CC BY
31
УДК 621.643 Астр. Г.М. Прислiпськаl -
1вано-Франшвсышй НТУ нафти i газу
ПРОГНОЗУВАННЯ ЙМОВ1РНОСТ1 ЕЛЕКТРОКОРОЗН ТРУБОПРОВОД1В У Р1ЗНИХ ТИПАХ ГРУНТ1В
Аналiз проблеми впливу змiнного струму на трубопроводи дае змогу зробити вис-новки про те, що цей процес вивчено частково. Актуальним i найбшьш надiйним способом детального вивчення електрокорози змiнним струмом трубопроводiв у грунтових умовах е використання комплексного шдходу, що базуеться на анал^ичному вирiшеннi ще! проблеми та проведенш експериментальних дослiджень. Визначено рiвень впливу основних фiзичних факторiв, таких як наведена напруга, електричний опiр грунтового електрол^у - на величину густини змiнного струму та залежнiсть зростання и значения вiд площi дефекту у захисному покриттi.
Ключовi слова: напруга змшного струму, густина змшного струму, корозiя, дь аметр дефекту, ошр середовища, джерела змiнного струму.
Вступ. Внаслiдок експлуатацií нафтогазопроводш Украши понад 25 ро-кiв зростае ризик розвитку аварiйно-небезпечних дефектiв на трубопровод^ що негативно впливае на еколопчну безпеку експлуатацií трубопроводов. Це ктот-но пiдвищуе екологiчнi ризики подальшо1 експлуатацií таких конструкцiй та ак-туалiзуе проблему ощнення 1хнього залишкового ресурсу.
Багато публiкацiй зарубiжних учених стосуеться такого виду корози тру-бопроводiв як корозгя змшним струмом. Зокрема в [1] визнано, що корозгя ме-талевих матерiалiв ы металоконструкцiй, таких як трубопроводи, е наслвдком дií наведеного змшного струму ввд джерел, яш розташоваш в безпосереднiй близькостi вiд них. Внаслщок зростання потреб як населения, так i промисло-востi у природному газi та збiльшения темшв споживання електроенергií не завжди е змога розмежувати коридори паралельного пролягання джерел змшно-го струму i трубопроводов чи витримати вiдстань, визначену нормативними документами. Величина наведеного на трубопроввд струму буде залежати вiд фак-торiв, враховуючи ошр грунту, сольовий склад грунту, формування захисно!' плiвки навколо дефекту, матерiал трубопроводу, матерiал захисного покриття та його опр, розмiр i геометрда дефекту в iзоляцiйному покриттi, ввдстань вiд джерела змiнного струму до трубопроводу тощо.
У разi, коли iзоляцiйне покриття трубопроводу мае дефекти малого роз-мiру, навiть за наявносп катодного захисту, корозгя трубопроводiв змiнним струмом може спричинити серйозш ризики [2]. Вiдповiдно до [3], змшну нап-ругу (изс) вважають найбiльш важливим параметром ощнення ризику корозií. З метою зниження ймовiрностi корозií пiд даею змiнного струму, изс трубопроводу не мае перевищувати в будь-який момент:
• 10 V, де мюцевий отр грунту бiльший нiж 25 Ом;
• 4 V, де мюцевий отр грунту нижчий шж 25 Ом.
Точшшим показником оцiнения ризику корози змшним е густина змш-ного струму, який розраховують за формулою
Jзс = — , (1)
К ■ Б
1 Наук. керiвник: проф. Л.Я. Побережний, д-р техн. наук
Науковий шспик НЛТУ Украши. - 2015. - Вип. 25.8
де: - площа поверхнi дефекту в захисному покритта, м2; Я - ошр поширення струму в дефекта, Ом.
