CC BY
47ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА АНОДНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ КАК ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ
УДК 622.691.4.053:620.197.5 (043.3)
Е.Л. Карнавский, АО «Гипрогазцентр» (Нижний Новгород, РФ),
ekarnavsky@ggc.nnov.ru
С.А. Никулин, АО «Гипрогазцентр», s.nikulin@ggc.nnov.ru
В условиях ограниченного финансирования нахождение остаточного ресурса оборудования противокоррозионной защиты выступает одной из основных задач. Анодные заземления являются основным и самым дорогостоящим элементом системы электрохимической защиты. Сегодня главный критерий вывода в ремонт анодного заземления - превышение нормированного значения его сопротивления растеканию.
В статье предложено использовать критерии по запасу силы тока, напряжения, мощности станции катодной защиты. В результате моделирования доказано, что использование критерия «сопротивление растеканию анодного заземления» не является обоснованным, так как при данных условиях запас по силе тока, напряжению и мощности станции катодной защиты значительно превышает срок необходимого ремонта по критерию «сопротивление растеканию». Поддержание сопротивления растеканию анодного заземления приводит к уменьшению затрачиваемой выходной мощности станции катодной защиты. При этом ощутимая разница в затрачиваемой мощности в случае ремонта анодного заземления и при работе станции катодной защиты с запасом по току для данных условий видна только после 50 лет эксплуатации. В результате анализа данных коррозионного мониторинга для действующего объекта магистрального транспорта газа разработаны подходы по определению остаточного ресурса анодных заземлений. Анализ трендов изменения параметров станции катодной защиты с использованием математической модели распределения защитных потенциалов позволил получить графики прогнозных предельных значений по силе тока и входного сопротивления станций катодной защиты с учетом поддержания заданного минимального значения потенциала на трубопроводе. Расчетный срок обеспечения защищенности с помощью действующего оборудования противокоррозионной защиты составил 16 лет.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МАГИСТРАЛЬНЫЙ ГАЗОПРОВОД, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ, ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС АНОДНЫХ ЗАЗЕМЛЕНИИ, СИСТЕМА КОРРОЗИОННОГО МОНИТОРИНГА.
Управление техническим состоянием эксплуатируемого объекта основывается на рациональном планировании расходов, определении приоритетов и последовательности мероприятий поддержания объекта в работоспособном состоянии.
Сегодня, в условиях оптимизации расходов при эксплуатации, основными задачами являются: определение факторов технического состояния системы противокоррозионной защиты (ПКЗ), их ключевых показателей, необходимых мероприятий и алгоритмов оценки приоритетности
при финансировании, а также управляющего механизма для планирования, мониторинга и при необходимости корректировки планируемых воздействий.
Оптимизация эксплуатационных затрат связана в том числе с повышением энергоэффективности и увеличением ресурса оборудования. Остаточный ресурс, или срок службы, - это наработка объекта (календарная продолжительность эксплуатации) от момента контроля его технического состояния (идентификации) до перехода в предельное состояние.
В условиях ограниченного финансирования возникает вопрос о принятии правильных управленческих решений по планированию объемов капитального ремонта, распределению их во временном интервале [1].
Для решения задачи оптимальной загрузки станций катодной защиты (СКЗ) с учетом состояния оборудования может быть использована математическая модель влияния силы тока СКЗ на распределение величины защитных потенциалов по трассе трубопровода [2-4]. Кроме того, наличие математической моде-
Karnavsky E.L., Giprogazcenter JSC (Nizhny Novgorod, Russian Federation), ekarnavsky@ggc.nnov.ru Nikulin S.A., Giprogazcenter JSC, s.nikulin@ggc.nnov.ru
Determination of the residual service life of anodic earthing as an element of the electrochemical protection against corrosion
Under limited funding conditions, determination of the remaining lifetime of corrosion protection equipment becomes a major task. Anodic earthing is basic and the most expensive elements of a cathodic protection system. The main criterion for decommissioning the anodic earthing for repair is the exceedance of the rated dissipation resistance of the anode. It is proposed to use criteria based on margins available in terms of electrical current, voltage, and power of the cathodic protection station. Modeling has demonstrated that using exceeded dissipation resistance as a criterion is not justified because under such conditions the margins in the cathodic protection station's current, voltage, and power significantly extend the time before repair required based on the exceeded dissipation resistance. Maintaining the dissipation resistance of an anodic earthing causes a reduction in the cathodic protection station's consumed power. Whereas, the notable difference in consumed power between the case of anodic earthing repair and the case of the cathodic protection station operation with the electrical current margin can be seen only after the 50 years of operation.
