потенциала.
Воздействие протекторной защиты трубопроводов на внутреннюю поверхность ЭИС имитируется электрическим режимом пропускания тока между анодной и катодной частями установки, а потенциалы, реализующиеся на этих внутренних элементах, измеряются с помощью электродов сравнения. Исследования проводятся в режиме стабилизации напряжения.
При моделировании коррозионно-электрохимических условий внутри ЭИС изучали влияние длины изолированной части на токи утечки ЭИС. Для этого проводили измерения по схеме, представленной на рис. 2. Стабилизированное напряжение между анодной и катодной частями ЭИС соответствовало диапазону наблюдаемых падений напряжения на ЭИС в промысловых условиях ОАО «Татнефть» [5].
Рис. 2 - Схема определения токов утечки: ЭС1 и ЭС2 - электроды сравнения
Известно, что электрические параметры протекторной защиты изменяются с течением времени [6]. Промежуток времени, в течение которого достигаются стационарные значения, настолько велик, что его реализация в лабораторных условиях невозможна, однако тенденцию изменения электрических параметров ЭИС можно установить и при относительно непродолжительных испытаниях. На рис. 3 показано изменение тока утечки, полученное в процессе десяти часовых испытаний. Ток утечки уменьшается вследствие возрастания поляризационного сопротивления катодной части ЭИС, а уменьшение тока утечки приводит к снижению поляризации анодной части ЭИС.
Изменение соотношения сумм поляризационных сопротивлений анодных и катодных участков ЭИС и сопротивления электролита (сточная вода) внутри ЭИС во времени представлены в табл. 1.
Данные, представленные в табл., свидетельствуют о том, что с течением времени в суммарном сопротивлении ЭИС возрастает доля поляризационного сопротивления (соотношение Кэл/КЭИС уменьшается с 0,6 до 0,25).
Существенное уменьшение тока утечки наблюдается до значений длины изолированной части 60 + 70 см. Дальнейшее увеличение длины ЭИС нецелесообразно по конструктивным соображениям.
І|НД Зависимость Igt t
16 14 ■
12 ■
0 ----------------------------------------------------------------------------------------
0 2 4 6 8 t.4 1°
Рис. 3 - Изменение тока утечки через ЭИС во времени при длине изолированной части L = 100 см
Таблица 1 - Изменение во времени электрического сопротивления ЭИС (R^c) и его составляющих
Продолжительность испытаний, ч е е ни |2° а, мо Э ^ аі/ Сп о с Омическое сопротивление Кэл, Ом Поляризационное сопротивление Rn^!, Ом Кэл/Кпол С И Э O' 1 R
1 113 45 1,4 0,б
3 200 б8 132 0,51 0,34
б 238 170 0,4 0,28
10 2б3 195 0,34 0,25
Лабораторные исследования не выявили влияния сварного шва на локализацию анодного растворения ЭИС, поскольку независимо от расстояния шва от границы анодной части (2,5 см; 7,5 см) различие в значениях потенциалов на поверхности шва и в его окрестностях не превышало ± 1 мВ.
Поскольку задачей ЭИС является уменьшение рассеивания защитного тока протекторов защищаемого трубопровода по другим соединенным с ним подземным сооружениям, то в качестве основной характеристики ЭИС предложено использовать коэффициент эффективности электроизолирующих свойств [2,3,7]. Этот коэффициент показывает долю тока защиты, которую удается сохранить в результате установки ЭИС. Схема электрических соединений лабораторной установки для определения коэффициента эффективности электроизолирующих свойств ЭИС представлена на рис. 4.
Особенности моделируемой системы протекторной защиты, такие как сопротивления защищаемого (^гр-і) и незащищаемого трубопроводов (Ктр2), определяемые сопротивлением их изоляции, и сопротивление растекания протекторов (^р) задаются значениями соответствующих сопротивлений.
Формула для расчета коэффициента эффективности имеет вид:
Кэфф ~ (Озам - ІутУІзам)*1001^
1б5
где 1ут = !общ - 1тр; 1зам = !общ' - 1тр', 1тр' и !общ' - соответствует случаю замыкания ЭИС (ключ К замкнут, рис. 4).
Рис. 4 - Схема электрических соединений лабораторной установки: Ртр2 -
сопротивления участков защищаемого и незащищаемого трубопроводов соответственно; Кпр — сопротивление растеканию протекторов, К - ключ-замыкатель
При исследовании эффективности электроизолирующих свойств ЭИС для трубопровода диаметром 114 мм сопротивление трубопровода Ктр1 изменяли от 2 до 10 Ом (при Ктр2 равном нулю), а Кпр соответствовало 3 и 5 Ом. Сопротивление сточной воды в изолированной части ЭИС составляло 54 Ом. Часть экспериментальных данных приведена в табл. 2.
