CC BY
195
УДК 621.31 1.22:075.8
В.Г. Киселёв
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Постановка проблемы
При разработке и внедрении в производство изделий, оборудования, конструкций и сооружений различного типа существенную роль играет их коррозионная стойкость. Коррозия относится в основном к экономическим проблемам, так как связана с возможными потерями основных и оборотных фондов, а также предпринимательской прибыли. Этот факт, в частности, на законодательном уровне отражает пункт 1.4 ГОСТ 9.602 — 89 [1]: «При разработке проекта строительства подземных металлических сооружений одновременно должен разрабатываться проект их защиты от коррозии». Следует напомнить и пункт 1.11 [1]: «Средства защиты подземных металлических сооружений от коррозии выбирают исходя из вида сооружения, условий прокладки, данных об опасности коррозии и требуемого срока службы сооружения на основании технико-экономического обоснования...». Последний пункт, к сожалению, был отменен законодателем в 1995 году [2]. Таким образом, как ГОСТ 51164 - 98 [3], так и ГОСТ 9.602 - 2005 [4] (эти нормативные документы действуют и в настоящее время) демонстрируют единый подход к вопросу об осуществлении антикоррозионных мероприятий. Они (антикоррозионные мероприятия) необходимы в том или ином виде, определяемом нормативными документами, а выбор наиболее эффективного варианта не требуется. Аналогично построены и ведомственные инструкции, посвященные вопросам защиты от коррозии, например «Типовая инструкция по защите трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии» [5]. Следовательно, заказчик получает проект соответствующий нормативным документам, но вряд ли оптимальный по затратам. Решению проблемы оптимизации затрат, по крайней мере в отношении катодной защиты наложенным током, для трубопроводов и посвящена данная статья.
Катодная защита от коррозии наложенным током подземных металлических сооружений.
Основные понятия и предпосылки
Катодная защита от коррозии наложенным током (в дальнейшем — «катодная защита», или «электрохимическая защита») в случае подземных металлических сооружений (П М С) используется в основном для защиты от почвенной коррозии, а также и для защиты от коррозии, вызываемой постоянными и переменными блуждающими токами.
Современные устройства катодной защиты представляют собой, как правило, катодные станции, снабженные специальными блоками, которые обеспечивают автоматическое регулирование электрических параметров защиты (рис. 1). В качестве основного параметра, подлежащего регулировке, обычно выбирается электрохимический потенциал защищаемого сооружения по отношению к грунту. При отсутствии особых условий агрессивности его поддерживают в границах от—0,85 В до —1,15 В. Измерения
1 2
Рис. 1. Схема катодной защиты: /— катодная станция (преобразователь); 2— БДР (блок диодно-резисторный); 3— аноды (контур анодного заземления); 4— контурный кабель; 5— электрод сравнения; 6— водовод; 7— теплосеть; 8— телефонные кабели; 9— силовые кабели высокого напряжения
в этом случае проводят с использованием мед-но-сульфатного электрода сравнения.
В соответствии с DIN 30676 необходимыми предпосылками для осуществления качественной электрохимической защиты от коррозии являются:
обеспечение высокой продольной проводимости трубопроводов (отсутствие изолирующих фланцев, устранение соединений в трубопроводе с высоким электрическим сопротивлением ит. д.);
отсутствие контактов с заземленными сооружениями (заземляющие устройства, арматура железобетонных фундаментов, другие подземные металлические сооружения, не подлежащие катодной защите, и т. д.);
наличие качественной диэлектрической изоляции.
Будем считать, что в нашем случае первые два требования безусловно выполнены, и приступим к собственно расчету катодной защиты и оценке ее технико-экономической эффективности как функции качества изоляции ПМС. В качестве объекта защиты выберем отдельно расположенный трубопровод, находящийся в грунте.
