CC BY
18
УДК 66-9
Князев А.Н. студент магистратуры научный руководитель: Заборовский Е.И.
доцент кафедры ТТ ФГБОУ ВО «СамГТУ» Россия, г. Самара
СТАНЦИИ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ МТ ОТ КОРРОЗИИ. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПАРАМЕТРЫ,
КЛАССИФИКАЦИЯ
Аннотация - обеспечение надежной и безопасной работы нефтегазопроводов и предотвращение их разрушения по причине коррозии имеет большое значение, так как это может привести к катастрофическим последствиям в силу большого количества обслуживающего персонала и концентрации дорогостоящего, технологически важного оборудования. Практика эксплуатации подземных трубопроводов показывает, что качество их антикоррозионной защиты определяется главным образом эффективностью работы средств электрохимической защиты (ЭХЗ), основным критерием которой служит поляризационный потенциал трубы относительно окружающего коррозионно-активного грунта.
Ключевые слова - катодная защита, инвертор, высокочастотный преобразователь, защитные функции, защита от коррозии, катодная поляризация.
Knyazev A.N. graduate student scientific adviser: Zaborovsky E.I. associate Professor of the Department of TT
FGBOU VO "SamGTU" Russia, Samara
CATHODIC PROTECTION STATIONS USED TO PROTECT MT FROM CORROSION. CHARACTERISTICS, PARAMETERS,
CLASSIFICATION.
Annotation - ensuring reliable and safe operation of oil and gas pipelines and preventing their destruction due to corrosion is of great importance, as this can lead to disastrous consequences due to the large number of staff and the concentration of expensive, technologically important equipment. The practice of underground pipelines operation shows that the quality of their corrosion protection is determined mainly by the efficiency of the electrochemical protection means (ECP), the main criterion of which is the polarization potential of the pipe relative to the surrounding corrosive soil.
Key words - cathodic protection, inverter, high-frequency converter, protective functions, corrosion protection, cathodic polarization.
Станция катодной защиты является источником внешнего тока в системе катодной защиты. Станции используются для электрохимической защиты от коррозии металлических объектов методом катодной поляризации. Обычно они применяются для защиты: подземных нефтепроводов и газопроводов; трубопроводов водоснабжения и теплосетей; оболочек электрических кабелей; металлических резервуаров, крупных объектов; подземных сооружений; судов от коррозии в воде;
стальной арматуры в фундаментах, в железобетонных сваях. Основными потребителями станций являются:
предприятия газового, нефтяного и энергетического комплексов; предприятия химической промышленности; предприятия коммунального хозяйства; другие отрасли промышленности.
Станции катодной защиты бывают разными. Стройной классификации не существует. Четко разграничиваются только трансформаторные и инверторные устройства. Остальные отличия это различные функциональные возможности и технические характеристики.
Трансформаторные и инверторные станции.
Прежде всего, станции делятся по принципу действия: трансформаторные и инверторные.
Инверторные станции постепенно вытесняют трансформаторные из-за своих высоких технических характеристик и значительно более широких функциональных возможностей. Тем не менее, трансформаторные устройства до сих пор выпускают и устанавливают даже на новых объектах электрохимической защиты.
Трансформаторные станции состоят из низкочастотного (50Гц) трансформатора и тиристорного выпрямителя.
Рис. 1 Типовая схема трансформаторной СКЗ
Устройство управления тиристорами может быть самым простым фазоимпульсным регулятором мощности, а может использоваться контроллер с функциями стабилизации выходного тока, напряжения, защитного потенциала.
Одним из основных недостатков трансформаторных устройств катодной защиты является несинусоидальная форма тока, как на выходе, так и тока потребления от питающей сети. Это приводит к большому уровню пульсаций на выходе и низкому коэффициенту мощности. Для улучшения этих параметров в схему устройства добавляют низкочастотный дроссель. Неприятное решение, т.к. размеры и вес дросселя примерно такие же, как и у силового трансформатора. При этом коэффициенты пульсаций и мощности у станций со сглаживающем дросселем, все равно, значительно хуже, чем у инверторных. Инверторные станции катодной защиты строятся на основе высокочастотных импульсных преобразователей.
