CC BY
60
Шуваева А. О. Shuvaeva А. О.
ассистент кафедры «Теория машин и оборудования», ФГБОУ ВО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский, Российская Федерация
Меньшенин И. С. Menshenin I. S.
курсант учебной группы по специальности «Электромеханика», ФГБОУ ВО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский, Российская Федерация
УДК 621.311:629.12 DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-1-47-53
РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ УСТРОЙСТВА КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ С АВТОНОМНЫМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ
В статье проведен обзор основных существующих систем электрохимической защиты трубопроводов. Проведен географический анализ основных нефтегазовых месторождений Российской Федерации. Выявлены существующие трудности, связанные с транспортировкой минеральных ресурсов от места добычи к потребителю, основной из которых являются коррозионные разрушения стальных магистральных трубопроводов. Приведен основной метод борьбы с коррозионными разрушениями, который регламентируется государственным стандартом РФ на всех этапах проектирования и эксплуатации, — электрохимическая защита. Приведена существующая принципиальная схема действия системы электрохимической катодной защиты, имеющая источник постоянного тока, подключенный к защищаемому сооружению и анодному электроду. Рассмотрены структура и принцип работы устройства, сконструированного авторами, которое позволяет обеспечить электрохимическую защиту нефтегазовых сооружений и конструкций. В качестве автономного источника питания системы электрохимической защиты был выбран емкостной накопитель — иони-сторный модуль, целесообразность и эффективность использования которого обоснованы авторами. Разработана электрическая модель работы устройства электрохимической защиты, состоящая из таких основных элементов, как источник электрической энергии, повышающий преобразователь напряжения для заряда аккумулятора, понижающий преобразователь ионисторного модуля, ионистор и силовой инвертор. На основе электрической модели была разработана и сконструирована макетная модель предлагаемого устройства. С помощью осциллографа марки АКИП исследованы зависимости основных электрических параметров макетной установки от времени — силы тока и напряжения системы заряда ионисторного модуля. Рассмотрена совместная работа импульсного стабилизатора напряжения и емкостного накопителя. Выявлен положительный эффект разработанной электрической системы по сравнению с существующими аналогами.
Ключевые слова: транспортная система, коррозия, трубопровод, электрохимическая защита, катодная защита, автономный источник, резервное питание, ионисторный модуль, преобразователь напряжения, силовой инвертор.
Electrical facilmes and systems
DEVELOPMENT AND TESTING OF A CATHODIC PROTECTION DEVICE WITH AN AUTONOMOUS POWER SOURCE
The article reviews the main existing systems of electrochemical protection of pipelines. A geographical analysis of the main oil and gas fields of the Russian Federation is carried out. The existing difficulties associated with the transportation of mineral resources from the place of production to the consumer, the main of which is the corrosion damage of steel pipelines, are identified. The basic method of combating corrosion damage, which is regulated by state standard of the Russian Federation at all stages of design and operation, is given — electrochemical protection. Present circuit diagram of operation of electrochemical cathode protection system, having DC source connected to protected structure and anode electrode, is shown. The structure and operation principle of the device designed by the authors, which allows to provide electrochemical protection of oil and gas structures and structures, are considered. As an autonomous power source of the electrochemical protection system, a capacitive storage device - an ionizer module - was chosen, the expediency and efficiency of which are justified by the authors. An electrical model of operation of an electrochemical protection device has been developed, consisting of such basic elements as an electric energy source, an increasing voltage converter for charging a battery, a lowering converter of an ionizer module, an ionizer and a power inverter. Based on the electrical model, a mock-up model of the proposed device has been developed and constructed. Using the oscilloscope of AKIP grade, the dependencies of the main electric parameters of the mock-up plant on time — current intensity and voltage of the charge system of the ionizer module — were investigated. Joint operation of pulse voltage stabilizer and capacitive accumulator is considered. The positive effect of the developed electrical system compared to existing analogues was revealed.