The approaches were developed in order to determine the remaining life times of anodic earthing based on corrosion monitoring data analysis for an operating main-pipeline gas transport facility. The analysis of trends of change of the cathodic protection station's parameters using a mathematical model of distribution of protective potentials allowed to create the diagrams of estimated limit values of the cathodic protection station's electrical current and inlet resistance taking into account the maintenance of the predefined minimum value of the potential on the pipeline. The time period of the protection assured by existing corrosion protection equipment is 16 years.
KEYWORDS: MAIN PIPELINE, CATHODIC PROTECTION, ANODIC EARTHING REMAINING LIFETIMES, CORROSION MONITORING SYSTEM.
Критерий эффективности АЗ в зависимости от удельного сопротивления грунта Criterion of the effectiveness of anodic earthing depending on the soil resistivity
Параметр Parameter Значение Value
Удельное сопротивление грунта, Омм Resistivity of the soil, Ohmm <10 10-20 21-100 101-200 201-300 >300
Критическое сопротивление растеканию тока, Ом Critical resistance to current spreading, Ohm 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0
ли дает возможность решения задачи рационального распределения выделенных средств на капитальный ремонт оборудования и материалов ПКЗ. Решая задачу перебора различных вариантов функционирования элементов системы ПКЗ, можно определять первоочередные объекты для проведения капитального ремонта.
Основными элементами системы ПКЗ являются СКЗ, изоляционные покрытия (ИП)и анодные заземления (АЗ). В процессе работы СКЗ защитный ток, стекающий с АЗ, вызывает их растворение и увеличение сопротивления растекания тока АЗ. Кроме того, ухудшение сопротивления ИП требует постоянного повышения силы тока на выходе СКЗ, что в совокупности с растворением АЗ
со временем приводит к достижению предельных режимов СКЗ по силе тока или напряжению и, соответственно, к невозможности обеспечения защитных потенциалов на газопроводе. Поэтому оста -точным ресурсом для АЗ необходимо считать срок до наступления предельных режимов работы СКЗ по силе тока, напряжению или мощности, так как это приведет к невозможности выполнения основной функции системы электрохимической защиты (ЭХЗ) от коррозии, а именно поддержания защитной разности потенциалов на защищаемом участке трубопровода.
С точки зрения капитальных и эксплуатационных затрат АЗ в системе ЭХЗ является самым дорогостоящим элементом, а на промышленных площадках ре-
монт АЗ будет сопровождаться восстановлением благоустройства и проездов, что приводит к значительному удорожанию. Следовательно, определение остаточного ресурса и аргументированных сроков проведения капитального ремонта данного элемента является необходимой задачей.
Выбор АЗ, которые необходимо вывести в капитальный ремонт, -комплексная задача, при решении которой также необходимо учитывать количество выделенных на ремонт средств [5].