Опiр поширення струму в дефекта виражаеться формулою
Я (2)
де С - дiаметр дефекту в захиснiй iзолящl, м; р - електричний опiр грунту, Ом-м. З формул (1) i (2) густина струму на дефекта виражаеться формулою
, _ 2,548-изс (3)
и зс _ , . (3)
р-а
За наявностi у грунтах сильних електролiтiв, розчинних у водному сере-довищi, провiднiсть грунтiв збшьшуеться, що сприяе зменшенню питомого опору та зростанню густини струму на дефекта
Аналiз рiвня впливу основних фiзичних факторiв, таких як наведена нап-руга, електричний отр грунтового електролiту - на величину густини змшного струму через можливий дефект у захисному покритi дае змогу визначити найне-безпечнiшi областа, де ймовiрнiсть корозií буде найвищою. Необх1дно зазначи-ти, що зпдно з украшськими нормативними документами, критичне значення густини струму е в межах 10 А/м2 Припускають, що нижче цього значення ймо-вiрнiсть корозií, зумовлено1 змiнним струмом, прямуе до нуля. Використовуючи отримане за формулою (3) значення густини струму, можна видшити на карп грунтав далянки потенцiйно небезпечнi в плаш можливих корозiйних пошко-джень як для наявних трубопровод1в, так для трубопроводов на стадií проекту-вання. Вирiшення задачi, пов'язано!' з визначенням таких зон та з включениям трубопроводов у план першочергових обстежень, е важливим науково-практич-ним завданням, що допоможе запобiгти виникненню аварiйиих ситуацiй на тру-бопроводi та пiдвищить р1вень екологiчноí безпеки експлуатацп трубопроводу.
Матерiали та методи. Методика розрахунку полягае у визначенш густини струму на дефекта покриття кругло!' форми, оскшьки за результатами обстежень, найчасташе трапляються дефекти захисного покриття кругло1 форми або проколи дiаметром 0,005 м. У норматившй документацií площа стандартного дефекту в iзоляцiйному покритта дорiвнюе 6,25-10-4 м2 (С = 0,0282 м), у зару-бiжних стандартах площу дефекту прийнято 1 • 10-4 м2 (С = 0,0112 м). Для вста-новлення взаемозв'язку мiж р1внем изс, розмiром дефекту та густиною наведе-ного струму виконано вщповщш розрахунки. Дiапазон изс вибрано в межах вщ 1 до 120 В (1, 5, 10, 15, 20 i далi з кроком 10 В), а розмiри дефектав вибрано таю: 0,005; 0,011287; 0,02; 0,0282; 0,05 та 0,1 м.
Результати. Розраховано ргвш густини наведеного струму у грунтах, що характеризуються високою корозшною актившстю та, вщповщно, низьким пи-томим опором (рис. 1; а, б). Аналопчним чином розраховано рiвнi густини у грунтах зi середньою корозiйною активнiстю (рис. 2; а, б) та низькою коро-зiйиою актившстю (рис. 3; а, б). На основi отриманих розрахункових даних по-будовано графiчнi залежностi.
Рис. 1. Залежшсть густини змшного струму вiд Ыаметра дефекту в захисному покриттi у Грунтах високо' корозшно' активностi за опору Грунту 10 Ом-м (а), 18 Ом-м (б)
Рис. 2. Залежшсть густини змшного струму вiд дiаметра дефекту в захисному покриттiу Грунтах середньо' корозшно'Г активностi за опору Грунту 25 Ом-м (а), 40 Ом-м (б)
Рис. 3. Залежшсть густини змшного струму вiд дiаметра дефекту в захисному покриттг у Грунтах низько' корозшно'Г активностi за опору Грунту 400 Ом-м (а), 700 Ом-м (б)
Щутавий вкник НЛТУ Укр^ши. - 2G15. - Вип. 25.8
Обговорення результата. Резyльтaти aнaлiзy отpимaниx гpaфiчниx зa-лежностей свiдчaть, що в ipymax, для якиx xapaктеpною e висота коpозiйнa a^ тивнiсть зa мглого дiaметpa дефектy зaxисного iзоляцiйного по^ипя ввдбу-вaeться piзке зpостaння густини стpyмy нaвiть зa мaлиx зшчень нaведеноï шп-pyги U3M. Якщо вpaxyвaти, що для тaкиx фунтов як глинистi Ipyнти i чоpноземи вологiсть e пpaктично стадою, a тaкож взявши до yвaги ïx знaчнy пошиpенiсть нa теpитоpiï y^aïra, можемо констaтyвaти високу ймовipнiсть коpозiï змiнним стpyмом у тaкиx ipyrnax.