Расчет катодной защиты подземного трубопровода: основные этапы
При проектировании электрохимической защиты технические и экономические характеристики проекта тесно взаимосвязаны и практически неотделимы друг от друга. Основные исходные данные для расчета катодной защиты: диаметр трубопровода (газопровода), толщина стенки трубопровода, удельная проводимость материала трубопровода, удельная плотность защитного тока, удельное сопротивление грунта, а также стоимость материалов, оборудования, строительства и эксплуатации систем катодной защиты.
Расчет стоимости электрохимической защиты будем проводить по методу годовых приведенных затрат в пересчете на один километр трубопровода при периоде эксплуатации Т— 10 лет. Однако предварительно определим необходимые для экономического расчета технические параметры катодной защиты.
Определение необходимой плотности защитного тока. Первым этапом проектирования любой электрохимической защиты является определение необходимой плотности защитного тока ,/,. Оценить значение этой величины можно либо
экспериментально (при наличии уже построенного ПМС), либо теоретически (при проектировании нового подземного металлического сооружения) с использованием соответствующих нормативных документов [6]. При этом очевидно, что затраты на электрохимическую защиту будут снижаться с уменьшением величины защитного тока. Снижения этой величины добиваются, прежде всего, качественной изоляцией ПМС и устранением контактов ПМС с другими металлическими сооружениями, соприкасающимися с грунтом. Для трубопроводов снижению затрат на электрохимическую защиту способствует и увеличение их продольной проводимости.
Для оценки возможных изменений плотности защитного тока в грунте мы воспользуемся данными из справочника [7], предварительно усреднив их и представив в табличной форме (табл. 1).
Таблица 1
Зависимость средней плотности защитного тока от вида изоляции в грунте
Тип покрытия Плотность защитного
тока А/м2
Полиэтиленовое 5-10 6
Битумное с армированием 6-1 (Г5
из стекловолокна
Битумное с армированием 10 3
из войлока
Джутовое с пропиткой 10 2
Без покрытия 5-10 2
С целью большей наглядности конечного результата выберем для дальнейших вычислений некоторые конкретные значения плотности защитного тока. Пусть она равняется соответственно 1,10"', Ю-2, 10"3, юЛ Ю-5и 10-6А/м2. Кроме того, в процессе расчета нам потребуются и некоторые другие данные. Выберем их и зададимся конкретными значениями этих величин, которые и будем использовать при вычислениях, а именно: р5 — удельное сопротивление стали (р5 — 0,18 - Ю-6 Ом*м); с1— наружный диаметр
трубопровода (¿/=321 мм); 5 — толщина стенки
р
ление грунта в районе расположения анодного
заземления; оно может колебаться в очень ши-
р
Определение величины защитной зоны трубопровода. Определение величины защитной зоны трубопровода будем проводить при омическом падении потенциала в его зоне защиты, равном 0,3 В согласно формуле [7]
2Ь =
2,45
(1)
Расчет будем вести при выбранных выше значениях плотности защитного тока и других параметров.
Представим зависимость величины защитной зоны трубопровода, вычисленную по формуле (1), от плотности защитного тока и численных характеристик защищаемого объекта в табличной форме (табл. 2).
Определение величины защитного тока. Для определения величины защитного тока можно воспользоваться следующей формулой [7]:
/0 = 2л^. (2)
Внесем полученные данные в табл. 2.