Сопротивление растеканию АЗ определяется в результате периодических замеров и при диагностических обследованиях. На сегодняшний день рекомендуемый критерий вывода в капитальный ремонт АЗ по значению сопро-
а) a) Rи, х103 0м-м2 Я.хМ3 Ohm-m2
б) b)
в) с)
f, ГОД
Г, year
10
20
30
f, ГОД
t, year
ДО
50
60
15
10
20
30
f, год f, year
40
50
60
г) d)
ffB, 0м R. Ohm
10
20
30 f, год f, year
Д0
50
60
Рис. 1. Графики изменения основных электрических характеристик газопровода и параметров оборудования ПКЗ во времени: а) сопротивление ИП; б) выходная сила тока СКЗ; в) площадь поверхности АЗ; г) сопротивление растеканию АЗ Fig. 1. Diagrams of changes in the main electrical characteristics of the pipeline and the parameters of the corrosion protection equipment in time: a) insulated coating resistance; b) output current of the cathodic protection station; c) surface area of anodic earthing; d) resistance to spreading of anodic earthing
тивления растеканию тока в зависимости от удельного сопротивления грунта из методических указаний ОАО «Оргэнергогаз» по диагностическому обследованию газопроводов приведен в таблице.
Данный критерий в ряде случаев не является обоснованным. Например, при хорошем состоянии ИП для поддержания защитного потенциала на объекте требуются небольшие значения силы катодного тока. Превышение значений сопротивления растеканию в данном случае ведет к необходимости повышения напряжения на выходе СКЗ и не сказывается на защищенности.
Основными параметрами, определяющими остаточный ресурс АЗ, выступают: остаточная масса АЗ;
скорость анодного растворения; требуемая средняя сила тока за период; площадь поверхности АЗ; удельное сопротивление грунта. В свою очередь, главными ограничительными критериями при определении остаточного ресурса АЗ являются запасы по току и напряжению СКЗ, при которых обеспечиваются требуемые показатели защищенности и скорости коррозии.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
Для проверки справедливости критерия вывода в ремонт АЗ согласно документации ОАО «Оргэнергогаз» была проведена работа по моделированию изменения характеристик АЗ во времени на объекте магистрального транспорта газа.
Приняты следующие основные параметры для формирования модели: диаметр трубопровода йт = 1420 мм; начальное сопротивление изоляции Диз0 = 300 000 Ом.м2; расчетный срок работы газопровода I = 60 лет; тип АЗ - подповерхностный;число анодов в группе N = 40 шт.; скорость растворения материала электродов АЗ - 0,3 кг/Агод; мощность СКЗ - 200, 1000 Вт; удельное электрическое сопротивление грунта ргр = 150 Ом.м.
Расчет основных электрических характеристик газопровода и параметров оборудования ПКЗ и их изменения в течение срока эксплуатации газопровода был проведен согласно действующей нормативной документации (СТО Газпром 9.2-003-2009 [6]) с
учетом изменения во времени переходного сопротивления трубопровода, изменения площади АЗ и сопротивления растекания току в процессе работы, а также изме -нения выходных параметров СКЗ при заданном уровне защитного потенциала (рис. 1). Для анализа критериев вывода в ремонт на полученные графики изменения параметров оборудования были нанесены ограничения, согласно которым АЗ должно быть отремонтировано (рис. 2) [7].
Анализ полученных графиков показывает, что использование критерия сопротивление растеканию АЗ не является обоснованным, так как в приведенном примере предельный срок по данному параметру наступает на 18-й год эксплуатации АЗ, при этом по другим параметрам критические значения наступают после 30 лет эксплуатации для СКЗ мощностью 200 Вт и после 50 лет -для СКЗ мощностью 1 кВт. Выходная сила тока СКЗ увеличивается из-за ухудшения свойств ИП. При этом численный показатель состояния сопротивления ИП не является однозначным критерием для проведения его капитального ремонта при возможности обеспечения защищенности существующей СКЗ. Кроме того, моделирование поддержания сопротивления растеканию тока АЗ в регламентируемых рамках согласно критерию ОАО «Оргэнергогаз», т. е. его периодического ремонта, показывает незначительное продление ресурса относительно критериев по предельным параметрам СКЗ.