Ноpмaтивне знaчення густини стpyмy 10 А/м2 зa U3c 1^5 В тa опоpy фунту 10 Ом-м фiксyeться для дефекпв дiaметpом меншим зa 0,1 м. Для дефекпв меншого pозмipy в цьому iнтеpвaлi знaчень нaведеноï rnopyra гyстинa стpyмy e вдвiчi, a то i втpичi, бшьшою зa ноpмaтивно допустиму. Кpiм цього, вapто зaз-нaчити, що pезyльтaти дослвдження [4] покaзaли пpиpiст швидкостi ввд 9 до 22 % у модельнж сеpедовищax, що iмiтyють сктад фунтового електpолiтy ш-вiть зa знaчення густини стpyмy вдвiчi меншо!' зa ноpмaтивнy 5 А/м2.
3a допомогою винесеного iз зaгaльного гpaфiкa збiльшеного фpaгментa можнa визнaчити "безпечний" pозмip дефекту для дiaпaзонy ноpмaтивниx зш-чень густини стpyмy (гоpизонтaльними пyнктиpними лiнiями вiдмежовaно без-печну зону для кожного зшчення, ята знaxодиться пiд пyнктиpною лiнieю). 3a електpичного опоpy фунту 10 Ом-м (див. pro. 1, a) у цш облaстi знaxодяться зшчення, отpимaнi для дефектiв дiaметpом бшьшим зa 0,1 м зa мадж знaчень нaпpyги. Точкa пеpетинy гоpизонтaльноï пyнктиpноï лiнiï з кpивою густини стpyмy визнaчae кpитичне знaчення нaведеноï нaпpyги зa певно!' густини стpy-му. Облaсть нaд гоpизонтaльною пункт^ною лiнieю e кpитичною зоною, в якш коpозiйнa небезпекa пpямо пpопоpцiйно зpостae iз зменшенням pозмipy дефекту тa збiльшенням нaведеноï rnopyra нa тpyбопpоводi.
Дiaпaзон pозpaxyнковиx зшчень, що стaновлять безпечну зону в ipyrnax з високою коpозiйною aктивнiстю (див. pис. 1, a), e нaдзвичaйно вузьким. Це свiдчить ^о те, що нaвiть зa густини стpyмy 5 А/м2 зa pозмipiв дефектiв у зa-xисномy по^итл меншиx нiж 10 см (0,1 м) ймовipнiсть коpозiï e високою, a ^mram нaпpyгa зa d = 0,058 м стaновить 1,6 В. 3a густини змiнного стpyмy 10 А/м2 (ноpмaтивне знaчення) ^mmro знaчення нaведеноï нaпpyги стaновить 1,05 В для дефекпв pозмipом 0,027 м. 3a опоpy Ipyнтy 18 Ом-м (див. pro. 1, б) в облaсть безпечноï зони потpaпляють дефекти pозмipом 0,06 м. Величиш ^и-тичного знaчення нaведеноï нaпpyги зa 5 А/м2 для дефекпв pозмipом 0,028 м стaновить пpиблизно 1 В.
Пiд чaс визнaчення ймовipностi пеpебiгy коpозiйниx ^оце^в пiд впли-вом змiнного стpyмy в фушик зi сеpедньою коpозiйною aктивнiстю зa знaчення питомого опоpy Ipyнтy 25 i 40 Ом-м спостеpiгaeться aнaлогiчнa до попеpедньоï тенденщя, пов'язaнa зi зменшенням густини стpyмy задежно вiд pозмipy дефекту зaxисного покpиття (див. pro. 2; a, б). Зпдно з [3] нaведенa нaпpyгa 4 В e без-печною в коpозiйномy плaнi, якщо опip фунту стaновить 25 Ом-м. 3a зшчень нaпpyги, якi викоpистaно для pозpaxyнкiв, тaкa нaпpyгa може пpизвести до ви-никнення коpозiйниx пошкоджень тa yтвоpення нaскpiзниx коpозiйниx ypa-жень, особливо в paзi експлyaтaцiï тpyбопpоводiв без кaтодного зaxистy.