Главный выигрыш в технических характеристиках инверторных станций происходит из-за того, что размеры силового трансформатора практически обратно пропорционально зависят от частоты преобразования. Увеличив частоту, можно уменьшить размеры трансформатора, а значит уменьшить вес устройства, длину проводов обмоток, тепловые потери и т.д. Кроме того высокая частота сигнала позволяет (опять же пропорционально) уменьшить индуктивности и емкости сглаживающих фильтров, уменьшить уровень пульсаций на выходе устройства.
Вот типичная структурная схема и диаграмма работы инверторной станции катодной защиты серии "ТИЭЛЛА" (изготовитель НПП "СИЭЛ", г. Новочеркасск, sielectr.ru).
U еых. fiOO%- R бык.)
U оых. (50°Л Р f.1l.ik.)
и змплитудное = ЗбО В, частота = ЮО кГц
гг_п_п_п_п_ги
и амплитудное = ЗвО В, частота = 1 СО кГц
U аиппитуднов = 3SO В. частоте = ЮО кГц
и вы* (Ю%Рвых.) П л Г| л п П
—1|——и——и——и— —и——и-
к BNiitiAi I рансформ атора
и еых ( 1 00°Л> R вы к. J
LJ амплитудное fi5 В, частота ido кГц
п_п_п_п_п_ги
'7 Выход выпрямителя 1 ОО кГц
LJ амплитудное = СБ В, частота = 1 О О кГц Udtrti, (ЮО%Р»ЫН.) | | [ | | | | | | | | | |
LJ гл п л и г tie gs В, чяйтогя 1 tifi к1~ц
иаым^Рвь,,) riiTJTJnJTJTJTJTJTiTiT_TL
U амплитудное = 6Ь В, частота = 10О кГц
U вы». (10% R II_[I_П_I)_Я_П_Л_Я_П_П_П_П_
в Выход станции
LJ вых. I вых.
U постоянное = SO В
I постоянное = 20 А (для Р вых. = 1000 Вт)
Рис. 2 Структурная схема и диаграмма работы инверторной станции катодной защиты серии "ТИЭЛЛА" Входное напряжение питающей сети выпрямляется, сглаживается, в результате чего получается постоянное напряжение 300 - 400 В. Далее оно преобразуется инвертором в переменное напряжение высокой частоты прямоугольной формы и поступает на силовой трансформатор. Трансформатор осуществляет гальваническую развязку выходной и входной цепей и снижает напряжение до нужного уровня. Далее следуют высокочастотный выпрямитель и фильтр. В результате на выходе устройства вырабатывается постоянный ток. Частота преобразования у современных инверторных станций катодной защиты 20 - 50 кГц, но в некоторых разработках достигает 100 кГц.
При той же мощности размеры высокочастотных трансформаторов на много меньше низкочастотных. Вот фотография высокочастотного силового трансформатора мощностью 1500 Вт станции серии "ТИЭЛЛА".
Рис. 3 Высокочастотный силовой трансформатор.
Он работает на частоте 100 кГц, т.е. частота преобразования в 2000 раз выше, чем у классического трансформатора 50 Гц. Поэтому размеры трансформатора 50 x 50 мм, а вторичная обмотка - всего 4 витка (при выходном напряжении 60 В). Это провод длиной примерно 50 см. А длина провода вторичной обмотки низкочастотного трансформатора - несколько метров.
Для обеспечения синусоидальной формы тока потребления от питающей сети в инверторных станциях применяют активные корректоры коэффициента мощности. При использовании этих устройств коэффициент мощности достигает 0,99. Но бывают инверторные станции и без корректора. Коэффициент мощности в таких устройствах, как правило, не превышает 0,7.