Key words: transport system, corrosion, pipeline, electrochemical protection, cathodic protection, autonomous source, backup power supply, ionistor module, voltage converter, power inverter.
На сегодняшний день в России доля трубопроводного транспорта в грузообороте всей транспортной системы составляет более 48 %, превышая при этом долю железнодорожного транспорта — 45 %.
Основную часть транспортируемых продуктов составляет топливное сырье — нефть и газ. Транспортировка осуществляется от месторождения углеводородного сырья до потребителя по магистральным трубопроводам. Подавляющее большинство отечественных трубопроводов, входящих в транспортную систему эксплуатации, — металлические, главной причиной разрушения которых является коррозия. По данным специалистов, убытки от коррозии могут составлять от 3 % до 5 % ВВП стран с развитой промышленностью.
Система коррозионной защиты трубопроводов должна обеспечивать их бесперебойную и безаварийную работу на весь заявленный период эксплуатации.
Магистральные трубопроводы являются единственным видом трубопроводов, корро-
зионная защита которых регламентируется национальным стандартом ГОСТ Р 51164-98 [1], согласно которому все магистральные трубопроводы РФ подлежат обязательной электрохимической защите на всех стадиях — от проектирования до эксплуатации и ремонта.
Эффективность работы систем электрохимической защиты доказана годами эксплуатации подземных сооружений по всему миру.
Главная задача электрохимической защиты наружной поверхности трубопровода сводится к устранению анодных зон путем повышения потенциала трубопровода до величины, достаточной для того, чтобы остановить анодное разложение, при этом поверхность трубопровода будет содержать лишь катодные участки. Есть два основных метода для решения этой задачи:
1. Протекторная защита: установка протекторных групп на коррозионно-опасные участки;
2. Катодная защита: принудительная катодная поляризация всей поверхности тру-
Электротехнические комплексы и системы
бопровода посредством источника постоянного тока - станции катодной защиты (СКЗ) [2].
Катодная защита основывается на создании поляризации, которая позволяет уменьшить скорость разложения металла. Электрический ток проводится между поверхностью металла и грунтом. Это мероприятие существенно снижает скорость коррозии.
На сегодняшний день различают два основных способа реализации катодной защиты:
1. С использованием внешних источников тока, соединяющихся с защищаемым объектом и с анодным заземлением;
2. С использованием гальванического метода, который реализуется за счет протекторов, позволяющих обеспечить защиту объекта [3].
Наиболее эффективным видом катодной защиты трубопроводов является защита с использованием внешних источников постоянного тока. Но данный вид защиты не всегда может быть реализован ввиду некоторых особенностей. Так, для территории РФ этой особенностью является географическое расположении углеводородных месторождений.
Большая часть углеводородных месторождений сосредоточена на территориях с исключительно тяжелыми климатическими условиями, такими как продолжительный зимний период с низкими отрицательными температурами и вечной мерзлотой. В летний период значительный процент этих территорий покрыт реками, озерами и болотами, а это существенно затрудняет доступ к промышленным объектам.
Условия, перечисленные выше, создают состояние низкой надежности источников электроснабжения или их полное отсутствие [4].
Для решения сложившейся проблемы было разработано и сконструировано устройство электрохимической защиты с автономным источником питания для обеспечения защиты стальных магистральных трубопроводов и подземных металлических сооружений.
Источник электрохимической защиты, вырабатывающий постоянный ток, подключен минусом к защищаемому сооружению, а плюсом — к анодным электродам, расположенным в среде (почве) [5]. Схема данного подключения представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Принцип действия электрохимической катодной защиты
Станция катодной защиты вырабатывает электрический ток для системы защиты с автономным источником питания, который представляет собой специализированный блок. Станция подключается к источнику электрической энергии и вырабатывает ток с необходимыми заданными параметрами.
Ввиду своего потенциала и распространенности в качестве источника энергии был выбран возобновляемый источник энергии — ветер. Для преобразования механической энергии ветра была использована вертикально-осевая (роторная) ветроэнергетическая установка (ВЭУ) [6].