Поддержание сопротивления растеканию АЗ приводит к уменьшению затрачиваемой выходной мощности СКЗ. При этом ощутимая разница в затрачиваемой мощности в случае ремонта АЗ и при работе СКЗ с запасом по току и напряжению для СКЗ мощностью 1 кВт видна только после 50 лет эксплуатации. При этом не -обходимо отметить, что стоимость работ по замене АЗ значительно превышает стоимость затрачива-
а) a)
б) b) 25 20 15 5 10 5 О
в) c) 80 70 60 50
5 5 40
30 20 10 О
г) d) 1200 1000
■Ч ® 600
о. а.
400 200 0
Критерий вывода в ремонт
Criterion for repair
10
20
30
f.rofl f, year
40
50
60
Для 1 кВт
For 1 kW
Критерий вывода в ремонт Criterion for repair
Для 200 Вт For 200 W
10
20
30
f, год t, year
40
50
60
Для 1 кВт /
For 1 kW /
/
Критерии вывода в ремонт Для 2110 Вт /
uiieiiun iui repair гиг ¿ии и
10
20
30
f.rofl t, year
40
50
При ремонте A3 At anodic ¿q earthing repair
Для 1 кВт t For 1 kW /
Разница в мощности / Power difference /
>
Критерий вывода в ремонт Для 200 Вт z'/' Criterion for repair For 200 W
10
20
30
f, год t, year
40
При ремонте A3 At anodic б" earthing repair
Рис. 2. Графики определения сроков вывода АЗ в капитальный ремонт для
различных критериев: а) сопротивление растеканию АЗ; б) выходная сила тока СКЗ;
в) выходное напряжение СКЗ; г) выходная мощность СКЗ
Fig. 2. Diagrams for determination of the timing of the output anodic earthing in
the overhaul for various criteria: a) resistance to spreading of anodic earthing; b) output
current of the cathodic protection station; c) output voltage of the cathodic protection
station; d) output power of the cathodic protection station
а) a)
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
б) b)
в) с)
1 1
-|р-----
ssssssssssssssaasssssBsssssssBssssssssg
SBSSSSS5SSS5SSSSI5SSSS1SSSSSSSSSBBSS5SI
Дата Date
г\
SSSESSSSSSSSSSlllSSSSSSSSSSBBSSSSSSSSSSSSSSSi
¡SSSS555SS5SSSESSSS£ES5SSggfg|BBBS55S|
Дата Date
25 20 15 10 5 0
___ .-Л-*'
1
Дата Date
Рис. 3. Графики изменения параметров ПДКМ во времени: а) график защищенности в точке дренажа; б) выходная сила тока СКЗ; в) выходное напряжение СКЗ
Fig. 3. Diagrams of changes in the parameters of the remote corrosion monitoring subsystems in time: a) diagram of protection at the point of drainage; b) the output current of the cathodic protection station; c) the output voltage of the cathodic protection station
емой электроэнергии. Следовательно, ресурс АЗ определяется до срока достижения предельного параметра по силе тока, напряже -нию или мощности СКЗ.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В результате анализа выделены критерии определения остаточного ресурса для основных элементов ПКЗ.
По мнению авторов, основными критериями определения остаточного ресурса АЗ могут служить: запас то току СКЗ для обеспечения требуемых показа-
телей защищенности; количество силы тока, которое может стечь с АЗ при заданной скорости растворения материала (анодной стойкости); запас по напряжению или значение входного сопротивления СКЗ для достижения требуемого запаса по току СКЗ.
Основными критериями определения остаточного ресурса ИП трубопроводов могут служить: наличие неуправляемых процессов коррозии, при которых скорость коррозии не обеспечивает требуемый срок безопасной эксплуатации объекта или назначенного
ресурса(например, подпленочная коррозия); запас по току системы ЭХЗ для обеспечения требуемых показателей защищенности.
Основным критерием определения остаточного ресурса СКЗ служит запас по току от номинального значения.