Параметры и функциональные возможности станций катодной
защиты.
1. Режимы стабилизации.
Раньше станции делили на автоматические и ручные. Имелось в виду, что автоматические устройства что-то стабилизируют (ток или потенциал), а в ручных станциях выходные параметры выставляются обходчиком для конкретных условий. С изменением окружающих условий (колебания напряжения питающей среды, изменение состояния анодного заземления, дождь, мороз), выходные параметры ручных станций меняются.
Для современных станций правильнее называть конкретные параметры, которые стабилизирует устройство. Могут быть следующие варианты:
• Станция не стабилизирует ничего, ток защиты регулируется в ручном режиме. Это совсем старые варианты устройств, но они до сих пор работают и даже производятся.
• Стабилизация выходного тока. При изменении сопротивления нагрузки, напряжения питающей сети, выходной ток остается неизменным, на заданном уровне. Достаточно распространенный режим.
• Стабилизация выходного напряжения. При изменении окружающих условий неизменным остается напряжение. Такой режим используется редко.
• Стабилизация защитного потенциала. Устройство поддерживает стабильным потенциал электрода сравнения.
• Стабилизация одновременно всех выше перечисленных параметров. Например, потенциал на уровне 0,8 В, если ток не превысит 10 А, а напряжение должно быть не выше 30 В.
В принципе, все эти режимы могут быть как у трансформаторных, так и у инверторных станций. Но у инверторных устройств функциональные возможности, как правило, шире. Трудно представить инверторную станцию без стабилизации хотя бы тока.
2. Энергетические выходные параметры.
• Номинальная выходная мощность.
• Номинальный выходной ток.
• Номинальное выходное напряжение.
Значения тока, напряжения и мощности на выходе станции определяются конкретными условиями эксплуатации. Устройство должно обеспечить эти параметры в заявленных пределах. Например, станция с выходными параметрами 1200 Вт, 24 А, 50 В должна в номинальном режиме (т.е. сколь угодно долго) обеспечивать ток до 24 А, если напряжение не превысит 50 В. При слишком высоком сопротивлении нагрузки, например 3 Ом, и заданном токе 20 А, устройство может не обеспечить требуемый ток, т.к. для тока 20 А напряжение должно быть 20 А * 3 Ом = 60 В, а в параметрах указано только 50 В.
Большая часть станций в газовой промышленности имеет выходную мощность 1-3 кВт, хотя встречаются устройства до 10 кВт. Самое распространенное выходное напряжение 50 В и 100 В.
3. Коэффициент полезного действия.
Параметр, определяющий экономичность станций, расход электроэнергии зависит именно от него.
Трансформаторные устройства значительно проигрывают по этому параметру инверторным._
Тип станции Типичный КПД
Трансформаторная без сглаживающего дросселя 70 %
Трансформаторная со сглаживающим дросселем 80 %
Инверторная 85 - 90 %
Требование ПАО "Транснефть" не ниже 85 %
Таблица 1. Сравнение показателей КПД СКЗ
Дело не только в этих конкретных значениях. Проблема трансформаторных станций в том, что с уменьшением выходной мощности их КПД резко падает, вплоть до 20 - 30 %. Это связано в первую очередь с тем, что потери на перемагничивание магнитопровода трансформатора не
зависят от выходной мощности. Поэтому, при меньшей мощности они становятся более весомыми.
Выходная мощность устройств катодной защиты зависит от сопротивления нагрузки, т.е. от состояния анодного заземления. При хорошем состоянии заземления (низком сопротивлении) требуется меньшее напряжение, а значит и меньшая мощность, чтобы обеспечить заданный ток. Со временем анодные электроды зарастают, сопротивление увеличивается, и устройство должно повышать выходную мощность. Но большую часть времени станции катодной защиты работают на пониженной мощности. И именно в этом режиме трансформаторные устройства имеют низкий КПД. У инверторных станций, при уменьшении выходной мощности, КПД снижается незначительно.