После проведения обзора существующих автономных устройств катодной защиты было выявлено, что большинством из них являются катодные станции, которые включают в свой состав блоки автоматического регулирования электрических параметров защиты, а в качестве питающего элемента системы выступает аккумулятор.
Авторами в качестве главного накопителя энергии используется ионисторный модуль для питания системы катодной защиты. Его применение обусловлено возможностью эксплуатации в жестких температурных условиях и высокой надёжностью. Аккумуляторные батареи не допускают глубокого разряда, требуют специальных режимов заряда и термостабилизации при температурах ниже 10 °С. В свою очередь, ионисторы лишены перечисленных выше недостатков. Так, диапазон рабочих температур ионисто-ров находится в пределах от минус 45 °С до 70 °С, а число циклов заряда-разряда достигает 10б [7]. Более того, ионисторы не требуют обслуживания при эксплуатации, что актуально для труднодоступных территорий.
На рисунке 2 представлена разработанная электрическая схема автономного устройства питания катодной защиты с использованием ионисторного модуля.
Рисунок 2. Электрическая схема устройства катодной защиты с автономным источником питания
Электрическая схема устройства состоит из следующих основных блоков: 1 — источник электрической энергии; 2 — повышающий преобразователь напряжения для заряда аккумулятора; 3 — понижающий преобразователь ионисторного модуля; 4 — ионистор; 5 — силовой инвертор.
На основе разработанной электрической схемы было собрано автономное устройство для питания катодной защиты. Силовая часть устройства представлена на рисунке 3.
Электрическая энергия поступает от ветрогенератора 1 на повышающий преобразователь напряжения 2, который обеспечи-
Рисунок 3. Автономное устройство для питания катодной защиты
вает стабильное выходное напряжение, исходя из параметров аккумулятора. Для данной установки был взят аккумулятор Delta DTM 1207 с выходным напряжением 12 В и емкостью 7 Ач.
Схема преобразователя напряжения построена на базе ШИМ-контроллера UC3843, который через резистор R управляет затвором полевого транзистора, устанавливая прямоугольные импульсы с примерной частотой 120 кГц и КПД около 93 %. Данный преобразователь напряжения может работать от минимального значения напряжения Umin = 9 В до установленного максимального напряжения на выходе Цпах = 14,4 В. При этом максимальная выходная сила тока 1тах составляет 5 А.
Преобразователь напряжения заряжает аккумулятор устройства, об этом будет сигнализировать светодиодный индикатор.
В процессе работы установки напряжение с аккумулятора поступает на импульсный источник питания — повышающий преобразователь 3, обеспечивающий процесс заряда ионистора. Для установки был взят ионистор фирмы Maxwell BMOD0058 EO16 В02 емкостью С = 58 Ф и номинальным напряжением U = 15,6 В. Понижающий преобразователь, имеющий регулируемое устанавливаемое напряжение на выходе от 0,15 В до напряжения на аккумуляторе, построен на базе микросхемы LM2596, которая при своих минимальных размерах позволяет получить требуемый высокий выходной ток и обеспечить зарядный ток ионистора 1з до 4 А.
С помощью осциллографа были получены следующие электрические зависимости силы тока и напряжения на выходе ионистора (рисунок 4).
Рисунок 4. Осциллограмма зарядного тока ионистора с модуля
U(t)
:L
а)
um
б)
Рисунок 5. Зависимость выходного значения установленного напряжения на ионисторе: начало процесса
заряда ионистора (а), установившееся напряжение (б)
На рисунке 5 представлена зависимость напряжения ионистора от времени заряда. Напряжение экспоненциально возрастает до установленного значения 12 В.
Так как ионистор — очень энергоемкое устройство, дающее высокий защитный ток, возможно подключение резервного питания от аккумулятора на случай аварии, ремонта или нештатных ситуаций.