3. Технoлoгiя Ta yстaткyвaння лiсoвирoбничoгo кoмnлексy
257
Значення густини 10 А/м2 фiксуеться за наведено1 напруги в межах ввд 1 до 5 В на вах дефектах, крш найменшого дiаметром 0,005 м. Зниженню швидкостi корози пiд дiею змiнного струму на дефектах малих розмiрiв може сприяти нагромадження продуктiв корозií, якi формують захисний шар, тип самим сповшьнюючи доступ кисню та перебк реакцiй у катодний пiвперiод змш-ного струму. Зi зростанням електричного опору грунту простежуеться помiтна залежшсть мiж розмiром дефекту покриття i величиною наведено1 напруги.
Для того, щоб досягнути критичних значень густини струму на дефектах бшьшого розмiру, р1вень наведено1 напруги мае бути бшьшим як в грунтах з ви-сокою корозiйною активнiстю. Безпечна зона за опору грунту 25 Ом-м розши-рюеться саме завдяки значенням, отриманих за наведено1 напруги 1 В за С = 0,028; 0,05; 0,1 м. Якщо опр грунту становить 40 Ом-м (див. рис. 2, б), у цей да-апазон потрапляе значення, отримане на дефектах розмiром 0,1 м за наведено* напруги 5 В.
Середовища, з показником швидкостi корози 0,01 мм/рк, вважають найбiльш безпечними у корозшному планi. Та за сукупносп певних чинниюв швидкiсть корози може значно зрости, а наслщки з причини непередбачуванос-тi можуть в десятки i сотнi раз1в перевищити прогнозованi для середовищ з ви-сокою корозiйною активнiстю. Зокрема, це шдтверджують розрахунковi данi, отримаш пiд час визначення густини струму для грунпв з питомим опором 400 Ом-м та 700 Ом- м за рiзних значень наведено* напруги (див. рис. 3; а, б).
Грунтами з найбшьшим значенням питомого опору е сушски та пiски, якi трапляються в лкостеповш зонi та зонi мшаних лiсiв Украши. Вважають, що середовища з високим електричним опором грунту мають найнижчу схиль-нiсть до перебку корозiйних процес1в. Та внаслщок перiодичного пiдвищення р1вня вологостi та за наявносп сильних електролiтiв у грунтовому масивi про-вiднiсть середовища може збшьшуватися, а опiр буде вiдповiдно зменшуватися. Небезпечнi значення густини струму (152 А/м2) за наведено* напруги 120 В за-фксовано за опору 400 Ом-м на дефектах малого дааметра. Така напруга може iидукуватися на трубопроводах при паралельному проляганнi íх з високо-вольтними лiнiями електропередач на довгих дистанц1ях. Кр1м цього, найбшь-ша небезпека натiкания наведено1 напруги на шдземш конструкцií спостерi-гаеться у мкцях провисання електричних дротав, тобто у середнiй частинi прольоту [5]. Нормативне значення 10 А/м2 на дефектах розмiром 0,005 м фк-суеться за изм Н10 В, а також на дефектах дааметром 0,01 м; 0,0112 м; 0,02 м; 0,0282 м; 0,05 м. У разi збшьшення розмiру дефекту (0,1 м) гранично допустиме значення густини струму може виникати за 120 В. Така тенденция е свiдчениям того, що в разi корозií змiнним струмом розмiр дефекту е чинником, який пот-рiбно враховувати у розрахунку ймовiрностi корозií пiд дiею змiнного струму.
Порiвняно з грунтами високо1 i середньо1 корозiйноí активностi, безпечна зона за опору грунту, що характерний для грунпв з низькою корозшною ак-тивнiстю, е найширшою (див. рис. 3; а, б). Для таких грунтав, крiм розмiру дефекту, важливим е i р1вень наведено1 напруги, оскiльки в зош безпеки знахо-дяться уа значення за С = 0,1 м навиь за наведено1 напруги 120 В. Густина змшного струму 5 А/м2 взагалi е нехарактерною для таких грунт1в за значень наведено1 напруги нижчо1 за 120 В.