4. Коэффициент пульсаций.
В инверторных станциях уровень пульсаций составляет 2- 5 %. Достигается это достаточно просто. В выходном фильтре используются дроссель и конденсаторы небольших размеров из-за высокой частоты преобразования. Дроссель инверторной станции "ТИЭЛЛА" мощностью 1500 Вт имеет размеры всего 70 х 70 х 50 мм._
Рис. 4 Дроссель инверторной системы «ТИЭЛЛА»
В трансформаторных устройствах этот параметр можно уменьшить до 10 % установкой громадного дросселя, размерами и весом не меньше силового трансформатора. Без дросселя коэффициент пульсаций вполне может достигать и 90 %, при уменьшении выходной мощности.
ПАО «Транснефть» требует коэффициент пульсаций не более 3 %.
5. Коэффициент мощности.
Это показатель, характеризующий искажения формы тока, потребляемого от электросети. От него зависят потери в проводах питающей сети.
Тип станции Коэффициент мощности
Трансформаторная без сглаживающего дросселя 0,7 (только при максимальной нагрузке)
Трансформаторная со сглаживающим дросселем 0,85
Инверторная без корректора коэффициента мощности 0,7
Инверторная с корректором коэффициента мощности 0,95 - 0,99
Требование ПАО «Транснефть» не ниже 0,9
Таблица 2. Сравнение коэффициента мощности
Корректор коэффициента мощности сложный силовой узел. К тому же он снижает общий КПД устройства. Поэтому существует достаточное количество инверторных станций без корректора коэффициента мощности. Тем не менее, в технической документации на эти устройства коэффициент мощности растет вслед за требованиями нормативных документов. Одним из признаков наличия в инверторной станции активного корректора мощности является высокое верхнее значение диапазона напряжения питающей сети, не менее 260 В.
Рис. 5 Корректор коэффициента мощности 6. Диапазон напряжения и частота питающей сети.
Большое преимущество по этому параметру имеют инверторные устройства с корректором коэффициента мощности._
Тип станции Напряжение и частота питающей сети
Трансформаторная 220 В ± 10 %, 50 ± 2 Гц
Инверторная без корректора коэффициента мощности 220 В ± 10 %, 50 ± 5 Гц
Инверторная с корректором коэффициента мощности 220 В ± 20 %, 50 ± 5 Гц
Требование 220 В ± 10 %
ПАО «Транснефть»
Таблица 3. Сравнение диапазонов напряжения и частоты питающей сети
7. Защитные функции.
Станции катодной защиты работают в тяжелых условиях, с часто возникающими нештатными ситуациями. Поэтому обработка аварийных режимов - крайне важная функция.
• Защита от короткого замыкания.
На трансформаторных станциях реализуется с помощью плавкого предохранителя. При каждом замыкании возникают ударные токи, снижающие надежность тиристоров, и необходимо менять предохранитель.
В инверторных станциях применяют разные схемотехнические решения для защиты. Некоторые из них ведут к появлению в момент замыкания ударных токов полупроводниковых приборов, что снижает надежность устройства. Некоторые устройства выключаются после короткого замыкания и требуют дополнительного включения, другие включаются автоматически.
В станциях серии "ТИЭЛЛА" инверторный преобразователь является источником тока, а не напряжения. Источник тока не боится коротких замыканий. Более того работа на замкнутый выход является для него самым легким режимом работы. В результате станция "ТИЭЛЛА" при коротком замыкании продолжает работать, только выходная мощность падает практически до нуля из-за нулевого напряжения на выходе. Никаких перегрузок в момент замыкания не происходит и, при восстановлении нагрузки, устройство автоматически переходит в нормальный режим работы.
• Защита от обрыва нагрузки.
Обрыв нагрузки не может привести к поломкам станции. Опасность этой ситуации только в том, что на выходе устройства появляется довольно высокое напряжение порядка 60 - 120 В, которое может привести к поражению электрическим током. В своих станциях я обрабатываю эту ситуацию и выключаю инвертор при обрыве. На трансформаторных и многих инверторных станциях режим обрыва нагрузки не обрабатывается.