Таблица 2 - Результаты определения коэффициента эффективности
электроизолирующих свойств ЭИС при напряжении источника 0,9В; длине изолированной части - 80 см; Кпр = 3 Ом
К тр1, Ом Измеряемые величины Расчетные величины
! общ, мА А м ,щ б о т , м > А м £ т А м £ ! зам, мА К эфф, %
10,0 81,4 194,5 52,3 1,3 29,1 193,2 84,9
2,0 137,2 194,0 133,0 6,2 4,2 187,8 97,8
Значения коэффициента эффективности определяются длиной изолированной части ЭИС и существенно зависят от характеристик элементов системы протекторной защиты трубопроводов. Пятикратное (с 2 до 10 Ом) изменение сопротивления трубопровода приводит к 13% уменьшению значения коэффициента эффективности. Еще большее влияние изменение сопротивления трубопровода оказывает на значение тока утечки, которое определяет скорость внутренней коррозии ЭИС, оно возрастает семикратно.
В рассмотренных условиях при сопротивлении трубопровода равном Ктр1 = 10 Ом изменение сопротивления растекания протекторов с 3 до 5 Ом приводит к изменению коэффициента эффективности с 84 до 82 %.
Результаты исследований (табл. 3) показывают, что влияние сопротивлений Ктр1 и Кпр на значения токов утечки сопоставимо с влиянием длины изолированной части ЭИС.
Таблица 3 - Значения токов утечки ЭИС 1уТ (мА) при различных сочетаниях параметров протекторной защиты (Ртр1, Кпр) и длины изолированной части
Значения сопротивлений, Ом Длина изолированной части ЭИС, см
Ктр1 Кпр 30 60 90
10 3 43 40,1 24,6
5 38,5 27,6 20,9
2 3 5,6 4,3 3,4
5 3,8 2,5 0,3
Для моделирования распределения тока между разделенными ЭИС трубопроводами в случае, когда сопротивление незащищаемого трубопровода не равно нулю, в схему включали сопротивление Ктр2, изменение значений которого позволяет исследовать влияние на эффективность электроизолирующих свойств ЭИС качества изоляции поверхности незащищаемого трубопровода.
Исследования проводили при нескольких значениях сопротивлений защищаемого трубопровода (^1) и переменных значениях сопротивления незащищаемого трубопровода (^гр2), которое изменялось от нуля до значения, равного сопротивлению защищаемого трубопровода. Сопротивления растекания протектора выбирали равными 3 и 6 Ом. Результаты моделирования сведены в табл. 4, 5.
Таблица 4 - Результаты моделирования распределения токов между защищаемым и незащищаемым трубопроводами, Рпр = 3 Ом
Измеряемые величины Определяемые величины
№ Бтр1 Ом Ктр2 Ом I мА и мВ I* мА и* мВ 1тр1 мА 1тр2 мА тр1 А *Г 2 1* I тр2 мА Кэфф> %
1 50 0 45 643 150,3 34 12,86 32,14 0,68 149,62 79
2 50 5 38,6 668 86,2 405 13,36 25,24 8,10 78,10 68
3 50 10 35,2 689 63,4 536 13,78 21,42 10,72 52,68 59
4 50 15 32,7 704 51,9 602 14,08 18,62 12,04 39,86 53
5 50 20 30,7 714 44,8 643 14,28 16,42 12,86 31,94 49
6 50 25 29,2 723 40,2 670 14,46 14,74 13,40 26,80 45
7 50 30 28,8 719 39,3 675 14,38 14,42 13,50 25,80 44
8 50 35 27,8 727 36,1 692 14,54 13,26 13,84 22,26 40
9 50 40 27,1 734 34,4 702 14,68 12,42 14,04 20,36 39
10 50 45 26,2 739 32,4 714 14,78 11,42 14,28 18,12 37
11 50 50 26 743 31,7 718 14,86 11,14 14,36 17,34 36
12 25 0 51 598 152,4 21 23,92 27,08 0,84 151,56 82
13 25 5 46,8 622 90,1 382 24,88 21,92 15,28 74,82 71
14 25 10 43,9 638 69,4 500 25,52 18,38 20,00 49,40 63
15 25 15 42 649 59,2 558 25,96 16,04 22,32 36,88 57
16 25 20 40,4 657 53,1 593 26,28 14,12 23,72 29,38 52
17 25 25 39,2 664 49 616 26,56 12,64 24,64 24,36 48
18 5 0 87,5 383 147,4 49 76,6 10,90 9,80 137,60 92
19 5 5 86 391 106,4 277 78,2 7,80 55,40 51,00 85
* Величины, определяемые при замыкании ЭИС.