Определение оптимального количества электродов в анодном заземлении. Оптимальное количество электродов в анодном заземлении может быть определено по формуле [8]
пт = /„
\FRgpktT
(3)
К0р0т
где Г— фактор взаимовлияния анодов, определяющий увеличение сопротивления анодного устройства в результате взаимного экранирования отдельных анодов. Его величина обычно ко-
леблется в пределах от 1 до 2,5. В наших расчетах для большей наглядности мы примем Г— 1; / — количество часов в году, t = 8760 часов; Т— расчетный срок эксплуатации анодного заземления (годы). Мы принимаем Т= 10 лет; р — удельное сопротивление грунта в районе расположения анодного заземления. Оно может колебаться
в очень широких пределах. Мы будем считать р
Примем ее условно равной 1 рубль за 1 кВт-час; Кф — стоимость отдельного анода, включая его установку; примем ее равной 10 ООО руб.; и> — коэффициент полезного действия преобразователя; примем его равным 0,5; Я0 — сопротивление
растекания отдельного анода при удельном сор
чая вертикальных анодов длиной /, диаметром й и с глубиной заложения / = 0 оно может быть вычислено по следующей формуле [7]:
2л/ й
(4)
Пусть /= 2 м, а й= 0,05 м, тогда Я0 = 5,07 Ом, или Л0*5Ом.
Представим результаты расчета оптимального количества анодов в анодном заземлении в табл. 2. Дополнительные численные параметры, необходимые для вычислений, приведены выше.
Определение величины сопротивления растекания анодного заземления. При осуществлении дальнейших вычислений нам потребуется знание величины сопротивления растекания анодного заземления, которое определяется формулой [81
Таблица 2
Технические параметры катодной защиты трубопровода наложенным током, определяемые при различных плотностях защитного тока
У, 21, 4 пк, к,. Як, Я И-', и/,
А/м2 м А шт. тыс. р мм Ом Ом Ом Ом Вт Вт
1 283 283 2648,9 26489 1567 0,00318 0,00191 0,00112 0,00621 1492 994,7
10 ' 894 89,4 836,8 8368 495,3 0,0101 0,00606 0,00353 0,01969 472 314,7
10 2 2828 28,3 264,9 2649 156,7 0,0318 0,0191 0,0112 0,0621 149 99,5
10 3 8944 8,9 83,7 837 49,5 0,101 0,0605 0,0353 0,1966 47 31,1
10 4 28280 2,8 26,5 265 15,6 0,321 0,191 0,112 0,624 15 9,8
10 5 89440 0,9 8,4 84 5,0 1,00 0,604 0,353 1,957 5 3,0
10 " 282800 0,3 2,6 26 1,56 3,00 1,95 1,12 6,07 2 1Д
Яа=(5) " Ро
р
= р0= 10 Омм, следовательно, сопротивление отдельного анода в грунте Я = Я0. Производя вычисления с помощью формулы (5), поместим полученные данные в табл. 2.
Выбор оптимального сечения дренажного кабеля. Выбор оптимального сечения кабеля постоянного тока, обычно производят при помощи специального графика (см., например, справочник [7]) исходя из величины защитного тока и срока службы установки электрохимической защиты или по величине максимально допустимого падения напряжения на нем. Кроме того, оптимальное сечение кабеля, мм', может быть определено и по следующей разработанной нами формуле:
. \RftT ...
где К{ — стоимость одного погонного метра кабеля сечением 1 мм2. Пусть она составляет 100 рублей за погонный метр кабеля сечением 1 мм2. В дальнейшем мы будем приближенно считать, что стоимость пропорционально возрастает с ростом сечения кабеля и его длины. — сопротивление одного погонного метра кабеля сечением 1 мм2, которое в свою очередь определяется формулой
Рк-^К (7)
к
рр
= 1,75-Ю-8 Ом-м); /к — длина кабеля (в нашем случае /к = 1 м); 5К — сечение кабеля (в нашем случае равное 1 мм2); С — стоимость 1 кВт-час электроэнергии; примем ее условно равной 1 рубль за 1 кВт-час; и> — коэффициент полезного действия преобразователя. Мы принимаем и>= 0,5; Т— срок службы установки электрохимической защиты (принимаем Т— Шлет).
Результаты расчета оптимального сечения кабеля для различных защитных токов, произведенные по формуле (6), представлены в табл.2.