• Защита от перегрузки по выходной мощности и защита устройства от перегрева.
Ограничение выходной мощности станций, как правило, разработчики не предусматривают. Заявляется, что выходная мощность устройства не менее определенного значения, но может быть и несколько больше. На моих станциях есть функция ограничения выходной мощности. Достаточно включить одновременно режимы стабилизации по току и напряжению.
Слишком большая выходная мощность может привести к перегреву устройства. Также перегрев может произойти из-за повышенной температуры окружающей среды.
Инверторные станции, как правило, контролируют температуру радиатора силовых элементов и ограничивают мощность, или
выключают устройство при перегреве. В станциях серии "ТИЭЛЛА" контролируется температура в пяти точках, в том числе и температура воздуха в корпусе устройства. В трансформаторных станциях обычно функции защиты от перегрева нет.
• Защита от обрыва измерительной цепи электрода сравнения.
В режиме стабилизации потенциала обратная связь на регулятор станции поступает от внешнего электрода сравнения. Провод к этому электроду может оборваться. Станция измерит значение потенциала на оборванном проводе. Скорее всего, оно будет равно нулю. Пытаясь повысить потенциал, устройство перейдет на режим полной выходной мощности.
Устройства с интеллектуальным управлением обрабатывают такую ситуацию. Мои станции переходят в режим стабилизации тока.
• Защита от перенапряжения.
• Питающей сети.
• Выходной цепи.
• Измерительной цепи.
Обязательная защитная функция станций. Как правило, используются варисторы, которые замыкают цепь при повышении напряжения. Иногда применяются дополнительные блоки защиты от импульсных помех.
В станциях "ТИЭЛЛА" варисторы применяются как штатная защита, а в качестве дополнительной защиты могут использоваться блоки на пробивных стабилитронах (супрессорах) и плавких предохранителях. Очень эффективная защита, хотя и требует замены предохранителей.
8. Диапазон регулировки параметров.
Почти во всех станциях параметры (выходной ток, напряжение) задаются в диапазоне 5 -100 %. У трансформаторных станций это связано с тем, что при малых значения угла открывания, тиристоры работают нестабильно. У инверторных устройств задавать параметры от нуля, скорее всего, мешает то, что длительность импульсов управления силовыми транзисторами не может быть меньше определенной величины (обычно 1 мкс).
Требования ПАО «Транснефть» говорят, что пределы регулирования выходного тока или напряжения должны быть 5 -100 %.
9. Точность стабилизации параметров.
Требования ПАО «Транснефть» допускают отклонение параметров
стабилизации не более чем на 2 %. Обычно такую точность регулировки и обеспечивают станции. На станциях "ТИЭЛЛА" погрешность стабилизации параметров не более 1%. Потребители не особенно обращают внимание на этот параметр.
10. Входное сопротивление измерителя потенциала.
Разработчики медно-сульфатных электродов сравнения требуют, чтобы входное сопротивление цепи измерителя было не менее 10 мОм.
Далеко не все устройства обеспечивают этот параметр. Трудно реализовать такое высокое входное сопротивление и точность измерения в широком диапазоне температур. В моих станциях удалось обеспечить этот параметр за счет применения АЦП с входным сопротивлением 3000 мОм и автокалибровкой.
11. Степень защиты от внешних воздействий.
Станции катодной защиты работают на открытом воздухе. Поэтому требуется исполнение корпуса со степенью защитой IP34. Большинство производителей выпускает устройства именно такого исполнения.
В серии "ТИЭЛЛА" есть станции и в корпусах IP54. Это пылезащищенное исполнение, без вентиляционных щелей. Правда, это устройства небольшой мощности, до 1 кВт.
12. Температура окружающей среды.
У большинства станций диапазон рабочих температур -40 ... +45 °C.