Таблица 5 - Результаты моделирования распределения токов между защищаемым и незащищаемым трубопроводами, Рпр = 6 Ом
Измеряемые величины Определяемые величины
№ Бтр1 Ом Ктр2 Ом I мА и мВ I* мА и* мВ тр1 А р2 А -±- % 1* I тр1 мА 2 тр А *г ^ Кэфф> %
1 50 0 38,4 556 101,3 21,1 11,12 27,28 0,42 100,88 73
2 50 5 34,6 589 67,4 316 11,78 22,82 6,32 61,08 63
3 50 10 32 612 52,7 443 12,24 19,76 8,86 43,84 55
4 50 15 29,9 630 44,4 515 12,60 17,30 10,30 34,10 49
5 50 20 28,3 645 39,1 560 12,90 15,40 11,20 27,90 45
6 50 25 27 656 35,5 592 13,12 13,88 11,84 23,66 41
7 50 30 26,8 658 34,8 598 13,16 13,64 11,96 22,84 40
8 50 35 25,8 667 32,3 619 13,34 12,46 12,38 19,92 37
9 50 40 25,2 672 30,9 632 13,44 11,76 12,64 18,26 36
10 50 45 24,4 679 29,3 646 13,58 10,82 12,92 16,38 34
11 50 50 24,1 682 28,7 651 13,64 10,46 13,02 15,68 33
12 25 0 44,4 498 101,6 19 19,92 24,48 0,76 100,84 76
13 25 5 41,3 525 69,5 297 21,00 20,30 11,88 57,62 65
14 25 10 39,2 544 56,5 408 21,76 17,44 16,32 40,18 57
15 25 15 37,5 559 49,5 469 22,36 15,14 18,76 30,74 51
16 25 20 36,2 570 45,1 506 22,80 13,40 20,24 24,86 46
17 25 25 35,1 579 42,2 532 23,16 11,94 21,28 20,92 43
18 5 0 66,3 286 101,5 19 57,20 9,10 3,80 97,70 91
19 5 5 64,6 293 78,9 208 58,60 6,00 41,60 37,30 84
* Величины, определяемые при замыкании ЭИС.
С ростом сопротивления незащищаемого трубопровода сила протекающего через него тока уменьшается (табл. 4, 5). Одновременно с этим незначительно возрастает сила тока, протекающего через защищаемый трубопровод, что обусловлено уменьшением падения напряжения на сопротивлении растекания протектора и вследствие этого увеличением напряжения, приложенного к сопротивлению Ктр1.
Экспериментальные данные (табл. 4, 5) свидетельствуют о том, что качество изоляции незащищаемого трубопровода существенно влияет на коэффициент эффективности ЭИС, и, следовательно, эффективность ЭИС зависит от системы электрохимической защиты, в которую оно включено.
Таким образом, предложенные схемы электрических соединений лабораторной установки позволили оценить влияние длины изолированной части ЭИС, а также параметров системы электрохимической защиты на токи утечки через ЭИС и коэффициент эффективности его работы.
Литература
1. Свободная энциклопедия «Википедия» [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
ШрУ/гц.'тИре&а.о^/'шИ/Физическое моделирование.
2. 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.
3. Фатхуллин, А.А. Результаты лабораторных исследований эффективности электроизолирующих
соединений / А.А. Фатхуллин, Ф.Ш. Шакиров, Р.М. Шаммасов // Сб. науч. трудов TатНИПИнефть. -2009.- С. 45В - 466.
4. Фатхуллин, А.А. Распределение токов в системах протекторной защиты трубопроводов с электроизолирующими соединениями / А.А. Фатхуллин, Р.А. Кайдриков, Б.Л. Журавлев, С.С. Виноградова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - № 4. - С. 240 - 243.
5. Фатхуллин, А. А. Электроизолирующие соединения в системах электрохимической защиты: учеб. пособие / А.А. Фатхуллин, Р.А. Кайдриков, Б.Л. Журавлев, В.Э. Гачева. - Казан. гос. технол. ун-т., Казань, 2011. - 132 с.
6. Бэкман, В.Н. Катодная защита от коррозии (Перевод под ред. И.В. Стрижевского) / В.Н. Бэкман, В. Швенк. - М.: Металлургия, 19В4. - 467 с.
7. Фатхуллин, А.А. Электроизолирующие соединения в системах электрохимической защиты / А.А. Фатхуллин, Р.А. Кайдриков, Б.Л. Журавлев, В.Э. Гачева // Международная конф., посвящ. 110-летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР Г.В. Акимова «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии»: тезисы докладов. - Москва, 2011. - С. 136.
© 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.