Определение общего сопротивления дренажного кабеля. Общее сопротивление дренажного кабеля может быть рассчитано с использованием известной из курса физики формулы
К=Р1—, (7)
Яо
_О
р = 1,75-10 Ом •м; длину кабеля принимаем с целью большей наглядности вычислений для всех рассматриваемых вариантов электрохимической защиты, /к = 100 м; п0 — оптимальное сечение кабеля в мм2.
Определим общее сопротивления кабеля протяженностью 100 метров для различных плотностей тока по формуле (7) и поместим полученные результаты вычислений в табл. 2.
Определение входного сопротивления трубопровода. В соответствии со справочником [7] расчет входного сопротивления трубопровода будем производить по формуле
Данные расчета представим в табл. 2.
Определение необходимой мощности преобразователя. Рассчитаем необходимую мощность преобразователя. Как известно, мощность источника тока для катодной защиты может быть вычислена по следующей формуле
ИК = кхк211 Я , (9)
где к{ — коэффициент, учитывающий потери мощности при преобразовании электрического тока из переменного в постоянный (примем его равным 2, т. е. коэффициент полезного действия — 0,5); к2 — коэффициент, учитывающий запас мощности преобразователя, принятый при проектировании катодной защиты, и возможное снижение сопротивления изоляции трубопровода со временем; мы принимаем его равным 1,5; Я — общее сопротивление в цепи постоянного тока, которое вычисляется по формуле
Я = Яя + ЯК + Ит, (10)
где Д, — сопротивление растекания (включая омическое и поляризационное) анодного заземления; ЯК — омическое сопротивление кабеля постоянного тока; Д. — входное сопротивление (включая омическое и поляризационное ) трубопровода.
Вычислим необходимую мощность ^преобразователя в соответствии с формулой (9) и внесем данные в табл. 2.
Определение расхода электроэнергии при защите трубопровода. При расчете расхода электроэнергии нам потребуется упрощенная форму-
ла для определения мощности преобразователя и соответственно расхода электроэнергии при защите трубопровода в течение часа работы установки катодной защиты:
К = (11)
Вычислим необходимую мощность преобразователя )¥э в соответствии с формулой (11) и внесем полученные данные в табл. 2.
Расчет годовых приведенных затрат катодной защиты наложенным током. Примем, как и ранее, срок эксплуатации катодной защиты равным десяти годам. Расчет экономической эффективности катодной защиты будем производить с использованием данных из табл. 2 и формулы для приведенных коррозионных затрат, рассчитанных на весь срок службы установки катодной защиты [9]
Ц=К+СГ, (12)
где К — капитальные затраты на сооружение установки катодной защиты. Этот вид затрат зависит в первую очередь от мощности установки катодной защиты, и его удобно разбить на три составные части:
К=Ка + Кк+Кп, (13)
где Ка — капитальные затраты, необходимые для сооружения анодного заземления; Кк — капитальные затраты, израсходованные на покупку и монтаж дренажного кабеля; Кп — капитальные затраты на покупку и установку преобразователя. В силу относительно небольшого вклада этой величины в общие капитальные затраты
примем Кп равным 200 ООО рублей для плотностей тока от 1 до Ю-2 А/м2 и соответственно
_-5
100 ООО рублей для плотностей тока от 10 "до Ю-6 А/м2; С — годовые эксплуатационные затраты, рассчитанные на одну установку катодной защиты, которые, в свою очередь, удобно разбить на следующие составные части:
С = СР + С,. (14)
Здесь СР — затраты на профилактику установки катодной защиты, проведение различных измерений, капитального и текущего ремонтов и так далее. Для конкретной установки их можно принять постоянными в течение всего периода эксплуатации катодной защиты. Они мало изменяются при изменении мощности установки электрохимической защиты. Мы примем их равными 100 000 р/год; С, — годовые затраты на электроэнергию. Для конкретной установки их можно считать постоянными в течение всего периода эксплуатации катодной защиты, но они очень сильно зависят от величины защитного тока и определяются формулой
Сэ = кЩ, (15)
где к — стоимость электроэнергии (принимаем ее равной 1 р/кВт-ч); / — количество часов в году (8760 ч); — мощность, потребляемая на входе преобразователя электрохимической защиты.