13. Механическая конструкция.
Станции катодной защиты делают в самых разных корпусах, разной конструкции, разной формы, разных размеров.
Для потребителя, конечно, важны вес и размеры устройства. От этих параметров зависят расходы по транспортировке, хранению, обслуживанию. Например, станция "ТИЭЛЛА" мощностью 1200 Вт и исполнением IP34 весит меньше 12 кг. Понятно, что для перевозки такой станции достаточно легкового автомобиля, нет необходимости в подъемном кране, требуется минимальное число монтажников и т.д.
Не менее важен другой вопрос. Устройства становятся все сложнее. Что делать в случае поломки. В чистом поле их не отремонтировать. Станцию небольших размеров легко демонтировать и отвезти в мастерскую. Но к ней подключена питающая сеть 220 В. А подключение и отключение сети требует согласования с энергетиками. Поэтому современные станции должны обеспечивать быструю замену внутренних модулей непосредственно на объекте и без монтажных операций со счетчиком электроэнергии. Потребители станций все чаще обращают внимание на такую функцию.
14. Система GSM телемеханики.
Станции должны иметь возможность подключения к системе телемеханики. В принципе, любую станцию можно подключить к контроллеру GSM телеметрии. Есть контроллеры, допускающие прямое подключение токового шунта, выхода устройства, счетчика электроэнергии, датчика открывания двери и т.п. Но для управления станцией она должна иметь интерфейс телемеханики.
На трансформаторных станциях либо интерфейса телемеханики нет, либо это архаичные аналоговые сигналы 0 ... 5 В, 0 ... 10 В, 0 ... 20 мА, 4 ... 20 мА. В некоторых инверторных станциях появились цифровые последовательные интерфейсы. Они позволяют обмениваться контроллеру телеметрии и станции практически неограниченным количеством данных. Самым распространенным интерфейсом является RS 485.
Станции "ТИЭЛЛА" содержат три равнозначных цифровых интерфейса с полным доступом ко всем ресурсам устройства. Можно считать или записать любую ячейку оперативной памяти контроллера, посмотреть любой параметр.
15. Параметры функций, технологические установки. У всех, перечисленных выше функций много параметров. Эти параметры содержатся в энергонезависимой памяти контроллера станции. Интеллектуальные устройства дают возможность пользователям менять эти параметры для создания оптимальной конфигурации системы.
Станции серии "ТИЭЛЛА" позволяют опытным пользователям устанавливать калибровочные коэффициенты, коэффициенты регуляторов, пороги срабатывания защит и многие другие.
Использованные источники:
1. Мустафин Ф.М., Кузнецов М.в., Быков Л.И. Защита от коррозии. Т. 1. Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2004. - 806 с.
2. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. М., 2006. - 306 с.
3. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М., 1976.
4. Стратегия ПАО «Транснефть» в области защиты магистральных нефтепроводов от почвенной коррозии при капитальном ремонте // Трубопроводный транспорт нефти. - 1998. №7. - 61 с.
5. Коршак А.А., Нечваль А.М. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов. СПб.: Недра, 2008. - 488 с.
6. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы. Проектирование и строительство.- М.: Недра, 1982.- 383 с.
7. Груздев А.А., Тютьнев А.М., Черказов Н.М. Новые материалы, технологии и оборудование для защиты магистральных нефтепроводов от коррозии 11 Трубопроводный транспорт нефти. - 1998. - N 1. - С. 20-21.
8. Нефтегазовое строительство / Под ред. И.И. Мазура, В.Д. Шапиро. М.: Недра, 2005. - 790 с.
9. Шлугер М. А. Коррозия и защита металлов / М. А. Шлугер, Ф. Ф. Ажогин, Е. А. Ефимов. - М.: Металлургия, 1981. - 215 с.
10. Люблинский Е. Я. Электрохимическая защита от коррозии / Е. Я. Люблинский. - М.: Металлургия, 1987. - 96 с.