Науковий шспик II.ЛТ У Украши. - 2015. - Вип. 25.8
Висновки:
1. Визначено основш фiзичнi фактори, яы впливають на показник густини змшного струму та визначають ймовiрнiсть корози змiнним струмом на трубопроводах, що розмiщенi паралельно чи перетинаються з джерелами змiнного струму.
2. Виявлено закономiрностi зростання рiвня густини змшного струму у Грунтах з низьким, середшм та високим значенням корозшно* активностi.
3. Встановлено взаемозв'язок мiж площею дефекту в захисному покритт та величиною густини струму в дiапазонi значень наведено* напруги.
4. За постшних густини струму та опору Грунту дефекти малого розмiру шд-даються корозшному руйнуванню швидше, нiж дефекти велико* площ^ ос-к1льки густина струму на меншому дефектi буде зростати.
5. Чим менший дефект у захисному покритл, тим б1льшою е ймовiрнiсть пе-ребiгу корози змшним струмом. Для дефектiв великого розмiру бiльш характерною е Грунтова корозiя.
Лiтература
1. Goidanich S. Influence of AC on corrosion kinetics for carbon steel, zinc and copper / S. Goida-nich, L. Lazzari, M. Ormellese // In: Corrosion 2005. NACE, Paper No. 05189, HoUston. 2005. - Pp. 135-147.
2. CEN/TS 15280, "Evaluation of a.c. corrosion likelihood of buried pipelines - Application to cathodically protected pipelines", Technical Specification, CEN - European Committee for Standardization. - 2006.
3. NACE SP0177, "Mitigation of alternating current and lightning effects on metallic structures and corrosion control systems", NACE International Standard Practice. - 2007.
4. Побережний Л.Я. Вплив змшного струму на швидюсть зовшшньо* корози матер1алу трубопроводу та локшнзащю корозшних процеав у хлоридних середовищах / Л.Я. Побережний, Г.М. Прислшська // Вюник ТНТУ : зб. наук. праць. - Терношль : Вид-во ТНТУ iM. 1вана Пулюя. - 2013. - № 3. - С. 123-129.
5. Захаров Д.Б., Об оценке коррозионного воздействия ЛЭП на подземный трубопровод при их пересечении / Д.Б. Захаров, П.А. Яблучанский, А.В. Титов // Территория нефтегаз : сб. науч. тр. - 2013. - № 12. - С. 68-74.
Прислипская Г.М. Прогнозирование вероятности электрокоррозии трубопроводов в различных типах грунтов
Анализ проблемы влияния переменного тока на трубопроводы позволяет сделатъ выводы о том, что этот процесс изучен частично. Актуальным и наиболее надежным способом деталъного изучения электрокоррозии трубопроводов переменным током в грунтовых условиях является использование комплексного подхода, основанного на аналитическом решении данной проблемы и проведении экспериментальных исследований. Определен уровень влияния основных физических факторов, таких как приведенное напряжение, электрическое сопротивление почвенного электролита - на величину плотности переменного тока и зависимость роста ее значения от площади дефекта в защитном покрытии.
Ключевые слова: напряжение переменного тока, плотность переменного тока, коррозия, диаметр дефекта, сопротивление среды, источники переменного тока.
Pruslipska G.M. Prediction of Probability of Pipelines Electric Corrosion in Various Types of Soil
Analysis of AC impact on pipelines allows concluding that this process is not understood enough. The topical and most reliable way of detailed study of AC electric corrosion of pipelines in soil conditions is to use an integrated approach, based on the analytical solution of the problem and conducting experimental studies. The article defines the level of influence of basic physical factors such as provided voltage, the electrical resistance of the soil electrolyte. The value of density AC and dependence increase its importance on the area of the defect in the protective coating.
Keywords: AC voltages, alternating current density, corrosion, defect diameter, resistance environment, AC power.