Рассчитаем приведенные коррозионные затраты , отнесенные ко всему сроку службы установки катодной защиты, в соответствии с формулой (12). Полученные результаты, а также промежуточные результаты расчета поместим в табл. 3.
Таблица 3
Экономические параметры катодной защиты трубопровода наложенным током, определяемые при различных плотностях защитного тока.
к,. тыс. р Кк, тыс. р К,„ тыс. р к, тыс. р тыс. р с„ тыс. р С, тыс. р Д, тыс. р Др тыс. р д.. тыс. р
26 489 15 670 200 42 359 100 8, 714 108,7 43 446 4 345 15 353
8 368 4 953 200 13 503 100 2, 757 102,8 14 531 1453 1625
2 649 1 567 200 4416 100 0,872 100,9 5 425 543 192
837 495 100 1 432 100 0,272 100,3 2 435 244 27,3
265 156 100 521 100 0,086 100,1 1 522 152 5,4
84 50 100 234 100 0,026 100,0 1234 123 1;4
26 15,6 100 141.6 100 0,010 100,0 1142 114 0,4
Определение годовых приведенных затрат катодной защиты будем проводить по следующей формуле:
Ц, = К/Т+С, (16)
Рассчитаем годовые приведенные коррозионные затраты по формуле (16); результаты поместим в табл. 3.
Определение годовых приведенных затрат на катодную защиту в пересчете на один километр трубопровода. Определение годовых приведенных затрат на катодную защиту в пересчете на один километр трубопровода можно произвести по следующей формуле
Ц^Ц.ЛЗХ). (17)
Рассчитаем годовые приведенные коррозионные затраты по формуле (17), а полученные результаты поместим в табл. 3.
Основные результаты работы:
Предложен модернизированный метод проектирования катодной защиты подземных металлических трубопроводов наложенным током, в котором используются процедуры, оптимизирующие стоимость катодной защиты, рассчитанную на один километр протяженности подземного металлического сооружения.
Показано, что с увеличением плотности защитного тока происходит непропорционально резкий рост стоимости годовых приведенных затрат на катодную защиту в расчете на один километр подземного металлического трубопровода.
Приведены примеры конкретного расчета катодной защиты с использованием предложенного метода для различных значений плотности защитного тока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 9.602-89. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии |Текст| / ГК СССР по стандартам,- М„ 1989.
2.Сборник нормативных документов и рекомендаций по защите газовых сетей от коррозии |Текст| / АО «Росгазификация»,— М., 1996.— С. 2.
3. ГОСТ Р 51164—98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии [Текст] / Госстандарт России,— М., 1998.
4. ГОСТ 9.602-2005. Единая система защиты от коррозии и старения; Сооружения подземные; Общие требования к защите от коррозии [Текст] / М.: Стандартинформ, 2006.
5. РД 154-34.0-20.518-2003. Типовая инструкция по защите трубопроводов тепловых сетей от
наружной коррозии [Текст].— М.: Изд-во «Новости теплоснабжения», 2003.
6. РД 153-39.4-091-01. Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии [Текст|,— СПб.: Изд-во ДЕАН, 2002,- С. 175.
7. Baeckmann, W. Taschenbuch für den katodischen Korrosionsschutz |Текст] / W. von Baeckmann.— Vulkan-Verlag Essen.- 1996,- S. 63, 75, 77, 147, 120, 73.
8. Baeckmann, W. Handbuch des katodischen [Текст] / W. von Baeckmann, W. Schwenk.— Korrosionsschutzes. Verlag Chemie.— 1980,— S. 224, 219.
9. Киселёв, В.Г. Совершенствование методики оценки экономической эффективности антикоррозионных мероприятий [Текст] / В.Г. Киселёв // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2009,- № 4 (89). Т. 2,- С. 109.