В качестве практического примера определения остаточного ресурса оборудования ПКЗ и обеспечения защищенности на участке действующего магистрального газопровода были проведены работы по его оценке на основе массива данных, поступающих
а) a)
б) b)
160 НО 120 100
"U«-'
у= 0,0003*+ 3,9309
ggsggsggsBBBBSsssaasssssssssssssssHssssasssssssaSaaaSS
Дата Date
60 40 20 0
y= 0,0602*+ 81,761
Wm
■ ■■ 1
55SSS55555SSS55555SSS55555SSSSSSSSSSSISSSS5SSÏSS
Дата Date
Рис. 4. Графики изменения параметров СКЗ во времени: а) входное сопротивление СКЗ; б) мощность СКЗ
Fig. 4. Diagrams of changes in the parameters of the cathodic protection station in time: a) input resistance of the cathodic
protection station, b) power of the cathodic protection station
а) a)
Измеренные значения Прогнозные значения
Measured values
Predicted values
/// / / / / / / / /////// ** s s s /VA
J* J? J> ^ J
V✓✓✓✓✓✓✓
б) b)
в) c)
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
Дата Date
--
——
Вычисленные значения Прогнозные значения ^ ——-___
Calculated values Predicted values ^ ----_-
——-
f////// ////// Ж J? J> J? J> J? J> J> J> J> J> £ if У «Г У ^ «Г # ^ «Г «Г «Г «Г Дата Date
---
Измеренные значения Прогнозные значения
Measured values
/// / / / / / / / /////// / / /VA
Дата Date
J* О* Л-* J? J> ^ J
'✓✓/V/V/V
Рис. 5. Тренды изменения параметров во времени: а) сила тока СКЗ; б) сопротивление СКЗ; в) коэффициент влияния СКЗ на защитный потенциал
Fig. 5. Trends of changes in parameters in time: a) current of the cathodic protection station; b) resistance of the cathodic protection station; c) coefficient of the effect of cathodic protection station on the protective potential
с оборудования подсистем дистанционного коррозионного мониторинга (ПДКМ).
Объектом исследования был выбран магистральный газопровод «Саратов - Горький», участок «Починки - Нижний Новгород» протяженностью 55 км, на котором в 2014 г. было установлено оборудование ПДКМ производства ЗАО «Трубопроводные системы и технологии».
Для примера определения остаточного ресурса оборудования ПКЗ была выбрана СКЗ 107 км. Мощность СКЗ составляет 2 кВт при номинальной силе тока 42 А и напряжении 48 В. Далее в результате анализа массива полученных данных построены графики защищенности в точке дренажа, силы тока и напряжения СКЗ 107 км во времени (рис. 3), по -лучены графики изменения входного сопротивления и мощности СКЗ (рис. 4).
Тренд изменения входного сопротивления СКЗ, направленный в сторону уменьшения, показывает, что скорость старения ИП превышает скорость увеличения сопротивления растеканию АЗ.
В результате анализа трендов с использованием математической модели распределения защитных потенциалов получены графики прогнозных предельных значений по силе тока и входного сопротивления СКЗ с учетом поддержания заданного минимального значения потенциала на трубопроводе (рис. 5).
Результатом анализа стало определение срока обеспечения защищенности с помощью текущего оборудования ПКЗ, который составил 16 лет, так как измерения проводились в 2016 г., а предельные значения по силе тока наступают раньше, чем предель-
ные параметры по напряжению и мощности и расчетный срок их наступления (2032 г.).
ВЫВОДЫ
Сопротивление ИП влияет на требуемую для защиты выходную силу тока СКЗ. Сопротивление растеканию АЗ влияет на требуемую величину выходного напряжения СКЗ для обеспечения требуемого защитного тока. Следовательно, необходимо использовать критерии вывода в ремонт ИП и АЗ по защитному току, напряжению или мощности СКЗ. Величины сопротивлений ИП и сопротивления растеканию АЗ являются вторичными.