Выводы
1. В разработанном авторами испытательном макете станции катодной защиты конструктивно реализована максимальная простота, при этом повышена ее надежность за счет внедрения в систему ионисторного
Список литературы
1. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии. М.: Изд-во стандартов, 1998. 18 с.
2. Ермаков A.B. Разработка и испытания композиционных анодных заземлителей для
модуля, а также расширены эксплуатационные возможности.
2. Сконструированный источник электрической энергии на основе ионисторного модуля будет иметь стабильные выходные электрические сигналы. При сравнении с существующими аналогами имеет следующие преимущества:
— отсутствие необходимости постоянного обслуживания;
— широкий диапазон рабочих температур: от минус 45 °С до 70 °С;
— стабильный выходной электрический сигнал.
электрохимической защиты от коррозии // Территория Нефтегаз. 2013. № 11. С. 30-37.
3. Труднев С.Ю., Шуваева А.О. Исследование работы импульсного стабилизатора напряжения для питания катодной защиты морских платформ // Вестник Гос. ун-та морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова. 2018. № 4 (50). С. 818-827.
4. Жолудева Ю.К., Мальцев М.В. Математическая модель ветрогенератора // Научный альманах. 2017. № 4 (30). С. 63-67.
5. Arcangelo M. Local Diagnoses in Modal Analysis through Additional Poles // Mechanic of Advanced Materials and Structures. 2017. Vol. 24, No. 6. P. 271-286.
6. Кузнецов В.П., Панькина О.С., Мач-ковская Н.И. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство // Компоненты и технологии. 2005. № 6.
7. Dar M., Yusuf A. Experimental Study on Innovative Sections for Cold Formed Steel Beams // Steel and Composite Structures. 2015. Vol. 19, No. 6. P. 545-554.
References
1. GOST R 51164-98. Truboprovody stal'nyye magistral'nyye. Obshchiye trebovaniya кzashchite ot korrozii [State Standard R 5116498. Steel Main Pipelines. General Requirements for Corrosion Protection]. Moscow, Izd-vo standartov, 1998. 18 p. [in Russian].
2. Yermakov A.B. Razrabotka i ispytaniya kompozitsionnykh anodnykh zazemliteley dlya elektrokhimicheskoy zashchity ot korrozii [Development and Testing of Composite Anode Grounding Conductors for Electrochemical Corrosion Protection]. Territoriya Neftegaz — Territory Neftegaz, 2013, No. 11, pp. 30-37. [in Russian].
3. Trudnev S.Yu., Shuvayeva A.O. Issle-dovaniye raboty impul'snogo stabilizatora napryazheniya dlya pitaniya katodnoy zashchity morskikh platform [The Investigation of Operation Pulse Voltage Regulator for Supplying Cathodic Protection of Offshore Rigs]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota im. adm. S.O. Makarova — The Scientific Journal «Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova», 2018, No. 4 (50), pp. 818-827. [in Russian].
4. Zholudeva Yu.K., Mal'tsev M.V. Mate-maticheskaya model' vetrogeneratora [Mathematical Model of a Wind Generator]. Nauchnyy al'manakh — Scientific Almanac, 2017, No. 4 (30), pp. 63-67. [in Russian].
5. Arcangelo M. Local Diagnoses in Modal Analysis through Additional Poles. Mechanic of Advanced Materials and Structures, 2017, Vol. 24, No. 6, pp. 271-286.
6. Kuznetsov V.P., Pan'kina O.S., Machkovskaya N.I. Kondensatory s dvoynym elektricheskim sloyem (ionistory): razrabotka i proizvodstvo [Capacitors with a Double Electric Layer (Ionistors): Development and Production]. Komponenty i tekhnologii — Components and Technologies, 2005, No. 6. [in Russian].
7. Dar M., Yusuf A. Experimental Study on Innovative Sections for Cold Formed Steel Beams. Steel and Composite Structures, 2015, Vol. 19, No. 6, pp. 545-554.