Для оптимизации затрат и определения срока проведения капитального ремонта АЗ необходимо: прогнозировать изменение во времени режимов работы СКЗ в зависимости от состояния ИП и АЗ; иметь математическую модель распределения защитных потенциалов на объекте транспорта газа, позволяющую определить оптимальные значения (режимы работы) СКЗ в штатном режиме и в случае отказа оборудования. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Марянин В.В., Карнавский Е.Л. Концепция системы коррозионного мониторинга объектов газотранспортной системы // Коррозия «Территории «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 1. С. 58-60.
2. Агиней Р.В., Александров Ю.В. Актуальные вопросы защиты от коррозии длительно эксплуатируемых магистральных газонефтепроводов. СПб.: Недра, 2012. 394 с.
3. Карнавский Е.Л., Воробьев А.Н. Оптимизация ресурсов и повышение энергоэффективности при внедрении систем коррозионного мониторинга на объектах ПАО «Газпром» // Коррозия «Территории «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 1. С. 65-67.
4. Никулин С.А. Повышение эффективности предотвращения коррозии нефтегазопроводов на основе оптимального регулирования режимов работы станций катодной защиты. Автореф. дис. ... к.т.н. Ухта, 2015. 22 с.
5. Никулин С.А., Карнавский Е.Л. Оценка остаточного ресурса анодных заземлений в системе электрохимической защиты от коррозии магистральных трубопроводов // Рассохинские чтения: материалы межрегионального семинара. Ч. 1. Ухта: УГТУ, 2016. С. 233-238.
6. СТО Газпром 9.2-003-2009. Защита от коррозии. Проектирование электрохимической защиты подземных сооружений. М.: ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», 2009. 43 с.
7. Карнавский Е.Л., Никулин С.А. Обеспечение защищенности объекта магистрального транспорта газа за счет проведения компенсационных мероприятий // Газовая промышленность. 2016. № S737. С. 14-18.
REFERENCES
1. Maryanin V.V., Karnavsky E.L. Concept of System of Corrosion Monitoring of Objects of the Gas Transmission System. Korroziya "Territorii "NEFTEGAS" = Corrosion of Oil and Gas Territory, 2016, No. 1, P. 58-60. (In Russian)
2. Aginey R.V., Aleksandrov Yu.V. Topical Issues of Protection against Corrosion of the Long Operated Main Gas and Oil Pipelines. Saint Petersburg, Nedra, 2012, 394 p. (In Russian)
3. Karnavsky E.L., Vorobyev A.N. Optimization of Resources and Increase of Energy Efficiency at Introduction of Systems of Corrosion Monitoring on Objects of Gazprom PJSC. Korroziya "Territorii "NEFTEGAS" = Corrosion of Oil and Gas Territory, 2016, No. 1, P. 65-67. (In Russian)
4. Nikulin S.A. Increase of Efficiency Prevention of Corrosion on Oil and Gas Pipelines on the Basis of Optimum Regulation of Working Modes of Cathodic Protection Stations. Extended Abstract of Cand. Sci. (Eng.) Dissertation. Ukhta, 2015, 22 p. (In Russian)
5. Nikulin S.A., Karnavsky E.L. Assessment of a Residual Resource of Anode Grounding in System of Electrochemical Protection against Corrosion
of the Main Pipelines. Rassokhin Conference: Materials of the Interregional Seminar. Part 1. Ukhta: Ukhta State Technical University, 2016, P. 233-238. (In Russian)
6. Company Standard Gazprom 9.2-003-2009. Corrosion Protection. Design of Electrochemical Protection of Underground Structures. Moscow, Gazprom OJSC, VNIIGAZ LLC, 2009, 43 p. (In Russian)
7. Karnavsky E.L., Nikulin S.A. Ensuring Security of Object of the Main Transport of Gas due to Carrying out Compensation Actions. Gazovaya promyshlennost' = Gas Industry, 2016, No. S737, P. 14-18. (In Russian)
